上海理工大學(xué) 王麗慧 高仁義 張 杉上海世茂股份有限公司 劉 暢上海申通地鐵集團有限公司 宋 潔 鄭 懿 鄒學(xué)成
由組合式空調(diào)箱、回排風(fēng)機等設(shè)備組成的地鐵車站環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)在空調(diào)季和非空調(diào)季常年運行,對車站熱環(huán)境空調(diào)季的舒適性和非空調(diào)季的新風(fēng)量等影響較大,風(fēng)系統(tǒng)能耗也是車站環(huán)控系統(tǒng)能耗的主要組成部分。本文聚焦不同運營年限地鐵車站環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)典型設(shè)備和系統(tǒng)的能效變化特性研究。
首先,目前對于組合式空調(diào)箱性能的研究多是通過建立集總參數(shù)模型。邱峰等人通過建立空調(diào)箱表冷器集總參數(shù)模型、分布參數(shù)模型、分排參數(shù)模型模擬了肋片管換熱器的實際換熱性能[1];王磊等人建立了組合式空調(diào)箱盤管熱回收裝置的集總參數(shù)模型,研究了回路形式、肋片間距、沿氣流方向管排數(shù)、循環(huán)風(fēng)量、盤管水流速等對盤管熱回收性能的影響,為組合式空調(diào)箱選擇合適的盤管熱回收裝置提供了依據(jù)[2]。其次,在地鐵車站環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)中回排風(fēng)機多使用軸流風(fēng)機,軸流風(fēng)機在不同建筑中均作為主要通風(fēng)設(shè)備。Vad分析了軸流風(fēng)機無導(dǎo)葉壓縮機轉(zhuǎn)子葉片對風(fēng)機氣動性能的影響[3];Ye等人使用非穩(wěn)態(tài)的交錯角三維模型評估了異常交錯角對風(fēng)機性能的影響,結(jié)果表明異常偏差交錯角將導(dǎo)致壓力波動強度增大[4];周帆等人運用CFD數(shù)值模擬技術(shù),對不同輪轂比的T40風(fēng)機流場結(jié)構(gòu)與氣動特性進(jìn)行了比較分析,得到了風(fēng)機效率與輪轂比幾乎呈線性遞減關(guān)系的結(jié)論[5]。再次,對于整個空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)而言,目前研究多趨向于能耗分析及節(jié)能措施改進(jìn)方面。曹雙華等人針對紡織廠空調(diào)風(fēng)系統(tǒng),建立了主要耗能設(shè)備能耗優(yōu)化模型,探討了其空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)最小運行能耗[6];張烽分析了夏熱冬暖地區(qū)大型購物中心能耗特點,發(fā)現(xiàn)對空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)采用全部熱回收、風(fēng)機變頻等方式有明顯節(jié)能效果[7]。
以上研究內(nèi)容幾乎沒有對空調(diào)箱、回排風(fēng)機及環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)性能隨運營年限變化規(guī)律的研究,而這對于長年運營的地鐵車站等建筑節(jié)能高效意義重大。本文通過分層抽樣方法確定上海地鐵不同年限運營車站,并對其空調(diào)箱、回排風(fēng)機和風(fēng)系統(tǒng)的能效進(jìn)行實測評估,獲得風(fēng)系統(tǒng)單體設(shè)備和系統(tǒng)能效隨運營年限的變化規(guī)律,為地鐵車站風(fēng)系統(tǒng)的新產(chǎn)品準(zhǔn)入、設(shè)備大修或更換、提高地鐵車站環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)能效等提供參考。
測試車站的選取過程為:將上海軌道交通191個島式地鐵車站依據(jù)運營年限分為近期(2013年8月至2017年8月)、中期(2009年8月至2013年8月)和遠(yuǎn)期(2005年8月至2009年8月)3類,并以分層抽樣樣本量90%的置信度、允許相對誤差不超過15%為依據(jù),選取30個車站進(jìn)行了實地考察。根據(jù)現(xiàn)場測試條件,以及車站規(guī)模相似、客流量相似等條件,最終確定4、8、10、12和13號線中的18個車站的環(huán)控設(shè)備和系統(tǒng)作為測試對象,其中,近期、中期和遠(yuǎn)期運營年限車站的數(shù)目分別為7、4、7個。所選車站均為標(biāo)準(zhǔn)島式地下非換乘車站,其環(huán)控系統(tǒng)形式相同,且各時期車站設(shè)備匹配容量范圍也相同,各車站主要環(huán)控設(shè)備的類型及參數(shù)見表1。
