地鐵車站空調系統模式及能耗分析*

李 峰 鄭林濤

(1.廣州大學土木工程學院,510006,廣州； 2.華南理工大學建筑學院，510640，廣州//第一作者,高級工程師)

地鐵車站空調系統模式及能耗分析*

李 峰1鄭林濤2

(1.廣州大學土木工程學院,510006,廣州； 2.華南理工大學建筑學院，510640，廣州//第一作者,高級工程師)

提出了一種地鐵車站溫濕度獨立控制空調系統方案,分析了車站應用全空氣空調系統、空氣-水空調系統與溫濕度獨立控制空調系統等三種模式的熱工性能。以廣州地鐵某車站工程為例,模擬計算了三種空調系統的全年能耗。結果表明,溫濕度獨立控制空調系統相比常規空調系統的節能率達24.37%,是值得推廣的一種車站空調系統模式。

地鐵車站; 空調系統; 能耗計算

First-author′s address Guangzhou University,510006,Guangzhou,China

城市軌道交通的運行能耗總量相當驚人。如何大幅降低其運行能耗,已成為我國城市軌道交通可持續發展中必須解決的重要問題之一。

地鐵通風空調系統的能耗約占運行總能耗的 50%[1-3],其中車站通風空調系統能耗占了相當大的比例。在經過多年的地鐵車站空調系統設計、運營技術經驗積累后,車站空調系統的模式逐漸成熟及固定,但這種常規空調系統模式有進一步優化改進的空間。

本文通過對地鐵車站通風空調典型系統模式進行分析,從實現功能、節能的角度,提出在車站應用溫濕度獨立控制空調系統,并對比常規空調系統,采用仿真分析計算空調系統及冷源的全年能耗。

1 系統模式

1.1 常規空調系統

車站通風空調系統由車站公共區空調通風和防排煙系統(簡稱大系統)、車站管理及設備用房空調通風和防排煙系統(簡稱小系統)、車站空調冷源水系統(簡稱水系統)等組成。

常規大、小系統主要采用一次回風全空氣系統,空調冷源采用水冷冷水機組,空調末端設備為組合式空調機組及風機盤管,7 ℃/12 ℃的空調冷水作為系統中間載冷劑由冷水泵輸送至末端空調設備,由水冷表面式空氣冷卻器處理室內余熱余濕。常規空調系統如圖1所示。

圖1 地鐵車站常規空調系統

車站公共區一次回風全空氣系統，即回風和新風混合在空調箱中進行集中處理后,再通過風管送入車站公共區,空調機組承擔車站公共區負荷和新風負荷。其特點是采用冷凝除濕的方法,將被處理空氣處理至低于室內露點溫度(也必然低于室內干球溫度),進行熱濕聯合處理,同時去除區域內的余熱和余濕。

1.2 空氣-水空調系統

地鐵車站內熱環境控制的換熱媒介有三種,分別是空氣、水、制冷劑。如用空氣循環處理,則溫差10 ℃的1 m3/h空氣可帶走12 kJ熱量;而用水循環處理,溫差5 ℃的0.1 m3/h水可帶走2 090 kJ熱量,故輸送相同的熱量,所需水量遠小于風量(按體積計)。另外,地鐵車站呈狹長平面,冷水機組設置在端頭,與全空氣系統相比,從能量輸配的角度看，空氣-水系統將空氣處理設備化整為零,冷水管途經公共區時“就地”取冷處理熱濕空氣,無“空跑”,可最大限度地減少風側、水側二次輸配能耗及簡化系統設備。另外,空氣-水系統末端設備不需設置擋水段和消聲段,閥門、彎頭、三通等管件少,可使空氣側阻力進一步減小。車站空氣-水空調系統如圖2所示。

圖2 車站空氣-水空調系統

對于車站小系統而言,設備用房的空調運行時間長,采用空氣-水系統在空調季的節能潛力更大。空調水管可布置于走道而不接進機房,電氣安全有保障。

1.3 溫濕度獨立控制空調系統

空調系統承擔著排除室內余熱、余濕、CO2與異味的任務。由于排除室內余濕與排除CO2、異味所需要的新風量與變化趨勢一致,故可通過新風同時滿足排余濕、CO2、異昧的要求。排除室內余熱則通過其他的系統(獨立的溫度控制方式)實現。即可用較高溫度的冷源實現排除余熱。溫濕度獨立控制空調系統中,通常采用溫度與濕度兩套獨立的空調控制系統(即雙冷源)分別控制、調節室內的溫度與濕度,從而避免了熱濕聯合處理所帶來的冷量損失。地鐵車站溫濕度獨立控制空調系統原理如圖3所示。

