王怡臻，李曉鋒

（清華大學建筑學院，北京 100084）

地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)，也稱為地鐵環(huán)控系統(tǒng)，是地鐵車站內(nèi)營造乘客正常乘車舒適環(huán)境和保證地鐵系統(tǒng)正常運行的必不可少的一部分[1]。地鐵車站負荷大、能耗高，環(huán)控系統(tǒng)能耗占比高[2]?！吨袊ㄖ?jié)能發(fā)展報告》指出，中國北方地區(qū)，地鐵站通風空調(diào)系統(tǒng)占地鐵系統(tǒng)總能耗的約30%，而這一數(shù)字在南方地區(qū)達到了 50%[3]。中國地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)通常使用水冷式冷水機組進行制冷，其中冷機能耗在環(huán)控系統(tǒng)總體能耗中占比較大。對北京市地鐵線路的調(diào)研顯示，北京市地鐵環(huán)控系統(tǒng)冷機能耗達到 40%[4]。根據(jù)《冷水機組能效限定值及能源效率等級》國家標準規(guī)定，地鐵站通常使用的水冷式機組的一級能效值需要達到5.6[5]，而在實際運行過程中，很多地鐵站冷機的COP難以達到甚至遠低于這一水平[4]。因此，提高地鐵站冷機的能效比在環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能控制中顯得尤為重要。

地鐵建筑處于地下，出入口開放，列車運行導致的活塞風從出入口和隧道引入了大量無組織滲風負荷[2]，其中出入口滲風負荷受外界環(huán)境參數(shù)影響較為顯著，不同季節(jié)室外環(huán)境的變換將對車站公區(qū)空調(diào)負荷產(chǎn)生巨大影響，同時一天內(nèi)不同時段的發(fā)車對數(shù)變化也會嚴重影響滲風負荷的大小[6]。

測試數(shù)據(jù)表現(xiàn)出，地鐵站運行時環(huán)控系統(tǒng)長期處于部分負荷狀態(tài)[7]。其原因是地鐵公區(qū)空調(diào)負荷受到發(fā)車對數(shù)、室外環(huán)境參數(shù)、地鐵車站設計參數(shù)、活塞風模式等因素的影響，相較普通商業(yè)建筑負荷變動更大。大量冷機性能測試實測表明，螺桿冷水機組在低于50%負荷率時，COP顯著下降。因此在對地鐵站冷機進行選型時，應著重評判其部分負荷性能，不能僅比較額定能效比。

地鐵建筑負荷特點與典型辦公建筑的負荷特點[8]有很大區(qū)別，目前通常采用 IPLV(綜合部分性能負荷系數(shù))值來評判水冷式冷水機組部分負荷性能。中國目前使用的 IPLV計算方法是某一區(qū)域內(nèi)典型建筑類型的平均，并不適用于具有獨特能耗特點的地鐵車站水冷機組[9]。文獻[9]通過計算并分析地鐵車站空調(diào)季逐時負荷，首次提出了針對地鐵水冷機組計算 IPLV的方法，并應用于《水冷直接制冷式地鐵車站用空調(diào)機組性能檢測方法》中。但是其計算過程較為簡化，首先固定發(fā)熱量取值偏大，例如照明功率密度取值偏大，電梯計算使用額定功率；其次是無組織滲風量取為定值，而實際上無組織滲風量會隨著發(fā)車對數(shù)而變化。這兩點都造成了逐時負荷曲線趨于平穩(wěn)，波動較小，與實際情況有一定出入。

現(xiàn)采用一種依據(jù)建筑參數(shù)、發(fā)車對數(shù)和車站活塞風形式等設計參數(shù)計算地鐵標準站空調(diào)季逐時負荷的計算方法、計算寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)的典型城市空調(diào)季的逐時空調(diào)負荷，給出 IPLV系數(shù)的取值，并與《水冷直接直冷式地鐵車站用空調(diào)機組性能檢測方法》中規(guī)定的 IPLV計算公式進行比較，分析差異及其原因，并討論考慮地鐵站使用兩臺冷機時對IPLV系數(shù)取值的影響。

