地鐵車站通風空調系統生命周期CO2排放量研究*

秦 驁 袁艷平 蔣福建

(西南交通大學機械工程學院，610031，成都∥第一作者，碩士研究生)

準確地計算和評估地鐵車站通風空調系統生命周期的CO2排放量，是實現城市軌道交通系統節能減排的重點工作之一。地鐵車站通風空調系統的運營時間、設備類型、施工工藝等都與常規公共建筑存在許多差異，其能耗特征亦有很大不同［1］，致使現有研究成果無法直接應用至地鐵車站通風空調系統中。因此，本文結合生命周期評價理論，建立基于地鐵通風空調系統結構特點的CO2排放量計算流程和評估方法，并對實際案例中的CO2排放特征進行了分析。

1 地鐵車站通風空調系統構成

目前，我國常見的地鐵車站通風空調系統制式有開式系統、閉式系統、屏蔽門系統。無論何種制式的系統都可以認為是由車站公共區空調通風系統、車站設備管理房通風空調系統、區間隧道通風系統、冷源水系統［2］等4個子系統構成。文獻［3］顯示，國內新建與改建的地鐵車站通風空調系統制式主要為屏蔽門系統。故本文以國內典型的屏蔽門式車站為例，根據生命周期理論，將地鐵車站通風空調系統生命周期劃分為生產、運輸和安裝、運行、拆除和回收等4個階段，從而對系統生命周期各階段的CO2排放量進行研究。

本文根據地鐵車站通風空調系統(見圖1)的結構特點，構建了生命周期各階段的CO2排放量計算模型。對于該系統中的每個子系統，都將其視為機組設備、管道等單元構件的集合。對地鐵車站通風空調系統生命周期各階段的CO2排放量進行計算時，都應結合車站所采用的具體通風空調系統制式，按照總系統-子系統-元構件的順序分解，計算出各單元構件的CO2排放量而后集成，進而得到該系統的CO2總排放量。

圖1 地鐵車站通風空調系統構成Fig.1 Composition of ventilation and air conditioning system at metro station

2 地鐵車站通風空調系統生命周期CO2排放量計算模型

地鐵車站規模不一，所采用的通風空調系統形式各異。為使不同類型的系統之間能夠進行CO2排放強度比較，本文選取通風空調系統每年單位制冷量所產生的CO2排放量CL作為CO2排放評價指標:

式中:

Cs——地鐵車站通風空調系統生命周期產生的CO2排放總量;

Q——地鐵車站通風空調系統主機額定制冷量;

y——地鐵車站通風空調系統的運行壽命。

2.1 生產階段CO2排放量計算模型

生產階段CO2排放量Cpr的計算公式為:

式中:

k——地鐵車站通風空調系統中的子系統種類;

i——子系統中的單元構件種類;

n——材料種類;

l——能耗種類;

Mk，i，n——第k種子系統、第i種單元構件中第n種材料的使用量;

Wk，i，n——第k種子系統、第i種單元構件中第n種材料的CO2排放系數;

Ek，i，l——第k種子系統、第i種單元構件在生產階段的第l種能源的消耗量;

Uk，i，l——第k種子系統、第l種能源的CO2排放系數。

由于地鐵車站通風空調系統中設備眾多，且各類設備中的具體材料種類及所占比例也各異，因此，對其生產階段的資源、能源消耗等基礎數據的搜集和整理是一項對時間和人力耗費都極大的工作［4］。本文在國內學者對相關設備及構件生產階段資源、能源消耗研究的基礎上，對基礎的清單數據進行遴選和整理，將材料、能源的CO2排放系數代入，換算得到各種設備生產階段的CO2排放數據并進行總結，進而提出單位質量設備生產階段綜合CO2排放量。其計算公式為:

式中:

pi——單位質量的第i種單元構件生產階段綜合CO2排放量;

mn——單位質量的第i種單元構件中第n種材料的質量;

el——生產單位質量的第i種單元構件所需的第l種能源的消耗量。

將式(3)代入式(2)，則生產階段的CO2排放量計算公式簡化為:

式中:

mi——第k種子系統中第i種單元構件的質量。

2.2 運輸階段CO2排放量計算模型

運輸階段CO2排放量的計算公式為:

式中:

Ctr——運輸階段CO2排放量;

t——運輸方式的種類;

Mk，i，t——第k種子系統中以第t種方式運輸的單元構件i的質量;

Lk，i，t——第k種子系統中以第t種方式運輸的單元構件i的運輸距離;

Uk，t——第k種子系統中第t種運輸方式的CO2排放系數。

2.3 安裝階段CO2排放量計算模型

安裝階段CO2排放量的計算公式為:

式中:

Cct——安裝階段的CO2排放量;

c——安裝工藝的種類;

Qk，c——第k項子系統中第c種安裝施工工藝的工程量;

Ek，c——第k項子系統中第c種安裝施工工藝的單位工程量所產生的能耗;

Uc——第c種安裝施工工藝所消耗能源的CO2排放系數。

2.4 運行階段CO2排放量計算模型

運行階段的年CO2排放量Cop計算公式為:

式中:

f——能耗設備的種類;

Nk，f——第k種子系統中第f種耗能設備的數量;

Uk，f——第k種子系統中第f種耗能設備的CO2排放系數;

Pa——空調季節第k種子系統中第f種耗能設備以模式a運行的功率;

