地鐵車站站廳空調(diào)冷負(fù)荷影響因素分析

李婷婷 畢海權(quán) 王宏林

地鐵車站站廳空調(diào)冷負(fù)荷影響因素分析

李婷婷 畢海權(quán) 王宏林

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

目前地鐵車站公共區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)能耗較高，從空調(diào)系統(tǒng)能耗與空調(diào)負(fù)荷的關(guān)系入手，以影響地鐵車站公共區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)的主要環(huán)境因素為研究對象，利用trnsys軟件建立了全封閉屏蔽門地鐵車站站廳空調(diào)負(fù)荷與熱環(huán)境基準(zhǔn)模型，模擬出各試驗(yàn)條件下，地鐵車站站廳公共區(qū)域全年空調(diào)季空調(diào)系統(tǒng)總能耗變化情況。利用spss20.0軟件對模擬結(jié)果進(jìn)行極差分析、方差分析比較各因素、水平的顯著性，定量分析了顯著性因素的顯著程度。各因素顯著性大小有助于地鐵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員明確設(shè)計(jì)研究重點(diǎn)，并為地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化等研究提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

地鐵車站；冷負(fù)荷；正交試驗(yàn)；方差分析。

0 引言

城市軌道交通系統(tǒng)車站空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行期間為乘客提供舒適的候車環(huán)境，由于其運(yùn)行時(shí)間長，且目前車站空調(diào)系統(tǒng)均按預(yù)測的遠(yuǎn)期客流量和最大通過能力進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]，導(dǎo)致其能耗較高，已成為城市軌道交通站房能耗中的重要組成部分。在建筑結(jié)構(gòu)確定的情況下，地鐵地下車站大系統(tǒng)空調(diào)能耗基本由冷負(fù)荷決定。由負(fù)荷計(jì)算[2]方法可知，地鐵車站站廳公共區(qū)域負(fù)荷受多種因素影響，是車站建筑系統(tǒng)在外擾（室外氣象條件波動(dòng)）和內(nèi)擾（站廳內(nèi)燈光、人員、設(shè)備等發(fā)熱）綜合作用下的系統(tǒng)輸出[4]。由于負(fù)荷變化是由眾多因素共同決定的復(fù)雜過程，即室外溫濕度改變、室內(nèi)人員變化等情況都會(huì)影響空調(diào)系統(tǒng)能耗。

為研究各環(huán)境因素對地鐵車站大系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷的影響，本文采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算不同環(huán)境條件下的空調(diào)系統(tǒng)能耗，利用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，并采用極差分析法和方差分析法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出影響因素顯著性排序，旨在為地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究提供建議。

1 試驗(yàn)方法

1.1 物理模型

圖1 車站站廳負(fù)荷組成

在地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，通常將站臺(tái)、站廳層公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)稱為大系統(tǒng)，設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)稱為小系統(tǒng)。大系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷主要由6部分組成：人體散熱、散濕負(fù)荷，圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱、散濕負(fù)荷，照明負(fù)荷，新風(fēng)負(fù)荷，出入口空氣滲透負(fù)荷，車站公共區(qū)設(shè)備發(fā)熱負(fù)荷。其中照明負(fù)荷和設(shè)備負(fù)荷基本不隨時(shí)間變化而改變，人員負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷隨客流變化較大。

本文模擬車站位于四川省成都市，屬夏熱冬冷地區(qū)。該站為采用屏蔽門系統(tǒng)的地下兩層標(biāo)準(zhǔn)島式站臺(tái)車站。站廳層公共區(qū)長385m，寬35m，高6.5m?？照{(diào)季為5月1日～10月1日，單日空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為6:00～23:00，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及熱物理性能參數(shù)均按設(shè)計(jì)說明設(shè)定，模擬結(jié)果取空調(diào)季的空調(diào)系統(tǒng)整體能耗累加值。

1.2 正交試驗(yàn)方案

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)能在很多試驗(yàn)方案中挑選出代表性強(qiáng)的少數(shù)試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，并通過對這些少數(shù)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果的分析，推斷出最優(yōu)方案。將正交試驗(yàn)法用于空調(diào)能耗影響因素的試驗(yàn)中，假定3個(gè)外部環(huán)境因素（室外空氣溫度、室外空氣相對濕度、太陽輻射）、3個(gè)室內(nèi)熱擾參數(shù)（人員數(shù)量、設(shè)備發(fā)熱量、燈光發(fā)熱量）等6個(gè)因素相互獨(dú)立、互不影響。在各個(gè)影響因素中分別選取3水平，影響因素及水平取值見表1。試驗(yàn)完成后，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)必須估計(jì)隨機(jī)誤差，故預(yù)留一列空白列作為誤差項(xiàng)，該列的結(jié)果變化將完全來自于隨機(jī)效應(yīng)[5]。

