彭 濤,屈 茹

(西安交通工程學院,西安 710300)

火車站是一個高度集約化的場所,其能源消耗主要集中在照明、空調、供暖、列車運行等方面。能源供應主要依賴于傳統(tǒng)的化石能源,如煤炭、石油等,不僅存在能源資源有限、價格波動大的問題,還會帶來大量的排放及環(huán)境污染[1],因此尋求一種更加可持續(xù)、高效的火車站能源供應方案尤為迫切。太陽能、風能等可再生能源具有資源豐富、清潔等特點,可有效減少能源消耗,降低對環(huán)境的影響[2]。借助能源儲存技術可更好地解決可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性問題,保障火車站能源供應的穩(wěn)定性和可靠性。但目前針對火車站能源供應的優(yōu)化方案研究有限,尤其是對實際應用的探索和實踐相對較少[3],本研究可為火車站能源供應的優(yōu)化提供理論支持和實踐指導,為推動城市能源轉型及可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。

1 火車站能源供應框架建模

1.1 建筑特點

火車站是城市的交通樞紐,包括候車大廳、售票大廳、站臺等與列車運行相關的功能區(qū)域,還可能包括商業(yè)設施、辦公區(qū)域、停車場等配套設施,以滿足廣泛的服務需求[4]。為了容納大量的旅客和列車,在空間設計方面,采用大空間設計,候車大廳、站臺等區(qū)域設有高大的天花板及寬敞的空間,為旅客提供舒適的候車及乘車體驗。火車站建筑往往設有多個出入口及通道,與周邊的地鐵、公交、出租車等交通工具銜接緊密,方便旅客進出。具體內部結構以火車站一層和二層為例,如圖1、圖2所示[5]。

圖1 車站一層平面圖Fig.1 Plan of the ground floor of the station

圖2 車站二層平面圖Fig.2 Plan of the second floor of the station

可以看出,在火車站能源供應和負載消耗方面主要分為集散大廳和辦公區(qū)等部分,需對其進行研究,以優(yōu)化改進能耗及能源利用。

1.2 能量供應系統(tǒng)

火車站的電能供應流程復雜精密,旨在確保各個區(qū)域及設備的正常運行,其能量供應系統(tǒng)框架如圖3所示[6]。

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

由圖3可知,能量供應系統(tǒng)主要分為天然氣、冷能、熱能、電能等方面。天然氣主要向燃氣輪機和燃氣鍋爐進行能量供應。電網(wǎng)電能的主要供應對象為電鍋爐、電熱泵、電制冷機、冰蓄冷和蓄電池,并通過相關電能變換器直接向車站供能。冷能供應主要由吸收式制冷機、電制冷機和冰蓄冷等部分組成,用于火車站的溫度控制。熱能則由燃氣輪機通過余熱回收后向換熱器、電熱泵進行熱量供應,電鍋爐、燃氣鍋爐也可提供相應的能量。故此,在火車站能源供應優(yōu)化方案設計中,可針對相應負載消耗及能源來源進行分析。

2 火車站能源消耗

2.1 用電量分析

火車站用電量分析主要通過繪制日負荷曲線或根據(jù)供電公司的電費繳費單來進行,前者需要的計算量和工作量非常大,故采用后者對近一年的車站用電情況進行分析。我國某車站的各月份用電量數(shù)據(jù)如表1所示[7]。

表1 各月份分時段的用電量

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

2.2 燃氣輪機熱力模型

燃氣輪機是火車站常用的能源供應設備之一,其性能直接影響著能源的利用效率。通過研究燃氣輪機熱力模型可以優(yōu)化燃氣輪機的設計和運行參數(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為部分負荷率,Wload為建筑電負荷,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。從推導過程可以看出,燃氣輪機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。要想對能源供應進行優(yōu)化設計,需對燃氣輪機的發(fā)電和耗量進行研究。

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方式,包括電能供應、加熱設備運行、溫度調節(jié)及能源利用效率等,通過電力供應系統(tǒng)從城市電網(wǎng)或專用電網(wǎng)中獲取電能,利用電能驅動加熱設備,如電暖氣、電熱水器等,將電能轉化為熱能,為建筑內部提供供暖和熱水服務,通過控制加熱設備的運行狀態(tài)調節(jié)室內溫度,達到舒適水平。為了提高能源的利用效率,通常采取節(jié)能措施,如優(yōu)化加熱設備的設計、改善建筑保溫性能等。其對應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動供熱設備,將熱能轉化為電能,利用熱泵、余熱回收系統(tǒng)等供熱設備將環(huán)境中的熱能提取并轉化為供暖或熱水,再將熱能通過熱電轉換技術轉化為電能,供火車站內部設施及設備的使用。該模式的運行主要分為熱能提取與轉化、熱能利用、熱能轉換及電能回饋等部分。在熱能提取中,設備可從空氣、水源或地下地熱等溫度較高的介質中吸收熱能,將其轉化為高溫熱水或熱氣體,滿足火車站內部的供暖和熱水需求。在供電方面,通過熱電轉換技術、熱電偶、熱電發(fā)電機設備等將熱能轉化為電能,利用溫差效應將熱能轉化為電能,并將轉化得到的電能饋回到電力系統(tǒng)中用于供電設備、照明、電子設備等,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)化策略評價

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)的消耗會隨之改變,模式性能也會受到影響。經過對比發(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 結束語

對火車站的地理位置及結構進行研究,以火車站一層和二層作為內部結構的研究對象,針對供應和輸送方式展開能源供應方案分析,將以電定熱和以熱定電方式進行數(shù)據(jù)對比。結果表明,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,尤其是熱點需求比大于1.3時,以電定熱模式的性能更為突出。結合火車站的實際情況,考慮到電能和天然氣的消耗,以電定熱模式更適合火車站的能源供應優(yōu)化。