基于TRNSYS的地鐵車站公共區冷負荷預測模型

馬曉明，李曉鋒，朱穎心

機電工程

基于TRNSYS的地鐵車站公共區冷負荷預測模型

馬曉明，李曉鋒，朱穎心

（清華大學建筑學院，北京 100084）

以地鐵車站公共區負荷為研究對象，在前人研究基礎上繼續完善地鐵車站公共區負荷計算方法，用該負荷計算方法得到的數據作為輸入參數，應用TRNSYS軟件建立地鐵車站公共區逐時負荷計算模型。以南方某屏蔽門地鐵車站為例，用該站夏季某時間段的實測負荷數據對TRNSYS模型進行驗證；并用該模型對負荷影響較大的因素做詳細分析，挖掘該站的節能潛力，得到在關閉新風閥和提高車站控制溫度時，該站公共區負荷可分別降低68%和42%。希望可以應用該方法為地鐵車站公共區空調設計、運行和能耗管理提供一定指導。

地鐵；預測模型；TRNSYS；逐時負荷；屏蔽門

在我國地鐵車站能耗中，車站通風空調系統能耗占比高達1/3以上，對于南方地區，車站通風空調系統能耗占比可達到1/2[1]。準確預測地鐵車站的空調負荷對設備初投資和運行管理節能有重要意義，對于負荷計算方法的研究一直是行業重點。地鐵車站空調負荷主要分為車站公共區負荷和設備與管理用房負荷，其中公共區負荷占比大，現主要針對地鐵車站公共區負荷進行研究。現階段地鐵設計中，在計算地鐵車站公共區負荷時，對于屏蔽門的滲透風量、屏蔽門內外側對流換熱系數以及圍護結構傳熱量均采用估算值或簡化的計算方法[2-4]；王瑩等[5]提出了地鐵車站公共區的合理能耗模型，模擬車站公共區每日負荷，采用車站內部得熱量等于供冷量的方法，模擬得到車站每日供冷量。目前已有的地鐵車站公共區的能耗和負荷方面的研究，認為逐時得熱量等于逐時負荷，并且沒有進行逐時負荷的實測驗證。因為地鐵埋深較深，土壤具有很好的蓄熱性能，采用得熱量等于逐時負荷的方法會帶來一定程度的計算誤差，無法準確反映地鐵車站公共區逐時負荷的變化。

目前對于地鐵車站公共區逐時負荷的研究較少，在參考前人對于地鐵車站公共區負荷研究成果的基礎上，應用TRNSYS軟件搭建屏蔽門地鐵車站公共區負荷計算模型，得到屏蔽門地鐵公共區逐時負荷的計算方法；并用夏熱冬冷地區某屏蔽門制式車站的實際運行數據進行對比，驗證該模型的可靠性；之后利用該模型對不同影響因素進行分析，挖掘該站的節能潛力。本計算模型填補了地鐵車站公共區逐時負荷模擬的空白，可對地鐵節能工作進行指導作用。

1 TRNSYS軟件

TRNSYS軟件(transient system simu-lation program)是一套完整的可擴展的模塊化動態仿真軟件，可以通過其中的Type56模塊和TRNBuil-ding軟件進行連接，從而建立建筑模型，完成對于建筑全年的逐小時負荷模擬[6]。TRNSYS軟件利用傳遞函數法來計算墻體傳熱，采用熱平衡法來計算建筑負荷，能準確反映室內負荷的變化。在ASHRAE140- 2011[7]中，給出了不同能耗計算軟件測試的標準算例和計算結果，TRNSYS軟件與其他軟件的計算結果具有較好的一致性。余鎮雨等[8]通過TRNSYS軟件和IBE軟件建模對比，發現IBE軟件會低估動態系數，高估建筑熱負荷，需要進行修正，而TRNSYS軟件在動態環境下準確性更高。孫德宇[9]指出在輸入條件一致的情況下，TRNSYS軟件的負荷計算結果與其他能耗模擬軟件基本一致。

圖1是在TRNSYS軟件中的建筑熱量平衡圖，熱平衡方程如式1所示。

式中，surf是墻體表面得熱，通過傳遞函數法計算所得[6]；inf是室外滲風負荷；vent是機械新風負荷；g，c是內部對流負荷(通過室內人員、設備、燈光等其余內部發熱源)；cplg是從其他區域或者邊界空氣交換產生的負荷，其中：

