地鐵車站采用復合地源熱泵系統的節能潛力分析

廖凱

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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地鐵車站采用復合地源熱泵系統的節能潛力分析

廖凱

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

摘要:我國大部分地區地鐵車站僅在夏季設置空調系統供冷，冬季不供暖。在運用土壤源熱泵系統時，會造成土壤熱積累，運行效率逐年下降。冷卻塔復合式地源熱泵能夠在冬季將土壤夏季積累的熱量排出，保持土壤冷熱負荷相等，從而提高地鐵車站空調系統夏季運行能效。通過計算地鐵車站夏季空調負荷，對采用復合式地源熱泵系統的節能潛力進行分析。結果表明，采用該系統能夠有效減少地鐵車站空調系統能耗，達到節能效果。

關鍵詞:地鐵;地源熱泵;冷卻塔;土壤蓄熱

1　概述

由于地源熱泵系統利用巖土體為冷、熱源，該類冷熱源相比于空氣具有冬季溫度高，夏季溫度低的特點，因此地源熱泵機組相比于冷水機組、空氣源熱泵機組具有更高的COP值［1］，能夠實現節能的目的。但是由于其利用土壤取熱、排熱，而土壤自身散熱能力較差，該系統應用需滿足全年冷熱負荷平衡的設計原則。由于地鐵車站多為地下站，站內溫度基本不受地面溫度影響，且土壤周圍溫度較恒定，加之地鐵內車輛設備散熱較多，冬季無需供冷便能保持車站內較高的環境溫度;只有在東北地區，由于新風引入，產生部分熱負荷，但一般也不需要進行集中供暖［2］。因此，地鐵環控系統大多只需夏季向地鐵站提供冷量，冬季換氣通風，不需要向系統供熱。因此違背了地源熱泵系統的設計原則，為此使得地源熱泵系統尚未在地鐵車站廣泛應用。為此，本文對地鐵空調系統采用冷卻塔與地源熱泵相結合的復合冷源系統進行節能潛力理論分析。

2　復合地源熱泵

地源熱泵具有諸多優勢，例如:土壤溫度全年波動較小且數值相對穩定，熱泵機組季節性能系數具有恒溫熱源熱泵的特性，使得地源熱泵比傳統的空調運行效率高，節能效果明顯［3］;土壤具有良好的蓄熱性能，夏季放入土壤中的熱量可以在冬季自然補償;地埋管換熱器在地下放熱，減少了空調系統對地面空氣的熱污染。雖然地源熱泵具有上述優點，但是也存在諸多限制，例如:地埋管換熱器的換熱性能受土壤影響較大，長期連續運行時，熱泵的冷凝溫度受土壤溫度升高影響，導致機組運行效率降低［4］;由于地埋管換熱器的換熱性能受土壤的熱物性參數影響較大，當土壤熱導率小，換熱量較大時，需要地埋管換熱器的占地面積較大。地源熱泵上述限制條件使得該系統在地鐵車站中的應用受到限制。

為克服上述缺點，采用地源熱泵提高地鐵車站空調系統運行效率，復合式地源熱泵應運而生。對于地鐵車站這種只需夏季供冷的建筑，可利用土壤在冬季儲存冷量，夏季提高地源熱泵運行效率。其原理如圖1所示，冬季時，熱泵機組不運行，只開啟冷卻塔、冷卻水循環泵以及截止閥2和4，向環境中釋放夏季存儲的熱量，進一步降低地埋管周邊土壤溫度，實現土壤蓄冷。夏季運行時，當環境溫度較低時，可以開啟閥1和3，用冷卻塔排熱;環境溫度高于土壤溫度時，開啟閥1、4、5，采用地埋管換熱器向土壤釋放熱量。

圖1　冷卻塔復合地源熱泵

3　地鐵車站夏季冷負荷分析

由于地鐵車站是地下建筑，除了出入口和通風口與大氣聯通外，基本可認為地鐵是一個密閉環境。然而地鐵運行時消耗大量的電能轉變為熱能;其周圍土壤通過圍護結構的滲透水以及乘客散發的熱、濕量，都會成為地鐵車站的空調負荷［5］。此外，為保證車站內人員新風量，必須補充足夠的新鮮空氣，因此產生了新風負荷［6］。綜上可知，地鐵車站的空調負荷主要由以下幾部分構成。

(1)人員負荷:指站內乘客的全熱散熱量，主要受逐時客流量的影響，一般設計按遠期客流預測計算

式中，Qp為乘客產生的逐時負荷，W; np為車站客流，per/h;τp為乘客在車站停留時間，min; qp為乘客散發全熱，W/hper，通常取163.8 W/hper。

