盧 君 雷 波 余 濤

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 6100031）

0 引言

高鐵客運站作為公共建筑重要而特殊的分支，具有空間跨度大、人員密度高、空調(diào)系統(tǒng)運行時間長、建筑能耗高等特點?？照{(diào)系統(tǒng)能耗占高鐵客運站總能耗的30-60%[1]，因此空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能是高鐵客運站建筑節(jié)能的工作重點。高鐵客運站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計指標作為設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)的用能基準線，對于合理控制空調(diào)系統(tǒng)能耗水平具有重要意義。

近些年很多學(xué)者對高鐵客運站空調(diào)系統(tǒng)能耗進行了研究。劉小燕[2]和楊秀娥[3]通過實地調(diào)研分析了不同規(guī)模高鐵客運站的空調(diào)系統(tǒng)供冷、供熱能耗值及能耗占比。宋歌[4]、劉小燕[5]和韓婕[6]等人通過模擬計算分析的方式得到不同氣候區(qū)高鐵客運站的空調(diào)系統(tǒng)能耗值及不同空調(diào)系統(tǒng)對能耗值的影響。現(xiàn)有研究主要針對高鐵客運站空調(diào)系統(tǒng)能耗值、能耗占比及能耗影響因素，尚未見有關(guān)高鐵客運站空調(diào)系統(tǒng)冷熱源、輸配、末端節(jié)能設(shè)計指標的研究。

本文通過理論分析與模擬計算的方式，結(jié)合高鐵客運站空調(diào)系統(tǒng)能耗限值的要求，研究我國不同氣候區(qū)大型高鐵客運站建筑典型的全空氣系統(tǒng)冷熱源、輸配及末端各分項節(jié)能設(shè)計指標。

1 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計指標

確定能耗水平的方法包括專家咨詢法、統(tǒng)計分析法及技術(shù)測算法[7]。專家咨詢法是指利用專家的經(jīng)驗和現(xiàn)有的相關(guān)信息提出定量能耗值的方法，此方法易受到主觀因素影響，出現(xiàn)片面性和盲目性。統(tǒng)計分析法是通過一定的數(shù)據(jù)分析，確定合理的能耗指標值的方法，此方法需要對實際能耗進行大規(guī)模普查，實際操作難度大。技術(shù)測算法是指基于現(xiàn)有的計算軟件，通過建立模型對合理能耗進行計算，從而確定能耗指標的方法。

本文采用技術(shù)測算法，通過對現(xiàn)有高鐵客運站空調(diào)能耗進行分析和模擬計算，從而確定高鐵客運站全空調(diào)系統(tǒng)冷熱源、輸配和末端三部分的節(jié)能設(shè)計指標。

1.1 節(jié)能設(shè)計指標的確定方法

確定高鐵客運站冷熱源、輸配、末端節(jié)能設(shè)計指標的具體步驟如下：

（1）空調(diào)系統(tǒng)總能耗限值的確定。

能耗限值是指為實現(xiàn)使用功能所允許消耗的能耗指標上限值[8]。本文根據(jù)實地調(diào)研情況，將高鐵客運站空調(diào)能耗現(xiàn)狀的平均值作為空調(diào)系統(tǒng)能耗值，根據(jù)節(jié)能設(shè)計的要求，取能耗現(xiàn)狀平均值的80%作為空調(diào)系統(tǒng)總能耗的節(jié)能設(shè)計限值。

（2）各部分能耗值的計算。

在高鐵客運站全空氣系統(tǒng)中，冷源能耗是指冷水機組的能耗，熱源能耗是指鍋爐或城市熱網(wǎng)的能耗，計算冷熱源能耗需要知道建筑的逐時冷、熱負荷。采用Energyplus 軟件模擬計算出典型高鐵客運站建筑模型的全年逐時冷、熱負荷。冷水機組按照負荷率大小分為0%-25%、25%-50%、50%-75%和75%-100%四個負荷區(qū)間，整理各廠家的設(shè)備參數(shù)及建筑節(jié)能設(shè)計標準，統(tǒng)計不同負荷率下的冷水機組COP 并計算該區(qū)段內(nèi)COP 的平均值。根據(jù)逐時冷、熱負荷及冷源COP 平均值、熱源效率計算得出冷熱源能耗值。