表1 影響因素及水平取值

客流變化情況參考王凱[6]統(tǒng)計(jì)分析的北京軌道交通線路客流時(shí)間分布特征圖，分布選用北京地鐵1號線、5號線、八通線一天內(nèi)客流變化情況作為不同水平；設(shè)備發(fā)熱量、燈光發(fā)熱量按站內(nèi)設(shè)備和燈光全部開啟、僅開啟一半、僅開啟1/3等3種情況作為3種不同水平，具體取值參考本文所選取的模擬車站系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明。

選用L18（37）型的正交表，共有18組試驗(yàn)。由于選取因素較多，實(shí)地實(shí)驗(yàn)對于水平變化量不好控制，所得測試結(jié)果不準(zhǔn)確繼而影響后續(xù)分析結(jié)果。本文通過計(jì)算機(jī)軟件trnsys進(jìn)行車站全年逐時(shí)負(fù)荷模擬，可以有效計(jì)算出各組試驗(yàn)條件下的全年車站總負(fù)荷。模擬試驗(yàn)平臺(tái)見下圖，模擬結(jié)果見下表。

圖2 仿真模擬試驗(yàn)平臺(tái)

表2 正交試驗(yàn)表

3 結(jié)果分析

3.1 極差分析

對于正交試驗(yàn)結(jié)果分析常用極差分析法或方差分析法，極差分析法計(jì)算量較小、簡單易懂，但不能區(qū)分同一因素下各水平所對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果的差異是水平改變引起還是試驗(yàn)誤差引起。方差分析法能把因素水平的變化所引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異與誤差的波動(dòng)所引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異區(qū)分開，并能給出可靠的數(shù)量估計(jì)[7]。本文分別采用兩種方法對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，比較各因素、水平的顯著性。極差分析法所得計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 極差分析法結(jié)果

各因素的極差R=各因素最大均值-各因素最小均值[8]。極差越大，該因素對車站冷負(fù)荷的影響越大。則可將上述6個(gè)因素按影響冷負(fù)荷最大到最小排序?yàn)椋篋＞A＞B＞C＞F＞E即客流變化＞室外空氣溫度＞室外空氣相對濕度＞太陽輻射強(qiáng)度＞燈光發(fā)熱量＞設(shè)備發(fā)熱量。其中，設(shè)備發(fā)熱量、燈光發(fā)熱量的影響相對較小，客流變化影響最為明顯。

3.2 方差分析

方差分析法所得計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 方差分析法結(jié)果

續(xù)表4 方差分析法結(jié)果

從上表可知，室外空氣溫度、客流變化對總負(fù)荷影響都較為顯著，但其影響程度大小有較大差異。按影響作用的大小排序依次為：客流變化（=0.000713，＜0.05）＞室外空氣溫度（=0.000739，＜0.05）＞室外空氣相對濕度（=0.00735，＜0.05）＞太陽輻射強(qiáng)度（=0.04，＜0.05）。而設(shè)備發(fā)熱量=0.422，燈光發(fā)熱量=0.087，均大于0.05，可見設(shè)備發(fā)熱量、燈光發(fā)熱量對總負(fù)荷不具有顯著影響。

正交試驗(yàn)中，除考慮各因素影響車站空調(diào)系統(tǒng)能耗的顯著性外，還考慮單個(gè)因素各水平間對影響空調(diào)系統(tǒng)能耗的顯著性。本文主要針對室外空氣溫度、人員數(shù)量、太陽輻射等3個(gè)因素介紹，如下表所示。

表5 配對比較表（室外空氣溫度）

從表3可以看出，A3均值最大（11294076.19），且A3＞A2＞A1；從表5可以看出，A2、A1之間不存在顯著性差異（=0.1877，＞0.05）。A3與A2之間有顯著性差異（=0.00042，＜0.05）、A3與A1之間有顯著性差異（=0.000572，＜0.05）。

表6 配對比較表（太陽輻射）

從表3可以看出，C2均值最大（8137113.685），且C2＞C3＞C1；從表6可以看出，C1、C3之間不存在顯著性差異（=0.26，＞0.05）。C1與C2之間有顯著性差異（=0.0189，＜0.05），C2與C3之間有顯著性差異（=0.04749，＜0.05）。

表7 配對比較表（人員數(shù)量）

從表3可以看出，D1均值最大（344316.665），且D1＞D2＞D3；從表7可以看出，D3、D2、D1之間均存在顯著性差異（=0.0014、=0.0003、=0.0043，＜0.05）。

4 結(jié)論

地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)作為地鐵車站的用電大戶，其能耗的影響因素眾多，但缺乏對影響因素對空調(diào)系統(tǒng)能耗影響顯著性大小的定量研究。經(jīng)理論分析及模擬試驗(yàn)，本文形成以下結(jié)論：

（1）各類環(huán)境因素對車站站廳負(fù)荷按影響作用的大小排序依次為：客流變化（=0.000713，＜0.05）＞室外空氣溫度（=0.000739，＜0.05）＞室外空氣相對濕度（=0.00735，＜0.05）＞太陽輻射強(qiáng)度（=0.04，＜0.05）。而設(shè)備發(fā)熱量、燈光發(fā)熱量對總負(fù)荷不具有顯著影響。