Pv——非空調季節第k種子系統中第f種耗能設備以模式v運行的功率;

Ta——空調季節第k種子系統中第f種耗能設備每天以模式a運行的時間;

Tv——非空調季節第k種子系統中第f種耗能設備每天以模式v運行的時間;

Dk，a——每年地鐵車站通風空調系統第k種子系統空調季節;

Dk，v——每年車站通風空調系統第k種子系統非空調季節。

2.5 計算模型中CO2排放系數的選擇

CO2排放系數是指消耗單位質量的能量或原材料所產生的CO2氣體的質量。本文依據文獻［5-10］，整理了CO2排放量計算模型中基于能源、材料和運輸方式的CO2排放系數，見表1。

表1 基于能源、材料、運輸方式的CO2排放系數Tab.1 CO2 emission coefficients of materials，energy sources and transportation methods

2.6 計算模型中生產階段CO2排放基礎數據的確定

本文基于對實際地鐵車站通風空調系統設備類型的調研，根據文獻［6，10-11］中所記錄的建筑設備生產階段資源與能源消耗數據，將各類能源與材料的CO2排放系數代入，換算得到生產階段單位質量主要設備的綜合CO2排放量pi，見表2。

表2 地鐵車站通風空調系統單位質量的主要設備生產階段綜合CO2排放量Tab.2 Comprehensive CO 2 emission per unit weight of ventilation and air-conditioning system main equipment at subway stations in the production process

3 地鐵車站通風空調系統CO2排放量計算案例分析

3.1 案例基本概況

本文選取的案例為貴陽軌道交通1號線(以下簡為“1號線”)某典型屏蔽門系統車站的通風空調系統(見圖2)。其中，公共區空調通風系統采用一次回風全空氣系統，設備管理房通風空調系統采用一次回風全空氣系統和空氣-水系統，冷源水系統采用一次泵變流量系統，區間隧道通風系統設置隧道風機。

圖2 1號線某典型屏蔽門系統車站通風空調系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of ventilation and airconditioning system at Line 1 station

生產階段CO2排放量的計算輸入參數取自本文第2節的地鐵車站通風空調系統生產階段的CO2排放量數據。案例車站通風空調系統主要設備各階段的CO2排放量，如表3所示。運輸階段的運輸方式假設為全部采用公路運輸，運輸距離根據《中國統計年鑒2016》［12］，取案例機電工程施工時(2016年)的中國公路貨物運輸平均運距182.81 km。安裝階段根據《城市軌道交通工程概算定額》［13］確定地鐵車站通風空調系統安裝工程的項目種類，以及各項目所需的施工機械種類;依照《鐵路工程施工機具臺班費用定額》［14］確定各種施工機械工作每臺班所使用的能源類型和用量，代入能源的CO2排放系數換算得到施工機械每臺班的CO2排放量;最后將施工機械每臺班的CO2排放量代入各安裝工程項目，換算得到該項目的CO2排放量。地鐵車站通風空調系統使用壽命依據工程資料設為15年，每日運營時間為06:00—23:00，每年空調季節為150 d。

表3 案例車站通風空調系統主要設備各階段的CO2排放量Tab.3 CO2 emission parameters of station main equipment ventilation and air conditioning system at various stages

3.2 地鐵車站通風空調系統與普通建筑通風空調系統CO2排放量對比分析

對比文獻［8，10］中的8個普通建筑通風空調系統案例中的CO2排放數據，發現普通建筑通風空調系統的CL取值范圍為424.18～809.54 kg/(kW·年)，平均值為553.12 kg/(kW·年)。本文案例中的CL為917.39 kg/(kW·年)，比普通建筑通風空調系統CL的極大值高出13.32%，比平均值高出65.86%。由此可見，案例地鐵車站通風空調系統的CO2排放強度明顯高于普通建筑。主要原因在于:地鐵車站通風空調系統運行強度極高，公共區通風空調系統設備在車站運營時間內始終開啟，設備及管理用房中大部分房間的通風空調設備在全日24 h內均處于運行狀態;地鐵車站通風空調系統中設備容量一般按照運營遠期峰值負荷進行選型。

3.3 地鐵車站通風空調系統生命周期各階段CO2排放量分析

當地鐵車站通風空調系統使用壽命為15年時，生命周期各階段CO2排放量所占比例分別為:生產階段1.4%，運輸和安裝階段0.73%，運行階段97.87%。案例車站生命周期各階段CO2排放量，如表4所示。由表4可知，運行階段是CO2排放量最多的階段，生產階段和運輸安裝階段所產生的CO2排放量所占比例較小。因此，應重點針對運行階段進行CO2減排。

表4 案例車站生命周期各階段CO2排放量Tab.4 CO2 emissions at the life cycle stages of the case station

4 結語

本文建立了適用于地鐵車站通風空調系統的生命周期各階段CO2排放量計算模型。遴選和整理了常用設備生產階段的資源、能源消耗清單，通過換算得到生產階段的CO2排放數據，在此基礎上提出以生產階段單位質量的綜合CO2排放量作為地鐵車站通風空調系統設備生產階段的CO2排放單位。基于對實例的計算和分析，發現地鐵車站通風空調系統的CO2排放強度遠高于普通建筑通風空調系統，其低碳評價和CO2減排應受到更多重視。