京張高鐵清河站電熱風(fēng)幕節(jié)能措施研究

韓 松,張 蘇,李金冬,王 兵

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司建筑工程設(shè)計研究院,北京 100055；2.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心,北京 100844；3.成都四為電子信息股份有限公司(濟南分公司),濟南 250001)

引言

在公共建筑中，采暖通風(fēng)的能耗占建筑物運行能耗的45%～60%，照明能耗占總運行能耗的20%～25%，電梯能耗占8%～10%[1]。占比隨著氣候區(qū)域和公共建筑類型的不同而不同。高鐵站房能耗情況與公共建筑相同，以上海虹橋站為例，能耗大戶依次為冷熱源、空調(diào)、照明、電梯[2]，具體能耗占比如圖1所示。

圖1 上海虹橋站主要用電設(shè)備能耗分布圖

寒冷地區(qū)的高鐵站房，電熱風(fēng)幕在空調(diào)系統(tǒng)能耗占比較大[3]。根據(jù)調(diào)研，既有高鐵站房的電熱風(fēng)幕，從設(shè)計到實際使用，均為人工就地控制，能源浪費較大[4-5]。在京張高鐵清河站的設(shè)計中，對電熱風(fēng)幕節(jié)能措施進行比較研究，使電熱風(fēng)幕達到最優(yōu)控制。

1 電熱風(fēng)幕節(jié)能措施研究

1.1 高鐵站房電熱風(fēng)幕現(xiàn)狀

電熱風(fēng)幕是將通過高速電機帶動貫流或離心風(fēng)輪產(chǎn)生的強大氣流，形成一面無形的門簾[6-7]，有阻擋冷熱風(fēng)交替，阻擋灰塵的作用。寒冷地區(qū)高鐵站房在進門處一般采用的節(jié)能措施為設(shè)置門斗及在門斗內(nèi)側(cè)大門頂部設(shè)置電熱風(fēng)幕[8]。一般控制原則為鐵路工作人員就地控制，哪扇門打開，則開啟這扇門上的電熱風(fēng)幕，熱風(fēng)幕滿負荷工作。熱風(fēng)幕一般是低于5 ℃開啟。

1.2 清河站電熱風(fēng)幕設(shè)計

清河站總共設(shè)置了111臺電熱風(fēng)幕。每臺功率均為20 kW，共計為2 220 kW。

在初步設(shè)計階段，設(shè)計選用常規(guī)電熱風(fēng)幕，即只有0和20 kW兩檔。夏季時不開啟電加熱器，通過風(fēng)幕吹風(fēng)隔絕室外熱空氣進入室內(nèi)；冬季時開啟電加熱器，隔絕室外冷空氣進入室內(nèi)。在施工圖設(shè)計階段，通過市場調(diào)研，設(shè)計選用了節(jié)能型電熱風(fēng)幕，功率為0，5，15，20 kW四個檔位，并將電熱風(fēng)幕控制納入BAS系統(tǒng)。

擬對電熱風(fēng)幕采用自動控制。根據(jù)室內(nèi)外溫度開啟熱風(fēng)幕來阻隔室外滲透氣流[4]。同時認為熱風(fēng)幕的開啟與客流量也存在一定的關(guān)系。

1.3 電熱風(fēng)幕控制與室內(nèi)外溫度的關(guān)系

電熱風(fēng)幕加熱功率(即電功率)按照計算公式

P=CρV(T1-T2)

式中，C為空氣比熱容常數(shù)(1.01 kJ/kg·℃)；為空氣密度常數(shù)(1.205 kg/)；V為電熱風(fēng)幕單位時間出風(fēng)量(0.53 m3/s)；T1為熱風(fēng)幕送風(fēng)溫度(不宜高于50 ℃[3]，冬季站房內(nèi)室內(nèi)溫度按16～18 ℃考慮，不高于5 m的門，舒適性空調(diào)的送風(fēng)溫差為人體感覺適宜溫度5～10 ℃，因此T1取值范圍為21～28 ℃)；T2為熱風(fēng)幕回風(fēng)溫度。由此可知C、ρ、V均為定值；T1為確定的范圍值；T2為影響P的唯一因素。則有

設(shè)定室外溫度T3，可以認為回風(fēng)溫度T2與室內(nèi)溫度T1及室外溫度T3有關(guān)，α為室內(nèi)溫度的權(quán)重，β為室外溫度的權(quán)重，則有

1.4 電熱風(fēng)幕控制與客流量的關(guān)系

當(dāng)客流量大時，旅客排隊從門斗進入車站，此時電熱風(fēng)幕阻擋冷熱風(fēng)交替效果差，按極端假定門斗溫度與室外溫度相同，則有α取0，β取1，即回風(fēng)溫度為室外溫度，則有