圖3 地鐵車站溫濕度獨立控制空調系統

車站公共區的顯熱可以用高溫冷水機組解決,從而實現很高的壓縮機性能系數(COP)。以某磁浮變頻離心式高溫冷水機組為例，出水溫度14～18℃，COP可達到8以上。即組合式空調機組的表冷器采用冷水溫度為18 ℃/23 ℃,高溫冷水機組的進出水溫度為18 ℃/25 ℃，車站公共區的新風量僅為總通風換氣量的10%～20%,可單獨處理到低溫、干燥狀態,同時解決地下空間排濕。新風機組為直膨機組(冷媒直接蒸發制冷水冷卻空調機組),新風機組的冷卻水與空調箱表冷器冷卻水管路為串聯,新風機組冷卻水進出水溫度為23 ℃/28 ℃,低于冷媒機組進出水溫度額定工況30 ℃/35 ℃,故降低新風壓縮機的冷凝溫度可提高新風機的能效比。試驗水冷新風機組的性能曲線見圖4,其COP可提高約20%。

圖4 新風機組冷卻水溫與制冷COP的關系

對車站小系統而言,除管理用房有人員外,設備用房很少有人員,其室內冷負荷主要由顯熱冷負荷構成,因此采用高溫冷水機組可大幅提高機組的能效比。

圖3中,高溫冷水系統的總溫差為7 ℃,組合式空調箱及新風機的冷水溫差為5 ℃,冷水環路為串聯,中間有一旁通混水過程,其冷負荷的調節及水溫差的控制算法為PID(比例積分微分)調節。由于溫差控制不能及時反映冷負荷的變化,水溫度變化總是滯后于室內冷負荷變化,要達到系統要求的兩個串聯溫差及一個混水溫度控制,會使控制系統運算復雜、控制環節較多、成本較大。這是該系統的不足之處。

2 空調系統全年能耗計算

車站空調系統中,主要耗能設備為冷水機組、空調末端設備柜機及風機盤管、水泵、冷卻塔。空調系統的能耗模擬采用順序模擬法,其中冷源設備的能耗模擬是關鍵。首先,計算車站的全年空調冷負荷；然后,對冷源設備采用回歸模型,通過設備廠家提供的性能數據分析回歸得到設備性能曲線，建立數學模型,利用Matlab/Simulink軟件進行能耗仿真計算,計算步長為1 h,計算分析冷源設備的運行特性與能耗[4-5]。限于篇幅,水泵及冷卻塔的能耗模擬計算不再贅述。

2.1 全年逐時冷負荷計算

采用DeST—c軟件模擬計算廣州地鐵某車站大小空調系統全年逐時冷負荷。表1列出了計算全年冷負荷所設定的設備、人員和照明值。表2為地鐵站空調系統冷負荷率對應的運行時間統計。圖5為地鐵站大小空調系統全年逐時冷負荷。

表1 地鐵站內負荷計算的設備、人員和照明設定值

表2 車站冷負荷率對應的運行時間統計表

圖5 廣州某地鐵站空調系統全年逐時冷負荷

2.2 冷水機組能耗模型的建立

鑒于冷水機組的復雜性,本文利用EnergyPlus軟件自帶的性能曲線來建立冷水機組的數學模型。該建模法的特點是不需要去分析冷水機組的復雜原理,只需要根據機組的實際運行結果對多項式的參數進行擬合計算。冷水機組的性能曲線采用冷水螺桿機組的性能曲線,主要包括冷量隨溫度變化的曲線、EIR(COP的倒數)隨溫度變化的曲線和部分負荷率的EIR曲線[4-6]。由某型冷水螺桿機測試性能參數(見表3)進行回歸分析模擬。

表3 某型冷水螺桿機組設備參數

(1) 冷量隨溫度變化的性能曲線。數學回歸模型如下:

(1)

式中:

f1——制冷量系數,額定工況下等于1;

Tcw,j——冷凍水出水溫度;

