嚴寒地區地鐵車站利用設備廢熱供暖研究

黃澤茂

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 西安 710043）

0 研究背景

隨著城市的發展，城市交通問題日益，地鐵具有節能、省地、運量大、全天候、綠色環保無污染、安全等特點，近年來得到了快速的發展。最冷月平均氣溫低于-10℃的地區被稱為嚴寒地區，國內嚴寒地區已經運營地鐵的城市有哈爾濱、長春、沈陽等城市，在建地鐵的城市有烏魯木齊、呼和浩特等[1]。對于嚴寒地區的地鐵通風空調系統，冬季地鐵內的溫度控制以及系統節能是需要特別關注的問題。

地鐵車站按功能分區分為乘客乘車區域（通常稱作公共區）以及為滿足地鐵運營服務的設備管理用房區域（通常稱作設備區）。目前嚴寒地區已建成運營的地鐵，如哈爾濱地鐵、沈陽地鐵、長春地鐵等，冬季時均關閉活塞風井，采用閉式運行的模式，在出入口通道口部設置防寒電動門和電熱風幕，阻擋室外冷風進入，只補充滿足人員衛生需求的最小風量新風，由于室外新風溫度很低，不經處理直接送至室內，會引起地鐵內部溫度場的劇烈變化，影響地鐵內部的舒適度，很難滿足《地鐵設計規范》[2]GB 50157-2013 中冬季溫度不低于12℃的要求，并且可能產生送風結露的問題，一般設置電加熱裝置對新風進行預熱。對于有工作人員辦公的管理用房，為了滿足工作人員的舒適和健康需求，需要設置供暖系統，通常采用電暖氣加獨立新風的系統形式，同時新風也需要設置電加熱裝置進行預熱。由于電加熱裝置需長時間運行，能耗很大，且存在一定安全風險。

而另一方面，地鐵車站內為滿足列車運營設置了大量的弱電和供電設備，這些設備常年向外散熱，冬季時還必須開啟功率較大的通風機，將熱量排除站外。一般每站設備的發熱量約200～300kW，發熱量非常可觀，如能有效的把這些熱量利用起來，作為車站的新風預熱、出入口通道內熱空氣幕、人員管理用房供暖系統的供暖熱源，這樣既可以減少供暖直接電加熱引起的能耗，又可以減少風機開啟所需的能耗，對于地鐵工程節能降耗意義重大。本文以嚴寒地區某典型地下車站為對象，對回收設備用房廢熱作為供熱和新風預熱熱源的方案進行研究。

1 工程概況

該站為明挖地下兩層島式車站，站臺寬為11m，主體長203m，標準段寬度19.7m，有效站臺長度118m。站廳層公共區面積1594m2，站臺層公共區面積1097m2，車站總建筑面積12455m2。本站設置牽引降壓混合變電所，信號系統為非集中站。

公共區室外通風空調計算參數為：夏季通風室外計算溫度為22.3℃；冬季通風室外計算溫度為-12.2℃。

設備管理用房室外通風空調計算參數為：夏季空調室外計算干球溫度為30.6℃、濕球溫度為21℃；夏季通風室外計算溫度為26.5℃；冬季采暖室外計算溫度為-17.0℃。

2 原車站通風空調系統設計方案概述

2.1 車站公共區通風系統

車站公共區通風系統原方案采用全空氣直流通風系統，車站通風系統兼作排煙系統。車站兩端各設置一條送風道和一條排風道，每端送風道內依次布置對外土建風道消聲器、粗效過濾器、送風閥、送風機、粗效過濾器、靜電殺菌凈化裝置、對內土建風道消聲器，同時，在送風機前布置一臺冬季小新風機；每端排風道內布置對外土建風道消聲器、排風閥和排風機（兼做車站公共區排煙風機）、對內土建風道消聲器。每端系統設備各負擔半個車站公共區的通風系統所需風量。送、排風機均為變頻運行，以滿足不同風量下的運營需要。冬季采用小新風模式運行，排風機兼作回風機，抽吸隧道內溫度較高的空氣與室外新風混合后，再經過送風機送入車站內，滿足人員新風與室內環境溫度需求。同時在出入口通道內設置電熱風幕，在活塞風道內，人防門內側設置電動防寒卷簾，減少室外冷空氣對車站及區間環境溫度的影響。其原理圖如圖1 所示。