1 地鐵站公區(qū)空調(diào)季逐時負荷模擬

研究對象為地下兩層島式標準站，使用屏蔽門系統(tǒng)，其中站廳建筑面積為1 842 m2，站臺建筑面積為1 210 m2。

1.1 計算方法介紹

地鐵環(huán)控系統(tǒng)分為大系統(tǒng)和小系統(tǒng)，分別負責站廳站臺等公共區(qū)域環(huán)境控制和設備管理用房的環(huán)境控制[8]。計算的地鐵車站冷機只負責大系統(tǒng)負荷，因此以大系統(tǒng)為研究對象計算。

地鐵車站公區(qū)逐時總負荷可由如下公式算出[6]：

其中Qperson，Qinfiltration，QPSD，Qenve，Qfan，Qeq分別為人員熱濕負荷、無組織滲風負荷、屏蔽門傳熱量、外圍護結(jié)構(gòu)得熱、風機溫升負荷、照明設備散熱量、機械新風負荷。

1.1.1 人員熱濕負荷

人員熱濕負荷的計算公式為

式中Qperson為人員散熱量，qperson為一個正常成年男子的全熱散熱，Gc和Gp分別為站廳和站臺的人數(shù)，Ain、Aout為地鐵站逐時進出站人數(shù)，a1、a2為進站時臺平均停留時間，b1、b2為出站時站廳站臺平均停留時間，min。

a1、a2為乘客進站時在站廳站臺的平均停留時間，a1一般為2 min，a2取列車發(fā)車間隔時間的1/2，min；b1、b2一般可以取1.5 min。qperson的取值可以根據(jù)《實用供熱空調(diào)設計手冊》確定，這里將其定為0.182 kW/人[11]。Ain、Aout的值通過以往測試過的地鐵站的實測數(shù)據(jù)中獲得，遠期的逐時客流量取值如表1所示。

表1 遠期逐時客流量取值Table 1 Long-term hourly passenger number 人次

1.1.2 無組織滲風帶來的冷負荷

與其他建筑不同，地鐵站有直接與外界環(huán)境連接的出入口，由于列車運行導致的無組織新風大量進入車站，外界熱濕空氣進入站廳、站臺成為系統(tǒng)冷負荷。其值可以用如下公式進行計算：

式中，Qinfiltration為車站出入口無組織滲風得熱量，kW；G1為出入口到站廳無組織滲風量，m3/h；G2為經(jīng)過屏蔽門進入站臺區(qū)域的無組織滲風量。Δh1、Δh2分別為室外空氣和站廳、隧道空氣和站臺的焓差。ρ為空氣密度，kg/m3。

G1取值根據(jù)實際地鐵線路運行遠期實測數(shù)據(jù)給出、G2的值通過STESS軟件模擬確定，隨發(fā)車對數(shù)的變化而變化，計算案例中排熱風機關(guān)閉，遠期發(fā)車對數(shù)下出入口滲風量和屏蔽門滲風量的取值如表2所示。

表2 遠期滲風量取值Table 2 Long-term unorganized infiltration air volume

1.1.3 圍護結(jié)構(gòu)傳熱和屏蔽門系統(tǒng)傳熱

圍護結(jié)構(gòu)傳熱量可由下式計算得出

式中，Qenvelop代表圍護結(jié)構(gòu)傳熱量，kW；Fenvelop代表圍護結(jié)構(gòu)傳熱面積，m2；t0、ta代表室外和站內(nèi)溫度，℃；?代表隧道內(nèi)壁對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；δ1、δ2代表隧道混凝土厚度和土壤層厚度，m；λ1、λ2為導熱系數(shù)，λ1代表混凝土的導熱系數(shù)，λ2代表土壤的導熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

式中，QPSD代表屏蔽門傳熱量，kW；FPSD代表圍護結(jié)構(gòu)傳熱面積，m2；ttune代表隧道空氣溫度，℃；KPSD代表屏蔽門傳熱系數(shù)，這里我們認為屏蔽門為玻璃材質(zhì)，W/(m2·℃)。

獲得了上海市和廣州市全年隧道溫度模擬結(jié)果，以及北京市近期和遠期空調(diào)季隧道溫度的取值[13]，在計算逐時負荷時對隧道溫度的取值如圖1、圖2所示。

