地鐵車站變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬分析

付 強(qiáng) 馮 煉 袁中原

地鐵車站變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬分析

付 強(qiáng) 馮 煉 袁中原

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

以重慶某地鐵車站為研究對(duì)象，采用EnergyPlus軟件建立地鐵車站的物理模型和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模型，模擬了地鐵車站定風(fēng)量與變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗情況。通過(guò)模擬結(jié)果分析，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年能耗中，空調(diào)能耗約占全年能耗的60～70%，通風(fēng)能耗約占30～40%；變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的全年總能耗比定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)約減少30%。

重慶地鐵；EnergyPlus；空調(diào)系統(tǒng)；能耗模擬

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的建設(shè)加快，城市常住及流動(dòng)人口增加，城市機(jī)動(dòng)車量不斷增多，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，地鐵作為大規(guī)模的軌道交通系統(tǒng)與傳統(tǒng)交通工具相比具有客運(yùn)量大、快速便捷、安全等特點(diǎn)成為了城市交通運(yùn)輸?shù)闹黧w[1]。地鐵環(huán)控系統(tǒng)由于運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行功率大的特點(diǎn)成為了城市公共設(shè)施中的耗能大戶，根據(jù)對(duì)已有地鐵系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)分析得知，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗在總能耗中所占比重最大，通常為25%～35%，如果從用電量這方面考慮，這一比例更是高達(dá)60%～70%[2]。

總體來(lái)說(shuō)，目前我國(guó)對(duì)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)研究工作較多，但是對(duì)于各地區(qū)、各類型的車站的實(shí)際用能情況目前尚欠缺系統(tǒng)的研究，缺少運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的支撐。我國(guó)幅員遼闊，氣候分區(qū)較多，每個(gè)地區(qū)的地鐵車站都有自身的能耗特點(diǎn)，同一節(jié)能措施在不同地區(qū)的節(jié)能效果不同，甚至?xí)?dǎo)致地鐵車站“費(fèi)能”，因此地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗研究對(duì)降低地鐵運(yùn)營(yíng)成本，促進(jìn)地鐵長(zhǎng)遠(yuǎn)健康發(fā)展有著重大意義。

1 重慶地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)概況

重慶軌道交通6號(hào)線一期工程于2012年通車，全線長(zhǎng)72.26km，線路一次跨越長(zhǎng)江、兩次跨越嘉陵江，其中銅鑼山隧道和中梁山隧道長(zhǎng)度分別為5630m和4316m，兩山地形陡峭，線路埋深大，最大埋深分別為340m和410m，另外紅土地站、光電園站、黃泥滂站、金山寺站以及北碚站埋深均超過(guò)40m，而目前國(guó)內(nèi)地鐵線路埋深多為30m以下，重慶軌道交通6號(hào)線多個(gè)車站連續(xù)埋深超過(guò)40m，這樣的情況在國(guó)內(nèi)是比較少見(jiàn)的[3]。

根據(jù)重慶的氣候和運(yùn)力條件，重慶地鐵車站多采用屏蔽門(mén)系統(tǒng)方式控制車站內(nèi)部的環(huán)境，車站兩端設(shè)置軌排系統(tǒng)控制隧道區(qū)間的環(huán)境。地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)包括公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)和隧道排風(fēng)系統(tǒng)[4]。

2 模型建立

2.1 地鐵車站物理模型建立

選取重慶6號(hào)線某典型地鐵車站為研究對(duì)象，該車站為地下雙層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層；站廳層凈高4m，站臺(tái)層凈高4.5m。圖1為地鐵車站物理模型，該物理模型分為站廳層、站臺(tái)層，站廳層尺寸為80m×22m×4m，站臺(tái)層尺寸為120m×12m×4.5m。在建立物理模型的過(guò)程中進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化：

（1）忽略廣告牌、閘機(jī)等附屬物，將站廳層、站臺(tái)層簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體；

