地鐵環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)性能參數(shù)隨運營年限變化特性研究*

上海理工大學(xué) 王麗慧 高仁義 張 杉上海世茂股份有限公司 劉 暢上海申通地鐵集團有限公司 宋 潔 鄭 懿 鄒學(xué)成

0 引言

由組合式空調(diào)箱、回排風(fēng)機等設(shè)備組成的地鐵車站環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)在空調(diào)季和非空調(diào)季常年運行，對車站熱環(huán)境空調(diào)季的舒適性和非空調(diào)季的新風(fēng)量等影響較大，風(fēng)系統(tǒng)能耗也是車站環(huán)控系統(tǒng)能耗的主要組成部分。本文聚焦不同運營年限地鐵車站環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)典型設(shè)備和系統(tǒng)的能效變化特性研究。

首先，目前對于組合式空調(diào)箱性能的研究多是通過建立集總參數(shù)模型。邱峰等人通過建立空調(diào)箱表冷器集總參數(shù)模型、分布參數(shù)模型、分排參數(shù)模型模擬了肋片管換熱器的實際換熱性能[1]；王磊等人建立了組合式空調(diào)箱盤管熱回收裝置的集總參數(shù)模型，研究了回路形式、肋片間距、沿氣流方向管排數(shù)、循環(huán)風(fēng)量、盤管水流速等對盤管熱回收性能的影響，為組合式空調(diào)箱選擇合適的盤管熱回收裝置提供了依據(jù)[2]。其次，在地鐵車站環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)中回排風(fēng)機多使用軸流風(fēng)機，軸流風(fēng)機在不同建筑中均作為主要通風(fēng)設(shè)備。Vad分析了軸流風(fēng)機無導(dǎo)葉壓縮機轉(zhuǎn)子葉片對風(fēng)機氣動性能的影響[3]；Ye等人使用非穩(wěn)態(tài)的交錯角三維模型評估了異常交錯角對風(fēng)機性能的影響，結(jié)果表明異常偏差交錯角將導(dǎo)致壓力波動強度增大[4]；周帆等人運用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，對不同輪轂比的T40風(fēng)機流場結(jié)構(gòu)與氣動特性進行了比較分析,得到了風(fēng)機效率與輪轂比幾乎呈線性遞減關(guān)系的結(jié)論[5]。再次，對于整個空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)而言，目前研究多趨向于能耗分析及節(jié)能措施改進方面。曹雙華等人針對紡織廠空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)，建立了主要耗能設(shè)備能耗優(yōu)化模型，探討了其空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)最小運行能耗[6]；張烽分析了夏熱冬暖地區(qū)大型購物中心能耗特點，發(fā)現(xiàn)對空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)采用全部熱回收、風(fēng)機變頻等方式有明顯節(jié)能效果[7]。

以上研究內(nèi)容幾乎沒有對空調(diào)箱、回排風(fēng)機及環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)性能隨運營年限變化規(guī)律的研究，而這對于長年運營的地鐵車站等建筑節(jié)能高效意義重大。本文通過分層抽樣方法確定上海地鐵不同年限運營車站，并對其空調(diào)箱、回排風(fēng)機和風(fēng)系統(tǒng)的能效進行實測評估，獲得風(fēng)系統(tǒng)單體設(shè)備和系統(tǒng)能效隨運營年限的變化規(guī)律，為地鐵車站風(fēng)系統(tǒng)的新產(chǎn)品準(zhǔn)入、設(shè)備大修或更換、提高地鐵車站環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)能效等提供參考。

1 研究方法

1.1 實測車站樣本的選取

測試車站的選取過程為：將上海軌道交通191個島式地鐵車站依據(jù)運營年限分為近期(2013年8月至2017年8月)、中期(2009年8月至2013年8月)和遠期(2005年8月至2009年8月)3類，并以分層抽樣樣本量90%的置信度、允許相對誤差不超過15%為依據(jù)，選取30個車站進行了實地考察。根據(jù)現(xiàn)場測試條件，以及車站規(guī)模相似、客流量相似等條件，最終確定4、8、10、12和13號線中的18個車站的環(huán)控設(shè)備和系統(tǒng)作為測試對象，其中，近期、中期和遠期運營年限車站的數(shù)目分別為7、4、7個。所選車站均為標(biāo)準(zhǔn)島式地下非換乘車站，其環(huán)控系統(tǒng)形式相同，且各時期車站設(shè)備匹配容量范圍也相同，各車站主要環(huán)控設(shè)備的類型及參數(shù)見表1。

表1 各車站主要環(huán)控設(shè)備的類型及參數(shù)

采用格魯布斯檢驗法[11]對實測數(shù)據(jù)進行壞值剔除，從而保證分層抽樣樣本實測數(shù)據(jù)的可靠性，且能反映上海地鐵環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)能效變化的普遍規(guī)律。

1.2 風(fēng)系統(tǒng)及其設(shè)備能效評價指標(biāo)的確定

1.2.1空調(diào)箱能效評價指標(biāo)及其計算方法

依據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]，空調(diào)箱性能評價指標(biāo)選擇風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率Ws、空調(diào)箱制冷量Qa、空調(diào)箱冷量衰減率α，3個參數(shù)的定義式分別見式(1)、式(2)和式(3)。