（2）從單個(gè)因素各水平之間對影響總負(fù)荷的顯著性分析，可以看出：

①單因素中并不是每個(gè)水平之間都具有顯著性：如室外空氣溫度、太陽輻射等因素對總負(fù)荷有顯著影響，但其中各水平間并不具有顯著性差異；

②該因素影響總冷負(fù)荷具有較高的顯著性，則其水平之間的顯著性較為明顯；該因素影響空調(diào)能耗的顯著性較弱，則其水平之間的顯著性不明顯（或沒有顯著性）：在本文所選取的模擬工況下討論的6個(gè)因素中，除去設(shè)備發(fā)熱量、燈光發(fā)熱量這兩個(gè)對冷負(fù)荷沒有顯著性影響的因素后，在其余4個(gè)因素中，客流變化這一因素對冷負(fù)荷的影響最大，太陽輻射這一因素對空調(diào)能耗的影響最小。對兩個(gè)因素各水平間的成對比較發(fā)現(xiàn)，客流變化各水平間的顯著性（=0.00145654、=0.00030864、=0.00435319，＜0.05）高于太陽輻射各水平間的顯著性（=0.0.0189、=0.04749，＜0.05）。

本文通過應(yīng)用trnsys軟件，以成都地區(qū)采用屏蔽門系統(tǒng)的地下兩層標(biāo)準(zhǔn)島式站臺(tái)車站為基準(zhǔn)模型，利用正交試驗(yàn)法確定了試驗(yàn)方案后，對影響地鐵車站站廳公共區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)能耗的6項(xiàng)主要因素處于不同水平下的空調(diào)系統(tǒng)能耗情況進(jìn)行模擬，并對模擬結(jié)果采用極差分析、方差分析法進(jìn)行了顯著性分析，定量分析了上述因素對地鐵車站站廳公共區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響程度，為實(shí)際工程應(yīng)用中合理監(jiān)測環(huán)境參數(shù)、節(jié)能優(yōu)化重點(diǎn)等工作提供一定參考。

[1] GB 50157-2013,地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

[2] 張偉捷,吳金順,魏一然,等.基于正交實(shí)驗(yàn)法的建筑冷負(fù)荷影響因素分析[J].暖通空調(diào),2006,36(11):77-80.

[3] 彭程.淺談城市軌道交通地下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷分析[J].科技信息,2011,(13):363-364.

[4] 何紹明.淺談地鐵車站空調(diào)負(fù)荷特性[J].暖通空調(diào),2007,37(8):125-127.

[5] 張玉軍,莫志江.文獻(xiàn)中正交試驗(yàn)的常見問題分析和解決方法[J].中國現(xiàn)代應(yīng)用藥學(xué),2013,30(6):696-700.

[6] 王凱.北京地鐵客流特征分析[J].Management Sciences&engineering, 2014,3(1):51-56.

[7] 李艷玲,范艷花,陶偌偈.SPSS 16.0軟件在化學(xué)正交試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué),2011,(6):17-19.

[8] 中國科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所統(tǒng)計(jì)組.常用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法[M].北京:科學(xué)出版社,1973．

[9] 張偉捷,吳金順,魏一然,等.基于正交試驗(yàn)法的建筑冷負(fù)荷影響因素分析[J].暖通空調(diào),2006,36(11):77-80.

[10] 郝拉娣,張嫻,劉琳.科技論文中正交試驗(yàn)結(jié)果分析方法的使用[J].編輯學(xué)報(bào),2007,(5):340-341.

Analysis on Influencing Factors of Air Conditioning Cooling Load in Metro Station Hall

Li Tingting Bi Haiquan Wang Honglin

( School of mechanical engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

At present, the energy consumption of air conditioning system in public area of metro station is in a high position. This paper starts with the relationship between energy consumption and air-conditioning load in air-conditioning system. The main environmental factors affecting the air conditioning system in public area of metro station are taken as the research object. Based on TRNSYS software, a benchmark model of air conditioning load and thermal environment of fully enclosed shielded door subway station hall is established. The change of total energy consumption of air conditioning system in public area of subway station hall during air conditioning season is simulated under various test circumstances. The simulation results were analyzed by range analysis and variance analysis using SPSS 20.0 software. The significance of each factor and level was compared, and the significance degree of significant factors was quantitatively analyzed. Significance of each factor is helpful for Metro air conditioning system designers to clarify the key points of design and research. Provide necessary data support for energy-saving optimization of ventilation and air-conditioning system in Metro Station.

Metro station; Cooling load; orthogonal test; variance analysis

1671-6612（2019）06-684-07

U231.1

A

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃先進(jìn)軌道交通專項(xiàng)（2017YFB1201105）

李婷婷（1994.11-），女，碩士研究生，E-mail：tt10232005@126.com

畢海權(quán)（1974.12-），男，博士研究生，教授，E-mail：bhquan@163.com

2019-05-20