圖1 上海市全年隧道溫度Figure 1 Tunnel air temperature in Shanghai

圖2 廣州市全年隧道溫度Figure 2 Tunnel air temperature in Guangzhou

北京市地鐵隧道溫度根據(jù)工程經(jīng)驗取值為近期隧道空氣溫度22℃，遠期隧道空氣溫度28℃。

1.1.4 站內(nèi)照明、電梯設備發(fā)熱量

照明系統(tǒng)逐時能耗為

式中，Qlight為照明系統(tǒng)逐時能耗，kWh；Plight是照明功率密度，W/m2；F是照明面積，m2；τlight是日照明時間，h。

Plight的取值從 GB50034-2013《建筑照明設計標準》中獲得，高檔地鐵站的現(xiàn)行值 9 W/m2，目標值8 W/m2；普通地鐵站的現(xiàn)行值 5 W/m2，目標值4.5 W/m2[11]。

垂直交通能耗的計算方法采用了文獻[14]中的方法，其他設備的發(fā)熱量使用其功率近似計算。

1.1.5 機械新風負荷

機械新風負荷為

式中，Gmech_air為機械新風量，m3/h，Δh1為新風與室內(nèi)空氣的焓差。

機械新風是為了保證站內(nèi)人員健康需求引入的新風，為盡可能減少新風引入帶來的能耗增加，地鐵公區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)在小新風模式下的機械新風量Gmech_air取值由總新風需求量與無組織滲風量的差值確定。全新風和通風模式下的機械新風量根據(jù)室內(nèi)冷負荷確定。

1.2 逐時負荷模擬結(jié)果

選取夏熱冬暖、夏熱冬冷地區(qū)、寒冷地區(qū)的3個代表城市：廣州、上海、 北京，根據(jù)3地地鐵運營方提供的數(shù)據(jù)，3個城市空調(diào)季的具體時間如表3所示。

表3 不同城市空調(diào)季時間Table 3 Refrigeration season in different cities

利用逐時能耗計算模型分別計算了3個城市遠期空調(diào)季的逐時冷負荷。圖3、圖4、圖5為北京、上海、廣州運行遠期的逐時負荷計算結(jié)果。通過逐時空調(diào)負荷模擬，計算出北京市遠期逐時負荷的最大值162 kW；上海市遠期逐時負荷的最大值為175 kW；廣州市遠期逐時負荷的最大值為215 kW。由于客流量和發(fā)車對數(shù)規(guī)律變化，3個城市的遠期逐時負荷均表現(xiàn)出以天或星期為周期的周期性變化，同時也有隨著室外氣象參數(shù)導致的變化。

圖3 北京市遠期空調(diào)季逐時負荷曲線Figure 3 Long-term hourly load curve of refrigeration season in Beijing

圖4 上海市遠期空調(diào)季逐時負荷曲線Figure 4 Long-term hourly load curve of refrigeration season in Shanghai

圖5 廣州市遠期空調(diào)季逐時負荷曲線Figure 5 Long-term hourly load curve of refrigeration season in Guangzhou

1.3 部分負荷情況計算

根據(jù)上述計算結(jié)果，繪制出將3個城市遠期逐時負荷按大小順序排序的柱狀圖，如圖6、圖7、圖8，并以不保證50 h的逐時負荷最大值作為100%負荷，分別統(tǒng)計0～25%，25%～50%，50%～75%，75%～100%負荷的小時數(shù)以計算不同負荷率占比情況，見表4。

表4 負荷率區(qū)間占比統(tǒng)計Table 4 Load rate section in three cities %

圖6 北京市負荷延時曲線圖Figure 6 Load duration curve in Beijing

圖7 上海市負荷延時曲線圖Figure 7 Load duration curve in Shanghai

圖8 廣州市負荷延時曲線圖Figure 8 Load duration curve in Guangzhou

2 IPLV計算

2.1 IPLV系數(shù)計算結(jié)果

文獻[9]通過計算得到的《水冷直接制冷式地鐵車站用空調(diào)機組性能檢測方法》中規(guī)定的寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)的IPLV計算公式分別為：