（2）利用等面積原則將不規(guī)則的設(shè)備管理用房等效成長(zhǎng)方體；

（3）屏蔽門(mén)簡(jiǎn)化為絕熱壁面；

（4）屏蔽門(mén)漏風(fēng)量等效成滲透風(fēng)量[5]。

圖1 地鐵車站物理模型

2.2 室外氣象條件

重慶屬夏熱冬冷區(qū)，四季分明、無(wú)霜期長(zhǎng)；空氣濕潤(rùn)，降水豐沛；太陽(yáng)輻射弱，日照時(shí)間短；多云霧，少霜雪；具有冬暖春早、夏熱秋涼的氣候特征。重慶年平均溫度為18℃。1月份氣溫最低，月平均氣溫為6℃～8℃，最低極限溫度為零下1.7℃。7月至8月份氣溫最高，多在27℃～38℃之間，最高極限氣溫可達(dá)41.9℃，重慶年平均相對(duì)濕度為80%，這些因素綜合作用形成了夏季高濕高熱的氣候特征。

2.3 室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》得到重慶地鐵室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）室外設(shè)計(jì)參數(shù)：重慶夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為33.8℃，空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度為31.5℃；夏季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度為28.6℃，冬季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度為7℃。

（2）室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)：夏季空調(diào)站廳干球溫度為30℃，站臺(tái)干球溫度為29℃，相對(duì)濕度均為60%；冬季站廳和站臺(tái)溫度不低于12℃。

2.4 熱擾設(shè)定

（1）照明及設(shè)備散熱量

地鐵車站公共區(qū)照明負(fù)荷指標(biāo)一般按照20W/m2計(jì)算[6]，設(shè)備負(fù)荷一般按設(shè)備功率確定，廣告牌大型720W/臺(tái)，小型320W/臺(tái)，指示牌100W/臺(tái)，售票機(jī)1200W/臺(tái)，閘機(jī)500W/臺(tái)[7]。

（2）客流量

根據(jù)重慶市地鐵6號(hào)線工程客流預(yù)測(cè)，車站設(shè)計(jì)客流量以遠(yuǎn)期客流量控制，預(yù)計(jì)晚高峰17：00～19：00的客流為：上客量4360.9人/h，下客量為4362.5人/h，超高峰系數(shù)按1.2計(jì)算，全日各時(shí)段客流密度系數(shù)如表1所示。

表1 全日各時(shí)段客流密度系數(shù)表

（3）其他熱擾

在屏蔽門(mén)系統(tǒng)地鐵車站中，土壤傳熱作用對(duì)車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的影響很小，一般不需要計(jì)算車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土壤的熱交換。文獻(xiàn)[8]中計(jì)算了站廳和站臺(tái)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱為-34kW，占大系統(tǒng)總負(fù)荷的7%不到。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散濕量，可通過(guò)單位面積的散濕量進(jìn)行計(jì)算，按照以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，車站側(cè)墻、頂板、底板的單位面積散濕量按1～2g/(m2?h)計(jì)算，區(qū)間隧道壁面按4g/(m2?h)進(jìn)行計(jì)算[9]。

由于出入口的存在，室外的熱空氣會(huì)滲透到站廳里來(lái)，但是這部分滲透風(fēng)量的大小難以確定，一般出入口滲透負(fù)荷取200W/m2，面積取出入口截面面積。

2.5 空調(diào)運(yùn)行時(shí)間

地鐵車站的運(yùn)營(yíng)時(shí)段為周一至周日6:00～23:00，車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)時(shí)段開(kāi)啟。

3 全年能耗模擬分析

3.1 全年運(yùn)行模式

地鐵車站全年運(yùn)行模式根據(jù)室外空氣溫度來(lái)劃分[10]，根據(jù)重慶市典型年的氣溫變化情況，將5月～9月劃分為空調(diào)季，共5個(gè)月，其余為非空調(diào)季，共7個(gè)月。