輸配主要指水系統(tǒng)，其中供冷系統(tǒng)輸配由冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔構(gòu)成，供熱系統(tǒng)輸配為供熱循環(huán)泵。冷凍水泵及供熱循環(huán)泵流量最小值根據(jù)單臺水泵的變頻范圍和水泵臺數(shù)來確定，當水泵流量低于最小值時，按照流量最小值進行計算，當水泵流量超過最小值時，水泵開度按照逐時負荷率進行計算；冷卻水泵和冷卻塔采用全開模式。計算得出輸配能耗值。

末端是指組合空調(diào)箱，采用全空氣系統(tǒng)時，主要用能設(shè)備為風(fēng)機，空調(diào)箱風(fēng)機按變頻運行，當部分負荷率低于風(fēng)機開啟度最小值時，按照最小值進行計算。當風(fēng)機流量超過最小值時，按照逐時負荷率進行計算。通過逐時負荷及風(fēng)機風(fēng)壓等參數(shù)計算得到末端能耗值。

（3）確定節(jié)能設(shè)計指標。

通過計算出的冷熱源、輸配、末端的能耗值得出冷熱源、輸配、末端占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的占比，與空調(diào)系統(tǒng)總能耗限值相乘得到不同氣候區(qū)高鐵客運站空調(diào)系統(tǒng)冷熱源、輸配、末端的節(jié)能設(shè)計指標。

1.2 建筑和空調(diào)系統(tǒng)計算參數(shù)

在五個氣候區(qū)選擇典型城市，嚴寒地區(qū)選擇長春，寒冷地區(qū)選擇天津，溫和地區(qū)選擇昆明，夏熱冬冷地區(qū)選擇上海，夏熱冬暖地區(qū)選擇廣州。分別根據(jù)不同氣候區(qū)公共建筑節(jié)能設(shè)計規(guī)范的要求設(shè)定圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)。車站建筑面積為61100m2，分為上下兩層，下部分為進站廳和集散廳，上部分為候車廳，一層層高為8.1m，二層層高為13m。上下層分層空調(diào)高度均為4m，最高聚集人數(shù)為6000 人。

高鐵客運站空調(diào)形式為常用的全空氣系統(tǒng)。冷凍水泵與冷卻水泵臺數(shù)均3 臺，揚程分別為32m與26m，最低開啟度為30%；熱水循環(huán)泵選用一臺揚程32m 的水泵，最低開啟度為60%。冷卻塔風(fēng)機風(fēng)壓為200Pa；空調(diào)箱風(fēng)機風(fēng)壓為700Pa，最低負荷率為60%。

2 空調(diào)系統(tǒng)能耗計算

本文通過建立不同氣候區(qū)高鐵客運站模型，得到建筑的逐時冷、熱負荷，將負荷及設(shè)備參數(shù)帶入冷熱源、輸配和末端能耗計算公式得到空調(diào)系統(tǒng)各部分能耗值。

2.1 冷源能耗

冷源能耗是指冷水機組的能耗。冷水機組通常是處于部分負荷工況下工作，將所有部分負荷情況的耗電量累加，便可得到冷水機組的累計耗電量。

冷水機組Pc的能耗按照公式（1）進行計算。

式中：Pc為冷源的能耗，kWh；Qci為在c值所在部分負荷率范圍內(nèi)i小時的冷負荷，kW，其中c=1 時表示部分負荷率位于0%-25%，c=2 時表示部分負荷率位于25%-50%，c=3 時表示部分負荷率位于50%-75%，c=4 時表示部分負荷率位于7 5%-100%；COPc為機組在c值所對應(yīng)的負荷區(qū)間內(nèi)COP 平均值；Ti為部分負荷率對應(yīng)的小時數(shù)，h。

2.2 熱源能耗

熱源能耗將所有部分負荷情況的耗電量累加，可得到熱源的累計耗電量。在高鐵客運站中，熱源能耗由鍋爐或城市熱網(wǎng)構(gòu)成，為了統(tǒng)一計算，將鍋爐或城市熱望的能耗均折算為等效電耗。嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)采用城市熱網(wǎng)供熱，在夏熱冬冷地區(qū)采用燃氣鍋爐作為熱源。熱源的能耗按公式（2）計算。

