清華大學(xué) 蘇子怡 李曉鋒

0 引言

隨著城市軌道交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，地鐵車站用電量不斷增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國城市軌道交通總用電量為152.6億kW·h，同比增長15.5%，其中車站非牽引能耗占48%[1]。在車站非牽引能耗中，通風(fēng)空調(diào)、照明、垂直交通系統(tǒng)能耗占比約80%[2]。因此，有必要研究地鐵車站各用能主要項(xiàng)的合理能耗指標(biāo)，對(duì)各系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行節(jié)能評(píng)估，探究節(jié)能運(yùn)行管理措施的節(jié)能潛力。

為了研究地鐵車站的合理能耗指標(biāo)，需要建立地鐵車站分項(xiàng)能耗模型。國內(nèi)外已有諸多學(xué)者針對(duì)建筑用能水平和能耗指標(biāo)進(jìn)行了大量的研究，廣泛采用的模型有基于統(tǒng)計(jì)回歸和基于運(yùn)行原理的模型?；貧w模型能夠快速評(píng)估能耗，為了解建筑當(dāng)前的用能水平提供參考[3-5]。但是回歸模型缺乏實(shí)際的物理意義，無法針對(duì)不同類型、不同服務(wù)規(guī)模(客流、列車等)的車站制定合理的能耗指標(biāo)，也無法分析能耗低或高的原因，對(duì)建筑系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行改進(jìn)的指導(dǎo)性不強(qiáng)。而原理模型則是基于對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、人員、運(yùn)行等原理的分析，建立模型進(jìn)行能耗模擬計(jì)算[6-7]，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠結(jié)合車站的實(shí)際情況，包括客流、列車、建筑等信息，給出車站的合理能耗指標(biāo)，可以分析能耗高或低的原因，從而能夠指導(dǎo)建筑的節(jié)能改造和運(yùn)行。

因此，本文基于地鐵車站各主要用能系統(tǒng)的運(yùn)行特征，建立了詳細(xì)的分項(xiàng)能耗原理模型，包括通風(fēng)空調(diào)、照明和垂直交通系統(tǒng)。該模型可以通過輸入車站的建筑和運(yùn)營狀況，對(duì)各分項(xiàng)用能系統(tǒng)的合理能耗進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算?？紤]到該原理模型需要的輸入?yún)?shù)全面而復(fù)雜，現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)收集工作量大，為了滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要，通過敏感性分析得到了一組對(duì)模型計(jì)算結(jié)果有重要影響的輸入?yún)?shù)。進(jìn)而提出了簡化的能耗模型，大大減少了模型的輸入?yún)?shù)數(shù)量，降低了現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)收集的工作量，從而能夠?qū)⒛芎哪Ｐ驮谌珖煌瑲夂騾^(qū)各城市地鐵車站中進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，快速計(jì)算車站的合理能耗，評(píng)估運(yùn)行狀況和節(jié)能潛力。

1 地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗原理模型

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是地鐵車站第一大用能系統(tǒng)，其能耗原理模型由冷負(fù)荷模型和系統(tǒng)能效模型組成，參考相關(guān)文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)[8-10]，結(jié)合地鐵車站的特征建立模型。

(1)

式中EVAC為通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗，kW·h；QVAC為冷負(fù)荷，kW；EER為系統(tǒng)能效比；τVAC為通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，h。

1.1 冷負(fù)荷模型

地鐵車站沒有受到太陽輻射且土壤溫度較穩(wěn)定，因此外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量相對(duì)穩(wěn)定，圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱對(duì)車站冷負(fù)荷的影響可以忽略[8]，從而可以認(rèn)為得熱量近似等于冷負(fù)荷。地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷由人員負(fù)荷、機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷、風(fēng)機(jī)溫升負(fù)荷、無組織滲風(fēng)負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量、站內(nèi)設(shè)備散熱量組成。

1.1.1人員負(fù)荷

(2)

式中Qp為人員負(fù)荷，kW；qp為人員全熱散熱量，kW/人；Ain、Aout分別為車站進(jìn)站和出站人數(shù)，人/h；ain、aout分別為乘客進(jìn)站和出站時(shí)在站廳站臺(tái)的停留時(shí)間，min。

1.1.2機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷

對(duì)于通風(fēng)季，機(jī)械新風(fēng)為車站供冷，車站冷負(fù)荷中不包括機(jī)械新風(fēng)項(xiàng)。對(duì)于空調(diào)季，機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷計(jì)算公式為

