彭 濤,屈 茹

(西安交通工程學(xué)院,西安 710300)

火車(chē)站是一個(gè)高度集約化的場(chǎng)所,其能源消耗主要集中在照明、空調(diào)、供暖、列車(chē)運(yùn)行等方面。能源供應(yīng)主要依賴(lài)于傳統(tǒng)的化石能源,如煤炭、石油等,不僅存在能源資源有限、價(jià)格波動(dòng)大的問(wèn)題,還會(huì)帶來(lái)大量的排放及環(huán)境污染[1],因此尋求一種更加可持續(xù)、高效的火車(chē)站能源供應(yīng)方案尤為迫切。太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源具有資源豐富、清潔等特點(diǎn),可有效減少能源消耗,降低對(duì)環(huán)境的影響[2]。借助能源儲(chǔ)存技術(shù)可更好地解決可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性問(wèn)題,保障火車(chē)站能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性。但目前針對(duì)火車(chē)站能源供應(yīng)的優(yōu)化方案研究有限,尤其是對(duì)實(shí)際應(yīng)用的探索和實(shí)踐相對(duì)較少[3],本研究可為火車(chē)站能源供應(yīng)的優(yōu)化提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo),為推動(dòng)城市能源轉(zhuǎn)型及可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 火車(chē)站能源供應(yīng)框架建模

1.1 建筑特點(diǎn)

火車(chē)站是城市的交通樞紐,包括候車(chē)大廳、售票大廳、站臺(tái)等與列車(chē)運(yùn)行相關(guān)的功能區(qū)域,還可能包括商業(yè)設(shè)施、辦公區(qū)域、停車(chē)場(chǎng)等配套設(shè)施,以滿(mǎn)足廣泛的服務(wù)需求[4]。為了容納大量的旅客和列車(chē),在空間設(shè)計(jì)方面,采用大空間設(shè)計(jì),候車(chē)大廳、站臺(tái)等區(qū)域設(shè)有高大的天花板及寬敞的空間,為旅客提供舒適的候車(chē)及乘車(chē)體驗(yàn)?；疖?chē)站建筑往往設(shè)有多個(gè)出入口及通道,與周邊的地鐵、公交、出租車(chē)等交通工具銜接緊密,方便旅客進(jìn)出。具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)以火車(chē)站一層和二層為例,如圖1、圖2所示[5]。

圖1 車(chē)站一層平面圖Fig.1 Plan of the ground floor of the station

圖2 車(chē)站二層平面圖Fig.2 Plan of the second floor of the station

可以看出,在火車(chē)站能源供應(yīng)和負(fù)載消耗方面主要分為集散大廳和辦公區(qū)等部分,需對(duì)其進(jìn)行研究,以?xún)?yōu)化改進(jìn)能耗及能源利用。

1.2 能量供應(yīng)系統(tǒng)

火車(chē)站的電能供應(yīng)流程復(fù)雜精密,旨在確保各個(gè)區(qū)域及設(shè)備的正常運(yùn)行,其能量供應(yīng)系統(tǒng)框架如圖3所示[6]。

圖3 火車(chē)站能量供應(yīng)系統(tǒng)Fig.3 Station energy supply system

由圖3可知,能量供應(yīng)系統(tǒng)主要分為天然氣、冷能、熱能、電能等方面。天然氣主要向燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t進(jìn)行能量供應(yīng)。電網(wǎng)電能的主要供應(yīng)對(duì)象為電鍋爐、電熱泵、電制冷機(jī)、冰蓄冷和蓄電池,并通過(guò)相關(guān)電能變換器直接向車(chē)站供能。冷能供應(yīng)主要由吸收式制冷機(jī)、電制冷機(jī)和冰蓄冷等部分組成,用于火車(chē)站的溫度控制。熱能則由燃?xì)廨啓C(jī)通過(guò)余熱回收后向換熱器、電熱泵進(jìn)行熱量供應(yīng),電鍋爐、燃?xì)忮仩t也可提供相應(yīng)的能量。故此,在火車(chē)站能源供應(yīng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)中,可針對(duì)相應(yīng)負(fù)載消耗及能源來(lái)源進(jìn)行分析。

2 火車(chē)站能源消耗

2.1 用電量分析

火車(chē)站用電量分析主要通過(guò)繪制日負(fù)荷曲線(xiàn)或根據(jù)供電公司的電費(fèi)繳費(fèi)單來(lái)進(jìn)行,前者需要的計(jì)算量和工作量非常大,故采用后者對(duì)近一年的車(chē)站用電情況進(jìn)行分析。我國(guó)某車(chē)站的各月份用電量數(shù)據(jù)如表1所示[7]。

表1 各月份分時(shí)段的用電量

從表1可知,火車(chē)站用電總量為395 000 kWh,平均日用電量為1082.19 kWh,用電量最大的時(shí)間段為高峰時(shí)段和平段。

2.2 燃?xì)廨啓C(jī)熱力模型

燃?xì)廨啓C(jī)是火車(chē)站常用的能源供應(yīng)設(shè)備之一,其性能直接影響著能源的利用效率。通過(guò)研究燃?xì)廨啓C(jī)熱力模型可以?xún)?yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù),提高其能源利用率,從而降低能源的消耗成本。熱力模型推導(dǎo)式為(1)～(8)。