(1)

式中N1為風(fēng)機輸入功率，W；L為風(fēng)機實際風(fēng)量，m3/h。

(2)

式中L1為送風(fēng)量，m3/h；ρ1為進口空氣密度，kg/m3；d1為進口空氣含濕量，kg/kg；h1為機組進口空氣比焓，kJ/kg；h2為機組出口空氣比焓，kJ/kg；cpw為水的比定壓熱容，kJ/(kg·℃)，取4.18 kJ/(kg·℃)；t2為機組出口空氣濕球溫度，℃；Δd為機組進出口空氣含濕量差，kg/kg。

(3)

式中Qe為空調(diào)箱額定制冷量，kW。

1.2.2回排風(fēng)機能效評價指標(biāo)及其計算方法

回排風(fēng)機評價指標(biāo)采用風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率Ws[8]。

1.2.3空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)能效評價指標(biāo)

為了便于對不同運營年限地鐵風(fēng)系統(tǒng)能效的評估，提出用空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比η評價地鐵車站空調(diào)季風(fēng)系統(tǒng)能效，其定義式見式(4)。

(4)

式中 ∑Nj為空調(diào)系統(tǒng)各用電設(shè)備的平均輸入功率之和，包含冷水機組、冷卻塔、空調(diào)箱、水泵和回排風(fēng)機的輸入功率，kW。

1.3 實測方案

依據(jù)上文地鐵車站風(fēng)系統(tǒng)典型設(shè)備和系統(tǒng)能效評價指標(biāo)參數(shù)需求，空調(diào)箱主要實測參數(shù)為進出風(fēng)溫濕度、送回風(fēng)風(fēng)量和輸入功率，回排風(fēng)機主要測試參數(shù)為風(fēng)量與輸入功率。計算空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比還需測定冷水機組、冷卻塔、水泵的輸入功率[8,11]。上述參數(shù)均需在正常空調(diào)設(shè)計工況下測定，參數(shù)穩(wěn)定15 min后開始測量。

依據(jù)國家相關(guān)空調(diào)檢測標(biāo)準(zhǔn)[8]，所有設(shè)備功率均從地鐵車站環(huán)控電控室機柜上讀取，并用鉗形功率表檢測機柜后面相關(guān)線路進行核對；空調(diào)箱送、回風(fēng)溫濕度分別在地鐵車站空調(diào)箱進風(fēng)和出風(fēng)口處采用便攜式溫濕度計每隔5 min讀取獲得，并與地鐵車站環(huán)控機房計算機顯示屏上的參數(shù)相互驗證；空調(diào)箱與回排風(fēng)機風(fēng)量測試時均采取將矩形回風(fēng)口截面等分為四部分，取各部分中心風(fēng)速的平均值作為測試結(jié)果，并結(jié)合回風(fēng)口面積計算風(fēng)量。測試所用相關(guān)儀器、儀表參數(shù)見表2。

表2 地鐵車站風(fēng)系統(tǒng)主要測試儀器參數(shù)

2 實測結(jié)果與分析

2.1 空調(diào)箱能效隨運營年限變化特征

18個地鐵車站各空調(diào)箱的實測平均冷量為309 kW。圖1給出了不同運營年限地鐵車站空調(diào)箱冷量實測結(jié)果。由圖1可知：近期運營年限車站空調(diào)箱冷量需求最低(為203 kW)，中期最高(為233 kW)，近期較中期低12.8%；遠期空調(diào)箱冷量平均值(為220 kW)因設(shè)備年限長且換熱效果差比中期低了5.6%左右。圖2給出了不同運營年限空調(diào)箱平均冷量衰減度的變化趨勢及其經(jīng)驗擬合式。由圖2可見，隨著運營年限的增加，各地鐵車站空調(diào)箱平均冷量衰減率逐漸增大。地鐵運行初期，因設(shè)備較新、換熱效率好，空調(diào)箱冷量衰減率較小，為18%左右；運營中期地鐵車站空調(diào)箱冷量衰減率逐漸增大，也就是空調(diào)箱實際換熱能力較設(shè)備額定換熱能力逐漸下降，這一下降趨勢在地鐵車站運營遠期最為明顯，可達到約60%，可見中遠期空調(diào)箱換熱能力將明顯衰減。

圖1 不同運營年限地鐵車站空調(diào)箱冷量實測結(jié)果

圖2 空調(diào)箱平均冷量衰減率隨運營年限的變化

圖3顯示了空調(diào)箱風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率隨不同運營年限的變化趨勢，單位風(fēng)量耗功率平均值近期為0.44 W/(m3/h)，中期為0.38 W/(m3/h)，遠期為0.46 W/(m3/h)。對比JGJ/T 177—2009《公共建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》[8]中的限定值(0.52 W/(m3/h))可見，近期、中期各有1個車站，遠期有3個車站不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但整體上空調(diào)箱風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率的平均值均低于該限定值。圖4顯示了空調(diào)箱送風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率平均值隨運營年限的變化，擬合曲線趨于平緩，各運行時期空調(diào)箱單位風(fēng)量耗功率平均值均約為0.42 W/(m3/h)，小于限定值0.52 W/(m3/h)。可見，空調(diào)箱的風(fēng)機性能并不隨運營年限的增加而發(fā)生規(guī)律性變化，并且各運營時期空調(diào)箱風(fēng)機均處在高效運行狀態(tài)，建議通過定期維護保養(yǎng)來保持風(fēng)機的高效。