在空調(diào)季節(jié)，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)時(shí)段正常運(yùn)行，當(dāng)室外空氣焓值大于室內(nèi)回風(fēng)空氣焓值，新風(fēng)機(jī)開(kāi)啟，空調(diào)為小新風(fēng)工況運(yùn)行；當(dāng)室外空氣焓值小于等于室內(nèi)回風(fēng)空氣焓值，新風(fēng)機(jī)關(guān)閉，空調(diào)全新風(fēng)運(yùn)行。在非空調(diào)季節(jié)，由于室外空氣溫度較低，地鐵車站空調(diào)水系統(tǒng)停止運(yùn)行，進(jìn)入通風(fēng)運(yùn)作模式，新風(fēng)不經(jīng)過(guò)冷卻處理直接送到車站控制區(qū)域，即通過(guò)全通風(fēng)方式來(lái)消除車站的余熱，根據(jù)規(guī)范要求，通風(fēng)量需要滿足每位乘客不少于30m3/h的新風(fēng)量，且站廳層、站臺(tái)層的換氣次數(shù)不小于5次/小時(shí)。

3.2 空調(diào)季節(jié)能耗分析

模擬整個(gè)空調(diào)季節(jié)，地鐵車站公共區(qū)定風(fēng)量與變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的能耗如圖2所示。由圖2可以看出，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)季節(jié)的能耗組成包括：冷水機(jī)組能耗、風(fēng)機(jī)能耗、水泵能耗和冷卻塔能耗。

圖2 空調(diào)季節(jié)分項(xiàng)能耗

在空調(diào)季節(jié)，定風(fēng)量還是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)分項(xiàng)能耗中最大的都為冷水機(jī)組的能耗，分別為28.8萬(wàn)kWh和25.6萬(wàn)kWh，占比約為空調(diào)季節(jié)總能耗的50%；其次是風(fēng)機(jī)能耗，分別為24.6萬(wàn)kWh和14.1萬(wàn)kWh，占比約為空調(diào)季節(jié)總能耗的30%～40%；然后是水泵的能耗，分別為7.2萬(wàn)kWh和6.5萬(wàn)kWh，占比約為10%～15%；最后是冷卻塔的能耗，占比約為空調(diào)季節(jié)總能耗的5%。

在整個(gè)空調(diào)季節(jié)，定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的總能耗分別為62.2萬(wàn)kWh和47.7萬(wàn)kWh，可見(jiàn)變風(fēng)量系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，空調(diào)季節(jié)能減少能耗14.5萬(wàn)kWh，均月節(jié)能2.9萬(wàn)kWh。

3.3 非空調(diào)季節(jié)能耗分析

非空調(diào)季節(jié)，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗僅為風(fēng)機(jī)能耗，定風(fēng)量和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)逐月能耗如圖3所示。

圖3 非空調(diào)季逐月能耗

由圖3可以看出，在非空調(diào)季節(jié)，定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的逐月能耗基本不變，為4.9萬(wàn)kWh；變風(fēng)量空調(diào)與定風(fēng)量相比，逐月能耗均有所下降，從10月開(kāi)始地鐵車站進(jìn)入非空調(diào)季節(jié)，隨著室外空氣溫度的降低，逐月能耗逐漸降低，在次年2月達(dá)到最小值，隨后室外空氣溫度升高，逐月能耗又再次上升，在4月達(dá)到最大值。

在整個(gè)非空調(diào)季節(jié)，定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的總能耗分別為34.0萬(wàn)kWh和17.0萬(wàn)kWh，非空調(diào)季節(jié)共減少能耗17.0萬(wàn)kWh，均月節(jié)能2.4萬(wàn)kWh。

3.4 全年能耗分析

3.4.1空調(diào)能耗與通風(fēng)能耗

將地鐵車站公共區(qū)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)能耗與通風(fēng)能耗進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。

圖4 全年總能耗對(duì)比

由圖4可以看出，定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年總能耗為96.2萬(wàn)kWh，其中通風(fēng)能耗和空調(diào)能耗分別為34.0萬(wàn)kWh、62.2萬(wàn)kWh；變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年總能耗為64.7萬(wàn)kWh，其中通風(fēng)能耗和空調(diào)能耗分別為47.7萬(wàn)kWh、17.0萬(wàn)kWh。相比于定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年總能耗減少31.5萬(wàn)kWh，節(jié)能率約為32.7%。