Wmax=Co0+Co1·t+Co2·t2+Co3·t3

(1)

(2)

texh,1=a1·plr+b1

(3)

mexh=a2·plr+b2

(4)

B=a3·plr+b3

(5)

Qexh=(texh,1-texh,2)·mexh·Cp,exh

(6)

W=Wmax·plr

(7)

(8)

其中,Wmax為最大發(fā)電量,Co為環(huán)境溫度系數(shù),t為環(huán)境溫度,plr為部分負(fù)荷率,Wload為建筑電負(fù)荷,texh,1為煙氣溫度,a1和b1為排煙流量系數(shù),mexh為煙氣流量,a2和b2為耗氣量系數(shù),B為耗氣量,a3和b3為排煙溫度系數(shù),Qexh為煙氣余熱,texh,2為余熱利用后的排煙溫度,Cp,exh為煙氣比熱容,W為發(fā)電量,eff為發(fā)電效率,QL為天然氣低位熱值。從推導(dǎo)過(guò)程可以看出,燃?xì)廨啓C(jī)的熱力模型主要與環(huán)境溫度、煙氣余熱利用量及發(fā)電效率有關(guān)。要想對(duì)能源供應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),需對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電和耗量進(jìn)行研究。

2.3 以電定熱的能源優(yōu)化策略

以電定熱模式是將電能作為主要的能源供應(yīng)方式,包括電能供應(yīng)、加熱設(shè)備運(yùn)行、溫度調(diào)節(jié)及能源利用效率等,通過(guò)電力供應(yīng)系統(tǒng)從城市電網(wǎng)或?qū)Ｓ秒娋W(wǎng)中獲取電能,利用電能驅(qū)動(dòng)加熱設(shè)備,如電暖氣、電熱水器等,將電能轉(zhuǎn)化為熱能,為建筑內(nèi)部提供供暖和熱水服務(wù),通過(guò)控制加熱設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度,達(dá)到舒適水平。為了提高能源的利用效率,通常采取節(jié)能措施,如優(yōu)化加熱設(shè)備的設(shè)計(jì)、改善建筑保溫性能等。其對(duì)應(yīng)的熱電需求比和能耗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 以電定熱模式下能源系統(tǒng)的消耗

2.4 以熱定電的能源優(yōu)化策略

以熱定電模式基于熱能驅(qū)動(dòng)供熱設(shè)備,將熱能轉(zhuǎn)化為電能,利用熱泵、余熱回收系統(tǒng)等供熱設(shè)備將環(huán)境中的熱能提取并轉(zhuǎn)化為供暖或熱水,再將熱能通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)化為電能,供火車(chē)站內(nèi)部設(shè)施及設(shè)備的使用。該模式的運(yùn)行主要分為熱能提取與轉(zhuǎn)化、熱能利用、熱能轉(zhuǎn)換及電能回饋等部分。在熱能提取中,設(shè)備可從空氣、水源或地下地?zé)岬葴囟容^高的介質(zhì)中吸收熱能,將其轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崴驘釟怏w,滿(mǎn)足火車(chē)站內(nèi)部的供暖和熱水需求。在供電方面,通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)、熱電偶、熱電發(fā)電機(jī)設(shè)備等將熱能轉(zhuǎn)化為電能,利用溫差效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為電能,并將轉(zhuǎn)化得到的電能饋回到電力系統(tǒng)中用于供電設(shè)備、照明、電子設(shè)備等,其消耗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 以熱定電模式下能源系統(tǒng)的消耗

2.5 能源優(yōu)化策略評(píng)價(jià)

以電定熱和以熱定電兩種模式都有各自適用的情況,但隨著熱電需求比的變化,能源系統(tǒng)的消耗會(huì)隨之改變,模式性能也會(huì)受到影響。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在大多數(shù)情況下尤其是熱電需求比大于1.3的情況下,以電定熱的模式能夠更好地提高一次能源利用效率及節(jié)約率,走勢(shì)圖如圖4所示。

圖4 不同模式下一次能源節(jié)約率分析Fig.4 Analysis of the primary energy saving rate under different modes

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)火車(chē)站的地理位置及結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,以火車(chē)站一層和二層作為內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究對(duì)象,針對(duì)供應(yīng)和輸送方式展開(kāi)能源供應(yīng)方案分析,將以電定熱和以熱定電方式進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。結(jié)果表明,以電定熱模式能夠在大多數(shù)情況下提高一次能源效率及節(jié)約率,尤其是熱點(diǎn)需求比大于1.3時(shí),以電定熱模式的性能更為突出。結(jié)合火車(chē)站的實(shí)際情況,考慮到電能和天然氣的消耗,以電定熱模式更適合火車(chē)站的能源供應(yīng)優(yōu)化。