表1 各車站主要環(huán)控設(shè)備的類型及參數(shù)
采用格魯布斯檢驗法[11]對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行壞值剔除,從而保證分層抽樣樣本實測數(shù)據(jù)的可靠性,且能反映上海地鐵環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)能效變化的普遍規(guī)律。
1.2.1空調(diào)箱能效評價指標(biāo)及其計算方法
依據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8],空調(diào)箱性能評價指標(biāo)選擇風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率Ws、空調(diào)箱制冷量Qa、空調(diào)箱冷量衰減率α,3個參數(shù)的定義式分別見式(1)、式(2)和式(3)。
(1)
式中N1為風(fēng)機輸入功率,W;L為風(fēng)機實際風(fēng)量,m3/h。
(2)
式中L1為送風(fēng)量,m3/h;ρ1為進(jìn)口空氣密度,kg/m3;d1為進(jìn)口空氣含濕量,kg/kg;h1為機組進(jìn)口空氣比焓,kJ/kg;h2為機組出口空氣比焓,kJ/kg;cpw為水的比定壓熱容,kJ/(kg·℃),取4.18 kJ/(kg·℃);t2為機組出口空氣濕球溫度,℃;Δd為機組進(jìn)出口空氣含濕量差,kg/kg。
(3)
式中Qe為空調(diào)箱額定制冷量,kW。
1.2.2回排風(fēng)機能效評價指標(biāo)及其計算方法
回排風(fēng)機評價指標(biāo)采用風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率Ws[8]。
1.2.3空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)能效評價指標(biāo)
為了便于對不同運營年限地鐵風(fēng)系統(tǒng)能效的評估,提出用空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比η評價地鐵車站空調(diào)季風(fēng)系統(tǒng)能效,其定義式見式(4)。
(4)
式中 ∑Nj為空調(diào)系統(tǒng)各用電設(shè)備的平均輸入功率之和,包含冷水機組、冷卻塔、空調(diào)箱、水泵和回排風(fēng)機的輸入功率,kW。
依據(jù)上文地鐵車站風(fēng)系統(tǒng)典型設(shè)備和系統(tǒng)能效評價指標(biāo)參數(shù)需求,空調(diào)箱主要實測參數(shù)為進(jìn)出風(fēng)溫濕度、送回風(fēng)風(fēng)量和輸入功率,回排風(fēng)機主要測試參數(shù)為風(fēng)量與輸入功率。計算空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比還需測定冷水機組、冷卻塔、水泵的輸入功率[8,11]。上述參數(shù)均需在正??照{(diào)設(shè)計工況下測定,參數(shù)穩(wěn)定15 min后開始測量。
依據(jù)國家相關(guān)空調(diào)檢測標(biāo)準(zhǔn)[8],所有設(shè)備功率均從地鐵車站環(huán)控電控室機柜上讀取,并用鉗形功率表檢測機柜后面相關(guān)線路進(jìn)行核對;空調(diào)箱送、回風(fēng)溫濕度分別在地鐵車站空調(diào)箱進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)口處采用便攜式溫濕度計每隔5 min讀取獲得,并與地鐵車站環(huán)控機房計算機顯示屏上的參數(shù)相互驗證;空調(diào)箱與回排風(fēng)機風(fēng)量測試時均采取將矩形回風(fēng)口截面等分為四部分,取各部分中心風(fēng)速的平均值作為測試結(jié)果,并結(jié)合回風(fēng)口面積計算風(fēng)量。測試所用相關(guān)儀器、儀表參數(shù)見表2。
表2 地鐵車站風(fēng)系統(tǒng)主要測試儀器參數(shù)