圖1 建筑室內熱量平衡示意圖

Figure 1 The diagram of indoor heat balance

式中，是送風量，m3/h；為空氣密度，kg/m3；C是空氣比熱容，kJ/(kg·k)；outside、air、vent、other分別是室外空氣溫度、室內空氣溫度、機械送風溫度、其他空間的室內空氣溫度，℃。對于地鐵系統而言，inf為出入口滲風負荷，cplg為隧道滲風負荷，g, c為內熱源負荷，主要包括地鐵車站內部人員散熱量、照明、電梯和廣告燈牌等設備的散熱量。

2 地鐵車站公共區負荷計算方法

地鐵車站公共區負荷主要分為內熱源負荷(人員負荷、照明負荷、電扶梯等設備負荷)、屏蔽門滲風負荷和出入口滲風負荷、機械新風負荷、圍護結構傳熱量。

2.1 內熱源負荷計算方法

地鐵車站內熱源負荷包括人員負荷p、照明負荷light、電扶梯等設備負荷equip。其中照明負荷、電扶梯及其他設備負荷可默認其消耗的電能都會轉變成熱量釋放到地鐵中，全天基本為固定變化值，可通過建筑設計圖紙和分項計量系統獲得其電耗，即可得到其負荷。

地鐵車站人員負荷可根據車站客流量和人員在站臺站廳停留時間計算得到，根據大量調研和實測，地鐵車站在運行一段時間后，客流變化量基本穩定，可以用典型日客流變化作為代表。

式中，p為人員的全熱負荷，取ISO 7730標準中[10]對于輕度工作和步行人員的發熱量185 W/人，其中顯熱負荷為95 W/人，潛熱負荷為90 W/人；c和p分別為站廳、站臺的計算人次；1和2分別為車站逐時進站、出站人次；1和2為乘客進站在站廳、站臺的停留時間，一般1可取2 min，2可取發車間隔的一半時長；1和2為乘客出站在站廳、站臺的停留時間，可取1.5～2 min。

2.2 圍護結構傳熱負荷計算方法

TRNSYS通過傳遞函數法計算圍護結構負荷，其中土壤溫度可通過TRNSYS自帶的Type501模塊計算得到。Type 501模塊應用國際公認的g-function[11]模型來進行土壤熱平衡計算和校核，是目前公認較為精確的計算模型。站廳頂板、站廳側墻、站臺側墻和地板分別取不同深度的土壤溫度，默認地鐵圍護結構外墻與土壤之間接觸面的溫度相同。

屏蔽門傳熱量可按式9計算得到：

式中，為屏蔽門平均綜合傳熱系數，W/(m2·℃)；為屏蔽門面積，m2；tunnel和plat分別是隧道溫度和站臺溫度，℃。

2.3 出入口和隧道滲風負荷計算方法

地鐵與室外有多個出入口相連，列車運動引起的活塞風會引起隧道與站臺之間以及出入口與站廳之間的空氣交換，從而產生了大量的滲風負荷。楊樂[4]在大量現場測試中發現，即便是設有屏蔽門的車站，仍存在明顯的站內活塞滲風現象，說明了屏蔽門系統也無法避免列車活塞風帶來的影響；王瑩[12]提出了屏蔽門當量縫隙寬度的概念，給出了不同條件下屏蔽門滲風量的計算公式，能較為準確地模擬地鐵屏蔽門漏風量和出入口滲風量，本文對于地鐵屏蔽門漏風量和出入口滲風量的模擬也采用該方法，詳見參考文獻[12]。

式(10)和式(11)中，inf和cplg分別是地鐵出入口滲風負荷和屏蔽門滲風負荷，kW；inf和other分別為出入口滲風量和屏蔽門滲風量，m3/h；為空氣密度，kg/m3；C是空氣比熱容，kJ/(kg·k)；outside、air、other分別是室外空氣溫度、室內空氣溫度、隧道空氣溫度，℃。

2.4 機械新風負荷計算方法

機械新風負荷可通過式(12)求得。

式中，vent為機械新風負荷，kW；vent為機械新風量，m3/h；為空氣密度，kg/m3；C是空氣比熱容，kJ/(kg·k)；vent和air分別為室外空氣溫度，℃。

3 模型建立與實測驗證

3.1 車站信息

車站位于夏熱冬冷地區某大型城市，呈南北向布置，為地下二層島式非換乘車站，該站為地下屏蔽門制式車站。車站總長約200 m，寬約20 m，深約16 m，站廳建筑面積2 898 m2，站臺建筑面積為1 278 m2，設4個出入口，與國內大多城市的屏蔽門制式標準站結構類似。