(2)照明及設備負荷:一般包括自動扶梯、垂直電梯產熱，自動售檢票設備、廣告燈箱、指示牌產熱，機房設備產熱等。照明燈具與廣告照明一般分別設計為:13 W/m2，2×24 kW/站，需要系數分別為0.9和1.0;垂直電梯的產熱量通常為22 kW/臺，在站廳與站臺的產熱量通常按照1∶1分配。自動扶梯產熱量根據提升高度不同，產熱量從7.5～18.5 kW不等;自動售檢票設備產熱量單臺產熱量在250～400 W之間，不同車站依據設備數量進行計算;通信設備散熱量通常按照每站6 kW計算［7］。

(3)滲透換熱負荷:與地面聯通的出入口，在地面風環境及車站內車輛運行產生的活塞風影響下，會形成滲透風，從而在出入口產生滲透換熱負荷。出入口通道截面，通常以200 W/m2計算，當其通道較長時，也需要按其面積考慮適當修正［8］。

(4)屏蔽門負荷:主要是由屏蔽門傳熱、屏蔽門關閉時的滲透負荷以及屏蔽門開啟時，車站與隧道內的對流換熱構成［9］。屏蔽門傳熱負荷可通過式(2)計算得到

式中，F為屏蔽門與隧道或站臺的接觸面積，m2; T1為隧道內空氣溫度，℃; T2為站臺內空氣溫度，℃; a1為站臺內空氣和屏蔽門站臺側表面的對流換熱系數，W/m2; a2為隧道內空氣和屏蔽門隧道側表面的對流換熱系數，W/m2;λ為屏蔽門的導熱系數，W/m;δ為屏蔽門厚度，m。

(5)漏風負荷:屏蔽門縫隙漏風量，導致了漏風負荷的產生。而屏蔽門打開時，受活塞風影響，隧道內的熱空氣會從列車尾部的屏蔽門進入站臺，站臺內的冷空氣從車頭處的屏蔽門進入隧道內［10］，此部分漏風負荷可采用式(3)、式(4)進行計算［11］

式中，S0為屏蔽門所在支路的阻抗; SCK為屏車站出入口的阻抗; Sstair為站廳通往站臺樓梯口阻抗，SPSD為屏蔽門阻抗，單位均為kg/m7。

式中，G為列車停站時軌道排熱風量，m3/s; G0為單列列車停站時屏蔽門的漏風量，m3/s; Si為活塞風道所的阻抗，kg/m7。

(6)圍護結構的熱庫效應負荷:由于地鐵車站的圍護結構被其周圍的土壤或巖體包圍，產生傳熱造成了熱庫效應負荷。通常土壤溫度按恒溫計算，即把維護結構壁面傳熱近似為一等溫過程計算。一般對于有屏蔽門的地鐵車站，該部分負荷可以忽略不計［6］。

(7)新風負荷:通過對乘客所需新風量和屏蔽門漏風所帶來新風負荷進行比較，來確定系統新風負荷。采用空調系統時，地鐵車站公共區內乘客所需要的新風量不小于12.6 m3/h·人。通過比較，屏蔽門漏風量大于乘客所需新風量，且大于系統總風量的10%。因此確定了系統的新風量為屏蔽門漏風所帶來的新風負荷，可按照式(5)計算［11］

式中，Qxf為新風負荷，kJ; n為該時段內發車對數; cp為空氣比熱，kJ/(kg·K) ;ρ為空氣密度，取為1.2 kg/m3; G為每過一趟列車站臺通過屏蔽門進入隧道的漏風，m3/s; Tout為該時段內室外的平均溫度，Ta為站臺空調的設定溫度，℃。

依據上述分析，計算成都地鐵3個典型車站新風負荷及設計負荷，如表1所示。

表1　車站設計負荷

4　復合地源熱泵運行能耗分析

以成都地鐵3個車站為例，基于表1數據，計算不同車站一個夏季地源熱泵運行造成土壤的累計熱量式(6)

該式基于如下假設條件:不考慮新風焓值隨時間的變化;不考慮土壤熱積累造成熱泵機組運行COP下降的問題;忽略輸配系統散熱造成的排熱量。地鐵環控系統按照每天運行18 h，則整個空調季累計冷負荷可按式(7)計算

式中，Qsum為夏季累計冷負荷，MJ; Qsumt為夏季土壤累計冷負荷，MJ; COP為熱泵機組運行平均值，地源熱泵機組全年累計運行效率取5.9; D為夏季工況運行時間，夏季運行工況為5月至10月共183 d。