18個地鐵車站各空調(diào)箱的實測平均冷量為309 kW。圖1給出了不同運營年限地鐵車站空調(diào)箱冷量實測結(jié)果。由圖1可知:近期運營年限車站空調(diào)箱冷量需求最低(為203 kW),中期最高(為233 kW),近期較中期低12.8%;遠(yuǎn)期空調(diào)箱冷量平均值(為220 kW)因設(shè)備年限長且換熱效果差比中期低了5.6%左右。圖2給出了不同運營年限空調(diào)箱平均冷量衰減度的變化趨勢及其經(jīng)驗擬合式。由圖2可見,隨著運營年限的增加,各地鐵車站空調(diào)箱平均冷量衰減率逐漸增大。地鐵運行初期,因設(shè)備較新、換熱效率好,空調(diào)箱冷量衰減率較小,為18%左右;運營中期地鐵車站空調(diào)箱冷量衰減率逐漸增大,也就是空調(diào)箱實際換熱能力較設(shè)備額定換熱能力逐漸下降,這一下降趨勢在地鐵車站運營遠(yuǎn)期最為明顯,可達(dá)到約60%,可見中遠(yuǎn)期空調(diào)箱換熱能力將明顯衰減。
圖1 不同運營年限地鐵車站空調(diào)箱冷量實測結(jié)果
圖2 空調(diào)箱平均冷量衰減率隨運營年限的變化
圖3顯示了空調(diào)箱風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率隨不同運營年限的變化趨勢,單位風(fēng)量耗功率平均值近期為0.44 W/(m3/h),中期為0.38 W/(m3/h),遠(yuǎn)期為0.46 W/(m3/h)。對比JGJ/T 177—2009《公共建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》[8]中的限定值(0.52 W/(m3/h))可見,近期、中期各有1個車站,遠(yuǎn)期有3個車站不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,但整體上空調(diào)箱風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率的平均值均低于該限定值。圖4顯示了空調(diào)箱送風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率平均值隨運營年限的變化,擬合曲線趨于平緩,各運行時期空調(diào)箱單位風(fēng)量耗功率平均值均約為0.42 W/(m3/h),小于限定值0.52 W/(m3/h)??梢?,空調(diào)箱的風(fēng)機性能并不隨運營年限的增加而發(fā)生規(guī)律性變化,并且各運營時期空調(diào)箱風(fēng)機均處在高效運行狀態(tài),建議通過定期維護保養(yǎng)來保持風(fēng)機的高效。
圖3 不同運營年限空調(diào)箱風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率實測結(jié)果
圖4 空調(diào)箱送風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率平均值隨運營年限的變化
18個實測車站中,不同運營年限回排風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率變化趨勢如圖5所示。圖5中回排風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率近期平均值為0.50 W/(m3/h),中期平均值為0.26 W/(m3/h),遠(yuǎn)期平均值為0.28 W/(m3/h),結(jié)合JGJ/T 177—2009《公共建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》[8]中的限定值(0.52 W/(m3/h))來看,各時期回排風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率平均值均低于標(biāo)準(zhǔn)限定值,僅近期和遠(yuǎn)期各有1個車站回排風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率大于0.52 W/(m3/h),不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖5 不同運營年限車站回排風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率實測結(jié)果
通過對18個車站冷水機組、冷卻塔、空調(diào)箱、水泵、回排風(fēng)機功率的實測,計算得到地鐵運營近期、中期和遠(yuǎn)期的空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比。不同車站空調(diào)系統(tǒng)各用電設(shè)備的實測功率平均值與空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比平均值計算結(jié)果見表3。