3.2 輸入參數

在TRNSYS中進行建模，把站臺和站廳當作相鄰的兩個房間，氣象參數選用該城市實測氣象參數，其余輸入參數如表1所示，實測中的測試儀器和測量精度如表2所示。

表1 TRNSYS所需輸入參數匯總

表2 測試儀器及精度

車站空調負荷測試時間為7月21日至7月31日。圖2是測試期間室外逐時空氣干球溫度及含濕量。測試期間室外空氣溫度波動范圍在28～40℃之間，室外空氣相對濕度波動范圍在37%～89%之間，接近典型設計日氣象條件。

圖2 室外空氣溫濕度

Figure 2 The outdoor temperature and relative humidity

圖3～圖5是測試期間站臺、站廳和隧道的逐時空氣溫度及相對濕度。站廳的溫度波動范圍在22.7～26.5℃之間(含夜間停運期間)，相對濕度波動范圍在78.7%～96%。站臺的溫度波動范圍在23.6～26.3℃之間(含夜間停運期間)，相對濕度波動范圍在77.8%～95%。隧道的溫度波動范圍在24.4～26.1℃之間(含夜間停運期間)，相對濕度波動范圍在79.2%～94.9%。

圖3 站廳溫度及相對濕度

Figure 3 The temperature and relative humidity of the station hall

圖4 站臺溫度及相對濕度

Figure 4 The temperature and relative humidity of the platform

圖5 隧道溫度及相對濕度

Figure 5 The temperature and relative humidity of the tunnel

車站有2臺冷水機組，表3是冷水機組冷凍水供水量測試結果，圖6是根據現場實測數據得到7月21日到7月31日公共區逐時供冷量。從逐時供冷量曲線來看，機組運行狀況比較穩定，供冷量最大值為1 064 kW。

表3 車站公共區冷凍水流量

圖6 冷機供冷量

Figure 6 The cooling capacity of a chiller

機械新風負荷與室外氣象參數直接相關，測試期間，列車運行時該站機械新風閥門全開，測得機械新風量為7.46萬m3/h，結合測試期間室外氣象參數，圖7是計算得到的逐時機械新風負荷如，機械新風最大負荷為820 kW。

3.3 實測驗證

將上述參數輸入TRNSYS模型中，即可計算得到地鐵車站公共區逐時負荷。為了驗證該模型的可靠性，將模擬得到的逐時負荷和冷機逐時供冷量進行對比，圖8是逐時模擬冷負荷與冷機制冷量的對比。85%以上的小時數誤差在15%以內，誤差大于15%的點大多出現在7:00以前和21:00以后，因為這些時間段冷機供冷量較小，從而相對誤差變大。

圖7 機械新風負荷

Figure 7 The load of mechanical fresh air

圖8 逐時模擬冷負荷與冷機制冷量

Figure 8 The simulated hourly cooling load and cooling capacity of the chiller

圖9是每日模擬冷負荷和冷機總制冷量的對比，除7月27日累積負荷誤差為16%外，其余10天誤差均小于8%，證明該模型可較為準確地反映地鐵公共區日負荷的變化。

圖9 逐日模擬冷負荷與冷機制冷量對比及誤差

Figure 9 The comparison and error between simulated daily cooling load and the cooling capacity of the chiller

4 模型應用分析

圖10是該站7月21日至7月31日公共區負荷中由于不同因素產生的占比，其中機械新風負荷占比最大，為71%，其余依次為出入口滲風負荷、屏蔽門滲風負荷、圍護結構傳熱負荷和設備及人員負荷，分別占比14%、10%、3%、2%。其中機械新風負荷、出入口滲風負荷和隧道滲風負荷均與車站站臺、站廳控制溫度有關，為了降低該站能耗水平，主要從機械新風量和車站控制溫度兩個方面進行分析。

圖10 地鐵車站不同因素負荷占比

Figure 10 Proportion of different loads in metro area

4.1 機械新風

該站在空調季節，新風閥處于全開模式，默認室內人員需求新風量全部由機械新風供給，忽略了隧道滲風和出入口滲風的影響。

根據地鐵設計規范，車站公共區空調季節小新風運行時按12.6 m3/(人·h)計算，且不少于總送風量的10%。對于實際地鐵車站而言，總送風量的10%遠大于按人員需求計算得到的新風量。對于本車站而言，總送風量為12萬m3/h，而本站客流高峰期間進出站客流量在1 400人次/h左右，假設進出站乘客在車站中平均消耗時間為5 min，則所需新風量為1 470 m3/h，遠小于總送風量的10%。所以機械新風量應為1.2萬m3/h。將機械新風量降為1.2萬m3/h時，用該模型模擬該站的逐時負荷，圖11和圖12分別是計算得到的逐時負荷和日累積負荷對比。與全開新風閥相比，當機械新風量降低到1.2萬m3/h時，日平均累積負荷降低7 136 kW (58.8%)。