(3)

式中Qm為機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷，kW；ρ為空氣密度，kg/m3；Gm為機(jī)械新風(fēng)量，m3/h；Δh為室外與站內(nèi)空氣的比焓差，kJ/kg。

1.1.3風(fēng)機(jī)溫升負(fù)荷

Qf=Pf

(4)

式中Qf為風(fēng)機(jī)溫升負(fù)荷，kW；Pf為送風(fēng)機(jī)的功率，kW。

1.1.4無組織滲風(fēng)負(fù)荷

(5)

式中Qi為無組織滲風(fēng)負(fù)荷，kW；G1、G2分別為通過出入口進(jìn)入站廳和通過屏蔽門進(jìn)入站臺(tái)的無組織滲風(fēng)量，m3/h；Δh1為室外與站廳空氣的比焓差，kJ/kg；Δh2為隧道與站臺(tái)空氣的比焓差，kJ/kg。

1.1.5圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量

屏蔽門傳熱量計(jì)算公式為

QPSD=KPSDFPSD(tt-tp)

(6)

式中QPSD為屏蔽門傳熱量，kW；KPSD為屏蔽門的傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；FPSD為屏蔽門面積，m2；tt、tp分別為隧道和站臺(tái)空氣溫度，℃。

對(duì)站廳層和站臺(tái)層分別計(jì)算外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量。站臺(tái)層多位于地下15 m左右，土壤溫度可視為恒定，因此采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量的計(jì)算公式為

(7)

式中Qep為站臺(tái)層外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量，kW；α為墻體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)；δ1、δ2分別為混凝土和土壤的厚度，m；λ1、λ2分別為混凝土和土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；F1為站臺(tái)層外圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，m2；ts為恒溫層土壤溫度，℃。

站廳層多位于地下5～10 m，氣溫年波動(dòng)對(duì)地層溫度的影響不可忽略，采用逐月土壤平均溫度進(jìn)行計(jì)算，其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量的計(jì)算公式為

(8)

式中Qeh為站廳層外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量，kW；F21、F22分別為站廳層側(cè)墻和頂板面積，m2；tsx、ts0分別為地下埋深x處和地表的月平均溫度，℃；th為站廳空氣溫度，℃；δ3為站廳層混凝土頂板與地表的距離，m。

1.1.6站內(nèi)設(shè)備散熱量

設(shè)備散熱量主要由照明設(shè)備、垂直交通系統(tǒng)設(shè)備和站內(nèi)其他設(shè)備(包括檢票閘機(jī)、售票機(jī)、顯示屏等)組成。照明設(shè)備散熱帶來的冷負(fù)荷由其功率計(jì)算，垂直交通系統(tǒng)的設(shè)備散熱量根據(jù)“垂直交通系統(tǒng)能耗模型”計(jì)算，站內(nèi)其他設(shè)備帶來的冷負(fù)荷根據(jù)其功率近似計(jì)算。

1.2 系統(tǒng)能效模型

對(duì)于空調(diào)季，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能效比計(jì)算公式為

(9)

(10)

式(9)、(10)中EERr、EERt分別為冷源和空調(diào)末端的能效比；WTFchw、WTFcw分別為冷水和冷卻水的輸配系數(shù)；COP為冷水機(jī)組性能參數(shù)。

對(duì)于通風(fēng)季，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能效比即為空調(diào)末端能效比。

2 地鐵車站照明系統(tǒng)能耗原理模型

由于地下空間難以利用自然采光進(jìn)行照明，因此照明系統(tǒng)基本不受自然采光的影響，其運(yùn)行模式和能耗相對(duì)穩(wěn)定，能耗計(jì)算公式為

(11)

式中EL為照明系統(tǒng)能耗，kW·h；PL為照明功率密度，W/m2；F為照明面積，m2；τL為照明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，h。

3 地鐵車站垂直交通系統(tǒng)能耗原理模型

垂直交通系統(tǒng)能耗計(jì)算公式為

ETR=PTRτTR

(12)

式中ETR為垂直交通系統(tǒng)能耗，kW·h；PTR為垂直交通系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行功率，kW；τTR為垂直交通系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，h。