表3 各用電設(shè)備的實測功率平均值與空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比平均值計算結(jié)果
由表3可見:空調(diào)箱冷量中期較大;換熱設(shè)備總功率平均值近期為147 kW,中期為109 kW,遠(yuǎn)期為133 kW,中期較近期低25.9%;非換熱設(shè)備總功率平均值近期為57 kW,中期為35 kW,遠(yuǎn)期為53 kW,中期較近期低38.6%;環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備總功率平均值近期為204 kW,中期為145 kW,遠(yuǎn)期為187 kW,中期較近期低28.9%;對運營年限為2、4、7、10、12年的空調(diào)系統(tǒng)能效比分別取平均值,進(jìn)一步計算各運營時期空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比平均值,得到近期為1.00,中期為1.63,遠(yuǎn)期為1.18。根據(jù)式(5),空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比越大,表明地鐵車站空調(diào)季風(fēng)系統(tǒng)能效越高,結(jié)合圖6可知,地鐵運營近期和運營遠(yuǎn)期其空調(diào)季風(fēng)系統(tǒng)能效較低,而運營中期較高。
圖6 空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比隨車站運營年限的變化
究其原因,在地鐵車站運營近期,因圍巖盾構(gòu)中蘊藏著大量自然冷源(上海新建地鐵車站周圍土體溫度為20~25 ℃),導(dǎo)致空調(diào)季車站冷負(fù)荷較小,而地鐵站內(nèi)換熱設(shè)備空調(diào)箱、冷水機組及冷卻塔的容量多依據(jù)遠(yuǎn)期最不利工況(即車站冷負(fù)荷最大)來選定。故在運營近期空調(diào)箱等換熱設(shè)備均在較低負(fù)荷率下運行,大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致設(shè)備總耗功率最大,運營近期地鐵車站的空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比最低。地鐵車站運營中期,由于車站負(fù)荷率較高,換熱設(shè)備在能效較高的狀態(tài)下運行,空調(diào)箱、冷水機組和冷卻塔等設(shè)備的換熱效果良好,空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比較高。而到了遠(yuǎn)期,雖然車站空調(diào)季的負(fù)荷率仍很高,但是隨著運營年限的增加,空調(diào)箱、冷水機組和冷卻塔等換熱設(shè)備的換熱效率明顯下降,導(dǎo)致設(shè)備總耗功率增大,引起空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比下降。因此,總體上呈現(xiàn)地鐵車站運營近期和運營遠(yuǎn)期空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比較低,運營中期較高的變化特性。
1) 空調(diào)箱冷量平均值近期最低、中期最高,近期較中期低12.8%,而遠(yuǎn)期較中期低5.6%左右。隨著運營年限增加,各地鐵車站空調(diào)箱平均冷量衰減率逐漸增大。這一衰減趨勢在地鐵車站運營遠(yuǎn)期最為明顯,可達(dá)約60%,可見中遠(yuǎn)期空調(diào)箱換熱能力將明顯下降。
2) 空調(diào)箱風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率各時期平均值近期為0.44 W/(m3/h),中期為0.38 W/(m3/h),遠(yuǎn)期為0.46 W/(m3/h),與運營年限無明顯線性關(guān)系,表明定期維護可以保障不同運營年限風(fēng)機均具有較好的能效水平。
3) 回排風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率運營近期平均值為0.50 W/(m3/h),中期為0.26 W/(m3/h),遠(yuǎn)期為0.28 W/(m3/h),呈現(xiàn)出非換熱設(shè)備能效與運營年限無明顯線性關(guān)系的特點。
4) 各運營時期空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比平均值為近期1.00、中期1.63、遠(yuǎn)期1.18,呈現(xiàn)地鐵車站運營近期和遠(yuǎn)期較低,運營中期較高的變化特性。