我們一般用CO2體積分數表征建筑室內空氣新風是否達標，相關標準規定室內CO2體積分數少于1 500×10–6即為合格。經過大量的現場調研，隧道內部CO2濃度基本與室外一致[13]，因此可以認為在地鐵建筑中，除機械新風外，從隧道進入地鐵內部和出入口滲風均可作為新風來源[14]。對于一般地鐵車站，從隧道進入地鐵內部和出入口滲風量之和大于送風量的10%，所以可以通過關閉新風閥來實現節能。當關閉新風閥后，圖13和圖14是該站不同新風量下的逐時負荷和日累積負荷對比。與全開新風閥相比，當關閉新風閥時日平均累積負荷降低8 339 kW(68%)，說明降低機械新風量可顯著降低該站公共區負荷。

圖11 降低新風量后逐時負荷對比

Figure 11 Comparison of hourly load when decreasing the volume of fresh air

圖12 降低新風量后日累積負荷對比

Figure 12 Comparison of daily accumulated load when decreasing the volume of fresh air

圖13 不同機械新風量下公共區逐時冷負荷對比

Figure 13 Comparison of hourly cooling load of large system with different volumes of mechanical fresh air

圖14 不同機械新風量下公共區日累積冷負荷對比

Figure 14 Comparison of daily accumulated cooling load of big system in different mechanical fresh air volume

4.2 車站控制溫度

根據地鐵設計規范，夏季車站公共區的空氣溫濕度控制標準為：站廳干球溫度≤30℃，相對濕度40%～70%；站臺干球溫度≤29℃，相對濕度40%～。對于該站，測試時間內站臺、站廳的控制溫度偏低3～4℃，大大增加了新風負荷。提高控制溫度后，機械新風負荷、出入口滲風負荷與屏蔽門滲風負荷也會由于溫差變小而得到顯著降低。

在TRNSYS中設置該站站臺、站廳控制溫度分別為27℃和28℃，得到逐時負荷和每日累積負荷分別如圖15和圖16所示。提高控制溫度后，日平均累積負荷可以減少5 124 kW(42%)，說明提高車站公共區控制溫度可顯著降低該站公共區冷負荷。

圖15 不同公共區控制溫度逐時冷負荷對比

Figure 15 Comparison of hourly cooling load of big system under different setting temperatures

5 結語

1) 提出基于TRNSYS軟件的地鐵車站公共區逐時負荷模擬模型，該模型基于傳遞函數法計算圍護結構傳熱負荷，考慮了圍護結構蓄熱對逐時負荷的影響。

2) 用某夏熱冬冷地區屏蔽門地鐵車站的實測數據驗證了該模型的準確性和可行性，逐小時負荷誤差多數時間內小于15%，日累積誤差多數時間小于8%。

圖16 不同公共區控制溫度日累計冷負荷對比

Figure 16 Comparison of daily accumulated cooling load of large system under different setting temperatures

3) 本文中應用該模型定量分析了降低機械新風量和提高車站控制溫度兩種節能措施的節能量，從而可以為該站節能運行策略的制定提供準確的指導。

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Load Prediction Model of Public Area in Metro Station Based on TRNSYS

MA Xiaoming, LI Xiaofeng, ZHU Yingxin

(Tsinghua University, Beijing 100084)

Taking the load of a public area in metro stations as the research object, we improved the calculation method for the load of public areas in metro stations on the basis of previous studies. The data obtained from the calculation method were used as the input parameter. We utilized TRNSYS to simulate the hourly cooling load of the public area of the metro station. The TRNSYS model was verified with an actual measurement result during summer of a metro station with the PSD in South China. We used the model to analyze the factors that have a significant influence on the load to tap the energy-saving potential of the station. When the fresh air valve was closed and the control temperature of the station was increased, the load in the public area of the station could be reduced by 68% and 42%, respectively. It is hoped that this research will provide guidance for metro HVAC system design, operation, and energy management.

metro; prediction model; TRNSYS; hourly load; PSD

U231

A

1672-6073(2021)02-0130-07

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.021

2020-01-05

2020-03-30

馬曉明，男，碩士研究生，從事地鐵能耗模擬的研究，876603646@qq.com

朱穎心，女，教授，博士生導師

科技部“十三五”項目(2018YFC0705000)

馬曉明，李曉鋒，朱穎心. 基于TRNSYS的地鐵車站公共區冷負荷預測模型[J]. 都市快軌交通，2021，34(2)：130-136.

MA Xiaoming, LI Xiaofeng, ZHU Yingxin. Load prediction model of public area in metro station based on TRNSYS[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 130-136.

（編輯：王艷菊）