無(wú)論是定風(fēng)量還是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)能耗占比約為60～70%，通風(fēng)能耗約為30～40%，可見(jiàn)空調(diào)能耗是節(jié)能的重點(diǎn)。

3.4.2全年分項(xiàng)能耗

地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的全年分項(xiàng)能耗包括冷水機(jī)組能耗、風(fēng)機(jī)能耗、水泵能耗與冷卻塔能耗。由于水系統(tǒng)只在空調(diào)季節(jié)開(kāi)啟，因此冷水機(jī)組、水泵和冷卻塔的全年能耗均為空調(diào)季節(jié)時(shí)能耗，而風(fēng)機(jī)一年四季均開(kāi)啟，其全年能耗為空調(diào)季節(jié)與非空調(diào)季節(jié)能耗之和，定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與變風(fēng)量全年分項(xiàng)能耗如圖5所示。

圖5 全年分項(xiàng)能耗對(duì)比

由圖5可以看出，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與定風(fēng)量相比，全年水泵和冷卻塔的能耗基本一致，分別為7.2萬(wàn)kWh、1.7萬(wàn)kWh；對(duì)于冷水機(jī)組能耗，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)略比定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)少，分別為28.8萬(wàn)kWh和25.6萬(wàn)kWh；而對(duì)于風(fēng)機(jī)能耗則從58.6萬(wàn)kWh減少到31.1萬(wàn)kWh，減少能耗27.5萬(wàn)kWh。

在全年各分項(xiàng)能耗中，風(fēng)機(jī)能耗占比最大，其次是冷水機(jī)組能耗，然后是水泵和冷卻塔的能耗，可見(jiàn)全年風(fēng)機(jī)的能耗較高，存在著巨大的節(jié)能潛力，采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)能大大減少全年風(fēng)機(jī)能耗。

4 結(jié)論

本文對(duì)重慶某地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)建立能耗數(shù)值模型，分析了定風(fēng)量和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年的能耗情況，得到的結(jié)論如下：

（1）地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年能耗中，空調(diào)能耗約占全年能耗的60～70%，通風(fēng)能耗約占30～40%，空調(diào)能耗是節(jié)能的重點(diǎn)。

（2）在空調(diào)季節(jié)，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗包括冷水機(jī)組能耗、風(fēng)機(jī)能耗、水泵和冷卻塔的能耗，冷水機(jī)組能耗占比約為空調(diào)季節(jié)總能耗的50%，風(fēng)機(jī)能耗占比約為30%～40%，水泵能耗占比約為10%～15%，冷卻塔能耗占比約為5%。

（3）相比于定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年總能耗約減少30%，說(shuō)明無(wú)論是空調(diào)季節(jié)還是非空調(diào)季節(jié)，風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量運(yùn)行能大大減少空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

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Simulation Analysis of Energy Consumption of VAV Air Conditioning System in Subway Station

Fu Qiang Feng Lian Yuan Zhongyuan

( School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

This paper takes the Chongqing subway station as the research object, uses the EnergyPlus to establish the physical model of the subway station and the model of the ventilation and air conditioning system, and simulates the annual energy consumption of the constant air volume and the variable air volume air conditioning system of the subway station. Through the simulation results, the air conditioning energy consumption accounts for about 60～70% of the annual energy consumption in the ventilation and air conditioning system of the subway station, and the energy consumption of ventilation is about 30～40%, and the total energy consumption of the variable air volume air conditioning system is about 30% less than that of the constant air volume air conditioning system.

Chongqing subway station; EnergyPlus; Air conditioning system; Energy consumption simulation

1671-6612（2019）01-021-4

TU962

A

付 強(qiáng)（1993.02-），男，在讀碩士研究生，E-mail：1172028353@qq.com

馮 煉（1964-），女，博士，教授，E-mail：lancyfeng90@163.com

2018-04-13