將計算結(jié)果與文獻[9]進行對比。繪制圖 9。根據(jù)圖表可以看出，文獻雖然考慮到了冷機實際運行中的部分負荷工況，計算了空調(diào)季逐時負荷，但是由于負荷計算取值較為簡化，計算結(jié)果與實際情況有所出入。標準計算結(jié)果中 0～25%負荷率區(qū)間占比計算結(jié)果過小，3個氣候區(qū)的計算結(jié)果均不到10%，而本文計算值接近或超過30%。分析其原因，首先，在進行負荷計算時，文獻計算的固定發(fā)熱量取值過大，例如單位面積照明功率取值偏大、認為電梯時刻處于滿負荷運行狀態(tài)等，因此文獻計算結(jié)果中 0～25%負荷率區(qū)間占比計算結(jié)果很小。其次，在計算滲風負荷和新風負荷時，取滲風量為固定值，而實際上車站出入口滲風量與屏蔽門滲風量是跟發(fā)車對數(shù)有相關(guān)關(guān)系的，一天中發(fā)車對數(shù)是逐時變化的，取定值會減少負荷的波動，從而使處于25%～75%負荷率區(qū)間的情況增加，除了早晚高峰之外，其他時刻發(fā)車對數(shù)較小，滲風量較小，因此除早晚高峰之外大部分時間車站公區(qū)負荷很小。這兩個原因?qū)е碌罔F車站空調(diào)季低負荷情況占比很大。

圖9 不同負荷率占比情況對比Figure 9 Comparison of load rate section of three cities

2.2 同時開啟多臺冷機情況

現(xiàn)有的 IPLV計算方法通常默認建筑物的負荷由單一冷機承擔，實際情況下，普通公共建筑冷機配置情況較為復雜，冷機群控方式也沒有統(tǒng)一規(guī)定，IPLV計算法則不適用于多臺冷水機組同時承擔系統(tǒng)冷負荷的情況[15]。地鐵站的公區(qū)負荷通常使用2臺冷量相同的冷機承擔。針對2臺冷機共同承擔公區(qū)負荷的情況，選取兩臺相同冷量的冷機，冷量為峰值負荷的1/2，定義如下運行模式：

當系統(tǒng)負荷率＜50%時，開啟1臺冷機，此時機組負荷率為系統(tǒng)負荷率的兩倍；系統(tǒng)負荷率＞50%時，開啟2臺冷機，各負責一半系統(tǒng)負荷，2臺冷機的機組負荷率相同，此時均與系統(tǒng)負荷率相等。根據(jù)以上運行模式，以廣州市遠期負荷計算結(jié)果為例，統(tǒng)計機組負荷率，結(jié)果如表5，將結(jié)果繪制成圖10。

表5 不同冷機臺數(shù)下負荷率占比統(tǒng)計Table 5 Load rate section under the condition of using one chiller or two chillers %

圖10 不同冷機臺數(shù)下負荷率占比對比Figure 10 Comparison of load rate section under the condition of using one chiller or two chillers

使用兩臺冷機的情況下，低于25%負荷率的情況變?yōu)?5%，但是還是高于團體標準值1.5%；50%以上負荷率區(qū)間從40%增加到77%，與團體標準值接近。

3 結(jié)論

采用了一種依據(jù)建筑參數(shù)、發(fā)車對數(shù)和車站活塞風形式等設計參數(shù)計算地鐵標準站全年逐時負荷的計算方法，計算了寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)的典型城市全年(空調(diào)季)的逐時空調(diào)負荷，并計算不同負荷率的小時數(shù)占比與《水冷直接直冷式地鐵車站用空調(diào)機組性能檢測方法》中規(guī)定的 IPLV計算公式進行比較。

計算結(jié)果與團體標準《水冷直接制冷式地鐵車站用空調(diào)機組性能檢測方法》的規(guī)定值有一定不同，主要原因在于負荷計算方法的以下幾點不同：①在計算地鐵車站負荷時，固定發(fā)熱量的取值對負荷率區(qū)間占比的計算結(jié)果有較大影響，應采用更為精確的垂直交通計算模型和符合實際的照明功率密度；②計算出入口滲風負荷和屏蔽門滲風負荷時，應考慮由于逐時發(fā)車對數(shù)變化而導致的滲風量變化，機械新風量的確定應考慮兩種情況，當室外焓值高于室內(nèi)焓值時，應由總新風需求量與無組織滲風量的差值確定，當室外焓值低于室內(nèi)焓值時，應開啟全新風模式。

計算結(jié)果顯示，地鐵站空調(diào)季部分負荷情況占比很高，低于25%負荷率的情況占空調(diào)季運行時間的接近1/3，低于50%負荷率占比超過運行時間的50%。即使考慮實際使用2臺冷機的情況，低負荷率占比有所降低，但是仍高于團體標準值，因此在地鐵用水冷機組選型時要格外重視冷機的部分負荷性能。