垂直交通系統(tǒng)設(shè)備包括直梯和自動(dòng)扶梯，由于兩者用能特征和工作模式差異較大，需要分別建立模型進(jìn)行計(jì)算。

3.1 直梯模型

直梯的工作模式包括使用模式和待機(jī)模式：直梯在使用模式下工作功率大、時(shí)間短，其工作時(shí)間取決于列車到站次數(shù)和乘客人數(shù)，計(jì)算公式見式(13)；而待機(jī)模式下工作功率小、時(shí)間長，其工作時(shí)間為直梯工作總時(shí)長減去使用模式下的工作時(shí)長。

(13)

式中τli_op為直梯在使用模式下的工作時(shí)間，h；f為單次列車到站直梯的運(yùn)行頻次；n為列車到站次數(shù)；Hli為直梯的提升高度，m；vli為直梯的額定運(yùn)行速度，m/s。

3.2 自動(dòng)扶梯模型

地鐵車站自動(dòng)扶梯的控制策略多為感應(yīng)變頻控制，即使用傳感器監(jiān)測是否有乘客靠近，以此作為模式切換的信號(hào)。采用感應(yīng)變頻控制的自動(dòng)扶梯工作模式包括額速有載模式、額速空載模式和低速空載模式。

3.2.1上行扶梯

在地鐵車站中，出站乘客比較集中，列車每次到站后會(huì)有乘客下車搭乘上行扶梯，扶梯開始以額速有載模式運(yùn)行，當(dāng)乘客全部離開后，上行扶梯經(jīng)過一定的時(shí)間切換為低速空載模式。上行扶梯額速有載模式的運(yùn)行時(shí)間與列車到站次數(shù)和單次下車人數(shù)有關(guān)，額速空載模式的運(yùn)行時(shí)間可由模式切換時(shí)間確定，低速空載模式與列車到站時(shí)間間隔有關(guān)。

(14)

τup_ur=nτsw

(15)

τup_ul=τesc-τup_mr-τup_ur

(16)

式(14)～(16)中τup_mr、τup_ur、τup_ul分別為額速有載、額速空載和低速空載模式下上行扶梯的運(yùn)行時(shí)間，h；a為單個(gè)臺(tái)階站立人數(shù)；h為臺(tái)階高度，m；Hesc為扶梯提升高度，m；vesc為扶梯額定速度，m/s；β為扶梯傾斜角度，°；τsw為額速模式與低速模式切換時(shí)間，h；τesc為扶梯工作時(shí)間，h。

上行扶梯各模式下運(yùn)行功率之間的關(guān)系為

Pup_mr=ηup(Pesc-Pup_ur)+Pup_ur

(17)

(18)

(19)

(20)

式(17)～(20)中Pup_mr,Pup_ur分別為額速有載和額速空載模式下上行扶梯的運(yùn)行功率，kW；ηup為上行扶梯負(fù)載率；Pesc為自動(dòng)扶梯額定功率，kW；m0和k為中間變量。

3.2.2下行扶梯

下行扶梯能耗的計(jì)算方法與上行扶梯相似，差異僅在于模式切換次數(shù)的計(jì)算。由于地鐵車站進(jìn)站客流比較分散，根據(jù)實(shí)地調(diào)研作如下假設(shè)：1) 乘客分批進(jìn)站，下行扶梯運(yùn)送完一批乘客之后再運(yùn)送下一批；2) 如果運(yùn)送兩批乘客的時(shí)間間隔大于扶梯的模式切換時(shí)間間隔，則自動(dòng)扶梯會(huì)在運(yùn)送完一批旅客之后切換為低速空載模式運(yùn)行，否則不切換。根據(jù)計(jì)算時(shí)段內(nèi)的總進(jìn)站人數(shù)和連續(xù)進(jìn)站人數(shù)，采用式(21)計(jì)算下行扶梯運(yùn)送的乘客批次數(shù)。

(21)

式中Agr為下行扶梯運(yùn)送乘客批次數(shù)；b為連續(xù)進(jìn)站人數(shù)。

考慮到乘客進(jìn)站的隨機(jī)性，下行扶梯在計(jì)算時(shí)段內(nèi)的模式切換次數(shù)可能為1、2、…、Agr。選取平均值(Agr+1)/2作為切換次數(shù)，同時(shí)需要保證扶梯額速運(yùn)行的時(shí)間短于總工作時(shí)間。由此，下行扶梯的模式切換次數(shù)可由式(22)計(jì)算。

(22)