式中：Ph為熱源的能耗，kWh；Qhi為熱源的i時刻的熱負荷，kW；ηh為折電力系數(shù)，標準煤ηh=2.6，天然氣ηh=2。

2.3 輸配能耗

輸配系統(tǒng)能耗指水系統(tǒng)能耗，供冷系統(tǒng)包括冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔風(fēng)機三部分，供熱系統(tǒng)為供熱循環(huán)泵。冷凍水泵及供熱循環(huán)泵能耗依據(jù)公式（3）[9]計算，由于冷卻水泵采用全開的模式，所以冷卻水泵xi取1。

式中：Pp為泵的能耗，kWh；k為電機放大系數(shù)，一般取1.1；ρw為水的密度，kg/m3；Qp為泵的水流量，m3/h；g為重力加速度，取9.8m/s2；H為水泵揚程，m；ηp為水泵的效率，取ηp=0.7；xi為i時刻的部分負荷率，根據(jù)公式（4）計算。

式中：Qi為i時刻的負荷，kW；Qmax為逐時最大負荷，kW。

輸配系統(tǒng)中，冷卻塔能耗為冷卻塔風(fēng)機能耗，風(fēng)機的能耗可根據(jù)公式（5）、公式（6）計算。

式中：Pt為冷卻塔的能耗，kWh；p為風(fēng)機的全壓，Pa；Qt為空調(diào)箱風(fēng)機風(fēng)量，m3/h；ηt為冷卻塔的效率，取ηt=0.8；ρa為空氣密度，kg/m3；ht1為室外點的焓值，kJ/kg；ht2為進水溫度對應(yīng)飽和空氣焓值，kJ/kg。

2.4 末端能耗

在高鐵客運站中，末端主要指空調(diào)箱，主要設(shè)備為風(fēng)機，其能耗計算由公式（7）、（8）計算。

式中：Pe為風(fēng)機的能耗，kWh；Qe為空調(diào)箱風(fēng)量，m3/h；he2為送風(fēng)狀態(tài)點焓值，kJ/kg；he1為室內(nèi)狀態(tài)點焓值，kJ/kg。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)所建立的高鐵客運站模型及空調(diào)模型，不同氣候區(qū)大型高鐵客運站逐時負荷情況如圖1所示。

圖1 不同氣候區(qū)逐時負荷值/kWFig.1 Hourly load values in different climatic regions/kW

根據(jù)對不同氣候區(qū)大型高鐵客運站能耗現(xiàn)狀的調(diào)研情況和節(jié)能要求，確定空調(diào)系統(tǒng)總能耗的節(jié)能設(shè)計限值，如表1所示。

表1 空調(diào)系統(tǒng)總能耗的節(jié)能設(shè)計限值/kWh/(m2·a)Table 1 Energy-saving design limits for total energy consumption of air-conditioning systems/kWh/(m2·a)

根據(jù)不同氣候區(qū)典型城市冷熱源、輸配、末端的能耗值所占比例，確定各部分能耗指標值。不同氣候區(qū)冷熱源、輸配、末端的節(jié)能設(shè)計指標如表2所示。

表2 空調(diào)系統(tǒng)各部分節(jié)能設(shè)計指標/kWh/(m2·a)Table 2 Energy-saving design indicators of air-conditioning systems in different climate zones/kWh/(m2·a)

不同氣候區(qū)的單位面積空調(diào)系統(tǒng)冷熱源、輸配、末端節(jié)能設(shè)計指標值差異較大，這是因為不同氣候區(qū)的氣象條件不同使得冷、熱負荷的差距較大，所以能耗值差異較大。

不同地區(qū)總熱負荷從大到小分別為：嚴寒地區(qū)，寒冷地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)。不同地區(qū)總冷負荷從大到小分別為：夏熱冬暖地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、嚴寒地區(qū)、溫和地區(qū)。由于冷水機組的COP值大于熱源的熱效率，所以供冷的能效比EERc高于供暖能效比EERh，所以嚴寒地區(qū)冷熱源占比最大，寒冷地區(qū)次之，夏熱冬冷地區(qū)最小。由于溫和地區(qū)總冷負荷小于夏熱冬暖地區(qū)，所以溫和地區(qū)冷源占比小于夏熱冬暖地區(qū)。輸配與末端能耗占比與部分負荷率呈正相關(guān)，所以輸配、末端占比均增加。

4 結(jié)論

本文采用理論分析與模擬計算方法，研究得到我國不同氣候區(qū)大型高鐵客運站建筑典型全空氣系統(tǒng)冷熱源、輸配、末端的節(jié)能設(shè)計指標，可為高鐵客運站的空調(diào)設(shè)計提供參考。