T3=T1-1.55P

本次暖通專業(yè)設(shè)計的節(jié)能型電熱風(fēng)幕功率為0，5，15，20 kW四個檔位。電熱風(fēng)幕功率對應(yīng)的室外溫度范圍如表1所示。

表1 電熱風(fēng)幕功率與室外溫度范圍(客流量大)

以上為假定回風(fēng)溫度為門斗溫度計算結(jié)果。當(dāng)客流量小時，旅客間斷從門斗進入車站，此時電熱風(fēng)幕阻擋冷熱風(fēng)交替效果好，回風(fēng)溫度應(yīng)高于門斗溫度，α取1，β取3，則有

T3=T1-2.07P

電熱風(fēng)幕功率對應(yīng)的室外溫度范圍如表2所示。

表2 電熱風(fēng)幕功率與室外溫度范圍(客流量小)

通過表1和表2的結(jié)果對比，可以得知，室外溫度一定時，當(dāng)客流量大時，電熱風(fēng)幕開啟的檔位應(yīng)該更高；客流量較小時，電熱風(fēng)幕開啟的檔位可適當(dāng)調(diào)低。

1.5 清河站電熱風(fēng)幕節(jié)能措施模擬

北京市冬季供暖時間為當(dāng)年的11月15日至次年3月15日。本次模擬采用2016～2017年北京市采暖季的每日最高氣溫，最低氣溫。設(shè)定每日分為凌晨(3點～6點)、上午(7點～10點)、中午(11點～14點)、下午(15點～18點)、夜晚(19～22點)、午夜(23點～次日2點)六個時段，每個時段的平均溫度由當(dāng)日的最高與最低溫度取不同的權(quán)重得到(實際應(yīng)用中，電熱風(fēng)幕開啟檔位由室外溫度傳感器實時控制，如1h調(diào)整1次工作狀態(tài))，如表3所示。

表3 2016～2017年北京供暖季，模擬每日分時段溫度 ℃

假定凌晨、午夜客流量小，其余時間段客流量大；客流量小時，車站開啟的門數(shù)也同樣減小，總用電量按凌晨、午夜權(quán)重為0.25，上午、中午、下午、晚上權(quán)重為1.00統(tǒng)計，則根據(jù)每日時段平均溫度，得到單臺電熱風(fēng)幕開啟功率及節(jié)能前后能耗，如表4、表5所示。

表4 模擬單臺熱風(fēng)幕耗電(采用節(jié)能措施前) kW·h

表5 模擬單臺熱風(fēng)幕耗電(采用節(jié)能措施后) kW·h

2 清河站電熱風(fēng)幕節(jié)能效果評價

考慮到人工管理電熱風(fēng)幕，不一定能嚴格按照溫度變化控制電熱風(fēng)幕，表4單臺電熱風(fēng)幕能

耗，乘以0.9的系數(shù)。清河站總共設(shè)置111臺電熱風(fēng)幕，按照25%的熱風(fēng)幕處于正常工作狀態(tài)，依據(jù)表4及表5，采用節(jié)能型電熱風(fēng)幕，并采取相應(yīng)的控制策略后，每年可節(jié)約電能16.9萬kW·h，按1 kW·h電0.9元計算，粗略估計每年節(jié)約15.2萬元。電熱風(fēng)幕控制部分投資如表6所示，預(yù)計總投資37萬元。根據(jù)運營單位熱風(fēng)幕的運維情況，預(yù)計每年維護費用暫估為8萬元[10-13]，則投資回報率為

表6 清河站電熱風(fēng)幕節(jié)能投資

3 結(jié)語

在既有的車站節(jié)能措施研究中，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能策略一直為研究的重點[9]。寒冷地區(qū)的高鐵站房，冬季的能耗大戶熱風(fēng)幕控制研究一直處于空白。在以往的設(shè)計及使用中，熱風(fēng)幕均為人工控制，能源浪費較大。本文探討一種通過測定室內(nèi)外溫度的變化，自動控制熱風(fēng)幕工作狀態(tài)的節(jié)能控制策略。通過不同氣溫下節(jié)能型電熱風(fēng)幕可對應(yīng)的工作狀態(tài)，依據(jù)2016～2017年北京市供暖季的日氣溫，模擬比較采取節(jié)能措施前后，清河站一個采暖季的電熱風(fēng)幕能耗狀態(tài)。根據(jù)模擬結(jié)果，京張高鐵清河站采用節(jié)能型電熱風(fēng)幕及相應(yīng)控制策略后，節(jié)能效果顯著，投資回報率可達20%。該項節(jié)能措施作為《高鐵站房基于 BAS 能源管理系統(tǒng)研究》科研課題的研究內(nèi)容之一，已在京張高鐵全線各站中設(shè)計并準備安裝實施，具體節(jié)能效果待站房安裝調(diào)試及投入使用后進一步驗證。