經計算得青羊宮站、中醫大省醫院站、沙灣站3個車站全年土壤累計熱量及全年累計冷負荷如表2所示。

表2　車站累計冷負荷及土壤累計熱量

為說明地鐵車站采用地源熱泵系統的節能潛力，以傳統設計方案電制冷冷水機組進行對比，按照國標《空氣調節系統經濟運行》推薦全年冷水機組累計運行效率4.5［12］，采用式(8)～式(10)對兩種系統全年累計運行耗電量進行計算。

式中，NCP為冷卻水泵及冷卻塔能耗; WTFcw為冷卻水輸送系數，按照全年累計工況取25［12］; Nc為冷水機組能耗; Nchiller為冷水系統能耗。

冷卻塔復合地源熱泵夏季向土壤中排熱，而冬季需將土壤中夏季累計的熱量排入冷空氣中，因此冬季也需運行冷卻水系統，從而產生冷卻水系統能耗。該部分能耗受冷卻塔運行狀態影響，與室外濕球溫度相關。成都夏季空調設計濕球溫度26.4℃，而冬季空調設計干球溫度1.2℃，相對濕度84%［13］，可得其濕球溫度約為0.5℃;夏季冷卻水運行溫差一般為5℃，而冬季運行時，由于室外濕球溫度(0.5℃)較低，因此冷卻水運行溫差接近15℃，較大的換熱溫差使得冷卻水運行能耗減少。按照冷卻塔冬夏季換熱溫差，以式(11)估算冬季冷卻水系統冷卻水輸送系數WTFcww，得冷卻水輸送系數約為75。由此計算冬季冷卻水運行能耗Ncpw，繼而可得復合地源熱泵系統全年運行能耗NHGSHP

式中，Ncpw為冬季冷卻水系統的運行能耗; WTFCWW為冷卻水冬季運行輸送系數;ΔTcw為冷卻水夏季運行溫差;ΔTcww為冷卻水冬季運行溫差。經計算成都地鐵3個典型車站的冬季運行能耗見表3。

表3　3個典型車站的冬季運行能耗

采用式(8)～式(13)計算得到成都地鐵3個典型車站采用傳統冷水機組運行方案以及復合地源熱泵系統運行方案的全年運行能耗，如表4所示。

表4　3個典型車站的全年運行能耗

經上述分析可知，采用復合地源熱泵方案，冷負荷越大的車站其節能量越高。3個車站節能率約為14%，通過公式分析可知，節能率與地源熱泵機組COP以及冷卻水輸送系數WTFCW密切相關。提高機組COP及冷卻水輸送系數WTFCW，能夠有效增加節能率。

實際運行中，由于夏季室外濕球溫度較低時，可采用冷卻塔排熱的運行方案;同時由于土壤具有自恢復能力，冬季排熱量會小于夏季累計熱量，從而減少冬季冷卻水系統運行能耗Ncpw，使得復合系統運行能耗更低。由此可見，冷卻塔復合地源熱泵系統應用在成都地鐵具有較高的節能潛力。另外，隨著冬季濕球溫度的降低，以及土壤溫度的降低，該系統的運行能效將進一步提升，因此可知，該系統應用在我國北方地區將具有更高的節能潛力。

5　結語

通過上述分析可知，成都地鐵車站采用冷卻塔復合地源熱泵系統的冷源方案具有一定的節能潛力。夏季運行時，采用合理的運行方案，降低土壤累計熱量，能夠進一步提高系統的運行效率。此外，該系統應用在濕球溫度及土壤溫度更低的我國北方地區，將具有更高的節能潛力。

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Energy-saving Potential Analysis of Hybrid GSHP Applied in Subway Station

LIAO Kai
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043，China)

Abstract:Most subway stations in China are provided with cooling in summer and there is no need for heating in winter.The application of ground source heat pump (GSHP) system causes heat accumulation in soil and GSHP efficiency is declined year after year.In winter，the hybrid GSHP with cooling tower can discharge the accumulated heat in soil in summer，keeping equivalence of cooling load and heating load，and improving the efficiency of the air conditioning system in summer.Energy saving potential of hybrid GSHP system in subway is analyzed based on the calculation of subway station cooling load.The results show that hybrid GSHP system can effectively reduce energy consumption of air conditioning in subway station for more energy saving.

Key words:Subway; GSHP; Cooling tower; Heat accumulation in soil

作者簡介:廖凱(1978—)，男，高級工程師，2000年畢業于西南交通大學供熱通風與空調工程專業，工學學士，E-mail:307740615@ qq.com。

收稿日期:2015-06-19;修回日期:2015-08-26

文章編號:1004-2954(2016) 03-0152-03

中圖分類號:U231+.4

文獻標識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.031