式中nd_sw為下行扶梯的模式切換次數(shù)；τd_mr為額速有載模式下下行扶梯的運(yùn)行時(shí)間，h。

4 地鐵車站分項(xiàng)能耗模型的簡化

4.1 敏感性分析

上述能耗原理模型給出了根據(jù)地鐵車站實(shí)際運(yùn)營狀況計(jì)算主要用能系統(tǒng)能耗的方法，可以用于各系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行狀況的評(píng)估和節(jié)能潛力的挖掘。但是模型輸入?yún)?shù)復(fù)雜，現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)收集工作量大，存在實(shí)際工程中難以直接應(yīng)用的問題：1) 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模型需要64個(gè)輸入?yún)?shù)，垂直交通系統(tǒng)模型需要25個(gè)輸入?yún)?shù)，輸入?yún)?shù)多，數(shù)據(jù)調(diào)研工作在工程實(shí)踐中的開展難度大；2) 由于施工和維護(hù)成本的問題，分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)質(zhì)量差，部分設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確獲得。因此，需要對(duì)地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和垂直交通系統(tǒng)的能耗原理模型進(jìn)行簡化，從而實(shí)現(xiàn)將模型在全國不同氣候區(qū)不同類型的地鐵車站中進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行的評(píng)估和節(jié)能潛力的挖掘。

敏感性分析通過量化輸入對(duì)輸出的影響能夠識(shí)別最有影響的參數(shù)[11]，確定哪些輸入?yún)?shù)能夠固定在其分布域內(nèi)的任意值而不對(duì)輸出結(jié)果影響太大[12]，從而起到簡化模型的作用。本文對(duì)地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、垂直交通系統(tǒng)能耗模型進(jìn)行了敏感性分析，得到了各輸入?yún)?shù)的重要性排序，結(jié)果如圖1和圖2所示。可以看出，對(duì)于通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和垂直交通系統(tǒng)能耗模型而言，僅有少量的輸入?yún)?shù)具有較大的敏感性指標(biāo)，多數(shù)輸入?yún)?shù)對(duì)模型輸出結(jié)果的影響程度較低，模型存在簡化的可能。

圖1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗原理模型各輸入?yún)?shù)的敏感性指標(biāo)

圖2 垂直交通系統(tǒng)能耗原理模型各輸入?yún)?shù)的敏感性指標(biāo)

4.2 模型簡化研究

基于敏感性分析的結(jié)果，對(duì)能耗原理模型進(jìn)行了簡化研究，簡化過程如下：對(duì)于敏感性指標(biāo)排序靠前的重要參數(shù)，其輸入值采用對(duì)實(shí)際各車站詳細(xì)調(diào)研獲取的數(shù)據(jù)，而其他參數(shù)的輸入值采用已有調(diào)研獲取的社會(huì)平均水平值(不再逐個(gè)車站獲取數(shù)據(jù))；探究不同的詳細(xì)調(diào)研輸入?yún)?shù)數(shù)量對(duì)能耗模型精度的影響，簡化模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo)采用均方根誤差(RMSE)和均方根誤差變異系數(shù)(CV-RMSE)。

(23)

(24)

4.2.1通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗簡化模型

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗原理模型共64個(gè)輸入?yún)?shù)，包括建筑信息、設(shè)備參數(shù)、客流情況、站內(nèi)環(huán)境參數(shù)等。采用不同詳細(xì)調(diào)研輸入?yún)?shù)數(shù)量的簡化模型與原理模型的均方根誤差變異系數(shù)如圖3所示。可以看出，采用15個(gè)詳細(xì)調(diào)研的輸入?yún)?shù)，其他參數(shù)采用社會(huì)平均水平值，簡化模型的均方根誤差變異系數(shù)為7.6%，對(duì)應(yīng)的均方根誤差為27.5 kW·h。進(jìn)一步增加模型輸入?yún)?shù)數(shù)量對(duì)模型精度提升的作用有限。綜合考慮模型精度和實(shí)際工程收集數(shù)據(jù)的難度，后續(xù)推廣使用的地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗簡化模型擬采用表1中列出的15個(gè)輸入?yún)?shù)，可以分為5類：1) 站外環(huán)境參數(shù)；2) 車站新風(fēng)及滲風(fēng)量；3) 設(shè)備能效；4) 站內(nèi)環(huán)境參數(shù)；5) 客流信息。