Tcond,c——冷卻水進水溫度,即冷凝器入口水溫;

a,b,c,d,e,f——擬合所得系數。

(2) EIR隨溫度變化的性能曲線。EIR定義為 COP 的倒數,即耗功率與制冷量的比值。EIR 性能曲線公式f2與式(1)相同，但擬合所得系數a～f與f1不同，f2表示了任意工況下,冷卻水、冷凍水溫與EIP的關系。

(3) 部分負荷率的EIR性能曲線。為了方便優化,EnergyPlus[6]把耗功率與制冷量的比例因子與部分負荷率RPL之間的關系定義為:

(2)

其中RPL=Q/Qavail;

(3)

式中：

f3——EIR部分負荷系數;

Q——實際負荷；

Qavail——額定工況下的負荷。

根據以上3條性能曲線,得到冷水機組任意工況下的耗功率曲線函數,即冷水機組耗功率的數學模型為:

(4)

式中:

Pchiller——冷水機組耗功率;

CP,ref——冷水機組額定功率下的COP;

Pref——冷水機組額定工況下的輸入功率。

對于水冷式螺桿機組,冷凍水供水溫度取7 ℃,回水溫度取12 ℃,COP按設備額定工況下取值4.04。對于高溫水冷式螺桿機組,冷凍水供水溫度取18 ℃,回水溫度取26 ℃,COP值取7.5。

地鐵車站常規空調大、小系統均采用全空氣系統,空調末端為柜式空調機,采用變風量運行;空氣-水空調大、小系統均采用新風系統+風機盤管系統,空調末端為風機盤管;地鐵車站溫濕度獨立控制空調大系統采用組合式柜機處理全空氣系統+新風系統,小系統采用新風系統+干式風機盤管。三種空調系統的全年運行能耗比較見表4。

表4 廣州地鐵某車站三種空調系統的全年能耗統計表 萬kWh

3 結論

三種空調系統在地鐵公共區中應用都能滿足使用要求,但其能耗高低不一。以往認為空氣-水系統比全空氣系統節能高很多,但現在大系統空調柜機都采用變風量運行,風機能耗大幅減少,因此空氣-水系統節能優勢不明顯。設備管理用房需考慮過渡季節的排熱降溫,保留通風降溫功能是必要的,尤其是一些北方地區。

從能耗角度分析,溫濕度獨立控制空調系統具有節能優勢,其與全空氣系統相比全年節能24.37%,而空氣-水系統與全空氣系統相比節能6.53%。按工程概算，空氣-水系統的投資費用最少,全空氣系統投資最大,溫濕度獨立控制空調系統的投資介于二者之間。

[1] 董志周,吳喜平.地鐵車站熱環境分析[J].上海節能,2003(5):36-37.

[2] 朱建章.淺談地鐵環控設計[C]∥中國勘察設計協會.中國勘察設計協會建筑環境與設備專業委員會第2屆技術交流大會記文匯編.長沙：中國勘察設計協會,2007,37:349-352.

[3] 楊昭,馬鋒.地鐵新環控系統可行性分析及性能優[J].天津大學學報,2012(3):268-271.

[4] 孟華,龍惟定,王盛衛.適用于系統仿真的冷卻塔模型及其實驗驗證[J].暖通空調,2004,34(7):1-5.

[5] 黃艷山.空調水系統動態優化仿真研究[D].廣州:廣州大學,2012.

[6] The US Department of Energy.Energy Plus V2.0 Manual [EB/OL].[2016-03-31].https://www. Energyplus .net/downloads.

Application of Metro Station Air Conditioning Mode and Analysis of Its Energy Consumption

LI Feng, ZHENG Lintao

In this paper, a solution of independent temperature/humidity control air conditioning system is proposed, three thermal performance functionsare analyzed: the station all-air air conditioning system, the air-water air conditioning system and the independent temperature-humidity control air conditioning system. Taking a practical engineering program at Guangzhou metro station as example, the annual energy consumption of the three air conditioning systems are simulated respectively. It is concluded that the independent temperature-humidity control air conditioning system has higher potential because its energy saving rate is 24.37% higher than the conventional air conditioning systems adopted in Guangzhou metro, therefore it is worth promoting.

metro station; air conditioning system; energy consumption calculation

*廣東省重大科技專項資助項目(2013A011402002)

TU 831.3+5: U231.4

10.16037/j.1007-869x.2017.01.009

2016-03-31)