圖3 不同運營年限空調(diào)箱風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率實測結(jié)果

圖4 空調(diào)箱送風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率平均值隨運營年限的變化

2.2 回排風(fēng)機能效隨運營年限變化特征

18個實測車站中，不同運營年限回排風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率變化趨勢如圖5所示。圖5中回排風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率近期平均值為0.50 W/(m3/h)，中期平均值為0.26 W/(m3/h)，遠期平均值為0.28 W/(m3/h)，結(jié)合JGJ/T 177—2009《公共建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》[8]中的限定值(0.52 W/(m3/h))來看，各時期回排風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率平均值均低于標(biāo)準(zhǔn)限定值，僅近期和遠期各有1個車站回排風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率大于0.52 W/(m3/h)，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 不同運營年限車站回排風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率實測結(jié)果

2.3 空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比隨運營年限變化特征

通過對18個車站冷水機組、冷卻塔、空調(diào)箱、水泵、回排風(fēng)機功率的實測，計算得到地鐵運營近期、中期和遠期的空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比。不同車站空調(diào)系統(tǒng)各用電設(shè)備的實測功率平均值與空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比平均值計算結(jié)果見表3。

表3 各用電設(shè)備的實測功率平均值與空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比平均值計算結(jié)果

由表3可見：空調(diào)箱冷量中期較大；換熱設(shè)備總功率平均值近期為147 kW，中期為109 kW，遠期為133 kW，中期較近期低25.9%；非換熱設(shè)備總功率平均值近期為57 kW，中期為35 kW，遠期為53 kW，中期較近期低38.6%；環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備總功率平均值近期為204 kW，中期為145 kW，遠期為187 kW，中期較近期低28.9%；對運營年限為2、4、7、10、12年的空調(diào)系統(tǒng)能效比分別取平均值，進一步計算各運營時期空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比平均值，得到近期為1.00，中期為1.63，遠期為1.18。根據(jù)式(5)，空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比越大，表明地鐵車站空調(diào)季風(fēng)系統(tǒng)能效越高，結(jié)合圖6可知，地鐵運營近期和運營遠期其空調(diào)季風(fēng)系統(tǒng)能效較低，而運營中期較高。

圖6 空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比隨車站運營年限的變化

究其原因，在地鐵車站運營近期，因圍巖盾構(gòu)中蘊藏著大量自然冷源(上海新建地鐵車站周圍土體溫度為20～25 ℃)，導(dǎo)致空調(diào)季車站冷負荷較小，而地鐵站內(nèi)換熱設(shè)備空調(diào)箱、冷水機組及冷卻塔的容量多依據(jù)遠期最不利工況(即車站冷負荷最大)來選定。故在運營近期空調(diào)箱等換熱設(shè)備均在較低負荷率下運行，大馬拉小車現(xiàn)象嚴重，導(dǎo)致設(shè)備總耗功率最大，運營近期地鐵車站的空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比最低。地鐵車站運營中期，由于車站負荷率較高，換熱設(shè)備在能效較高的狀態(tài)下運行，空調(diào)箱、冷水機組和冷卻塔等設(shè)備的換熱效果良好，空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比較高。而到了遠期，雖然車站空調(diào)季的負荷率仍很高，但是隨著運營年限的增加，空調(diào)箱、冷水機組和冷卻塔等換熱設(shè)備的換熱效率明顯下降，導(dǎo)致設(shè)備總耗功率增大，引起空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比下降。因此，總體上呈現(xiàn)地鐵車站運營近期和運營遠期空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比較低，運營中期較高的變化特性。

3 結(jié)論

1) 空調(diào)箱冷量平均值近期最低、中期最高，近期較中期低12.8%，而遠期較中期低5.6%左右。隨著運營年限增加，各地鐵車站空調(diào)箱平均冷量衰減率逐漸增大。這一衰減趨勢在地鐵車站運營遠期最為明顯，可達約60%，可見中遠期空調(diào)箱換熱能力將明顯下降。

2) 空調(diào)箱風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率各時期平均值近期為0.44 W/(m3/h)，中期為0.38 W/(m3/h)，遠期為0.46 W/(m3/h)，與運營年限無明顯線性關(guān)系，表明定期維護可以保障不同運營年限風(fēng)機均具有較好的能效水平。

3) 回排風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率運營近期平均值為0.50 W/(m3/h)，中期為0.26 W/(m3/h)，遠期為0.28 W/(m3/h)，呈現(xiàn)出非換熱設(shè)備能效與運營年限無明顯線性關(guān)系的特點。

4) 各運營時期空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比平均值為近期1.00、中期1.63、遠期1.18，呈現(xiàn)地鐵車站運營近期和遠期較低，運營中期較高的變化特性。