圖3 不同輸入?yún)?shù)數(shù)量下通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗簡化模型的精度

表1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗簡化模型的輸入?yún)?shù)

以夏熱冬冷地區(qū)某地下2層標(biāo)準(zhǔn)島式車站為例，采用簡化模型和原理模型對(duì)空調(diào)季通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果顯示，簡化模型與原理模型的最大相對(duì)誤差為8%，平均相對(duì)誤差為2%，這一精度在工程應(yīng)用領(lǐng)域可接受。

圖4 某車站空調(diào)季典型日能耗簡化模型與原理模型對(duì)比

4.2.2垂直交通系統(tǒng)能耗簡化模型

垂直交通系統(tǒng)能耗原理模型共25個(gè)輸入?yún)?shù)，包括列車到站情況、客流信息、電梯參數(shù)、建筑信息等。采用不同詳細(xì)調(diào)研輸入?yún)?shù)數(shù)量的簡化模型與原理模型的均方根誤差變異系數(shù)如圖5所示。結(jié)果顯示，采用11個(gè)詳細(xì)調(diào)研的輸入?yún)?shù)，其他參數(shù)采用社會(huì)平均水平值，簡化模型的均方根誤差變異系數(shù)為7.4%，對(duì)應(yīng)的均方根誤差為2.1 kW·h。進(jìn)一步增加輸入?yún)?shù)數(shù)量，模型精度可以進(jìn)一步提高，采用18個(gè)詳細(xì)調(diào)研的輸入?yún)?shù)時(shí)，模型的均方根誤差變異系數(shù)僅為3.3%。但是考慮到垂直交通系統(tǒng)能耗在地鐵車站中的占比約為14%～21%，采用11個(gè)輸入?yún)?shù)的簡化模型精度可接受，后續(xù)推廣使用的垂直交通系統(tǒng)能耗簡化模型擬采用表2中列出的11個(gè)輸入?yún)?shù)，可以分為3類：1) 列車運(yùn)營信息；2) 客流信息；3) 扶梯參數(shù)。

圖5 不同輸入?yún)?shù)數(shù)量下垂直交通系統(tǒng)能耗簡化模型的精度

表2 垂直交通系統(tǒng)能耗簡化模型的輸入?yún)?shù)

在夏熱冬冷地區(qū)某地下2層標(biāo)準(zhǔn)島式車站中應(yīng)用垂直交通系統(tǒng)能耗簡化模型和原理模型進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，簡化模型與原理模型的最大相對(duì)誤差為4%，平均相對(duì)誤差為1%，這一精度在工程應(yīng)用領(lǐng)域可接受。

圖6 某車站典型日垂直交通系統(tǒng)能耗簡化模型與原理模型對(duì)比

5 結(jié)語

隨著地鐵車站用電量的不斷增長，需要對(duì)地鐵車站主要用能系統(tǒng)的能耗進(jìn)行模擬和分析，以評(píng)估車站的用能水平和節(jié)能潛力?；诖诵枨?，本文研究了基于用能系統(tǒng)運(yùn)行特征和運(yùn)營數(shù)據(jù)的地鐵車站分項(xiàng)能耗原理模型，包括通風(fēng)空調(diào)、照明和垂直交通系統(tǒng)能耗模型。進(jìn)而針對(duì)實(shí)際工程中輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)收集難度大的問題，通過敏感性分析提取了模型的重要輸入?yún)?shù)，對(duì)原理模型進(jìn)行了簡化研究。簡化模型中僅有少量輸入?yún)?shù)采用對(duì)實(shí)際各車站詳細(xì)調(diào)研獲取的數(shù)據(jù)，而其他輸入?yún)?shù)采用已有調(diào)研獲取的社會(huì)平均水平值。研究發(fā)現(xiàn)，簡化的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和垂直交通系統(tǒng)能耗模型分別可采用15個(gè)和11個(gè)詳細(xì)調(diào)研的輸入?yún)?shù)，簡化模型的均方根誤差變異系數(shù)分別為7.6%和7.4%，符合工程應(yīng)用的精度要求。該簡化模型將工程應(yīng)用中數(shù)據(jù)收集的工作量降低了60%以上，從而能夠?qū)崿F(xiàn)將能耗模型在全國不同氣候區(qū)各城市的地鐵車站中進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，用于快速評(píng)估車站的運(yùn)行狀況和節(jié)能潛力。