圖1 車站公共區通風系統原理圖（原設計方案）Fig.1 Schematic diagram of ventilation system in public area of station(original design scheme)

圖2 車站空調水系統原理圖（原設計方案）Fig.2 Schematic diagram of station air conditioning water system(original design scheme)

2.2 車站設備管理用房通風空調系統

車站設備管理用房通風空調系統中，設置有4個空調系統，A 端3 個，B 端1 個。其中K-a1 系統服務于A 端管理用房，K-a2 系統服務于A 端弱電設備用房，K-a3 系統服務于A 端供電設備用房，K-b1 系統服務于B 端電氣設備用房，均采用全空氣雙風機一次回風系統。

車站控制室、會議室、站長室等有人員辦公的管理用房設置電暖氣。

2.3 車站空調水系統

車站空調冷源采用風冷熱泵機組供給，分別設置對應的冷凍水循環泵及定壓補水裝置。空調水系統采用一次泵末端變流量系統，在總供、回水干管上設置壓差旁通閥，末端設備回水管上設置電動二通調節閥。

3 供暖及新風預熱負荷需求分析

供暖負荷主要包括管理用房的空調機組供熱負荷、公共區通風系統最小新風預熱、出入口熱風幕供熱負荷組成。各部分主要熱負荷表1 所示。

表1 供暖熱負荷需求分析表Table 1 Analysis of heating load demand

4 設備用房余熱量分析

地鐵車站內為滿足列車運營設置了大量的弱電和供電設備，這些設備常年向外散熱，冬季時還必須開啟功率較大的通風機，將熱量排除站外。表2 列出了本站主要設備用房的發熱量。

表2 主要設備用房發熱量統計表Table 2 Calorific value of main equipment rooms

表3 方案綜合比較表Table 3 Comprehensive Comparison Table of Schemes

從表1 和表2 中的數據可以看出，供暖所需熱負荷為271.5kW，而設備總發熱量為368.2kW，設備發熱量是供暖所需熱負荷的1.35 倍。但表2 中的發熱量為各設備廠家提供，用來計算空調冷負荷，通常設備廠家會考慮一定安全裕量，實際運行時設備發熱量會低于表2 中的數據。當采用熱泵機組進行熱回收時，制熱量=制冷量+機組輸入功率，因此設備發熱量能滿足供暖需求。

5 熱回收供暖方案研究

目前地鐵余熱回收方面的研究從利用余熱的部位來分，主要是針對隧道內的余熱的利用。從利用熱量的方式來分，有直接利用和熱泵升溫兩個方向。直接利用是將攜帶余熱的地鐵排風直接引至用能區域，但考慮到設備用房的發熱量主要通過機柜的排熱孔或排熱風扇向房間內散發，且排風溫度低，此方法所需風管尺寸大，潛在用能范圍窄。因此熱泵升溫的方法是較為容易實現的方法[3]。另外設備用房的余熱利用，需要結合夏季空調制冷的方式綜合考慮，得出最優的方案。

5.1 熱回收型風冷熱泵機組的原理及特點

熱回收型風冷熱泵機組是在傳統的風冷熱泵機組內，增設獨立的熱回收器且與風冷冷凝器并聯布置[4]。通過控制可以實現單獨制冷、制冷+全熱回收、制冷+部分熱回收等模式運行，可以更好的適應熱負荷和冷負荷的匹配和調節。

5.2 熱回收供暖系統設計方案

圖3 為采用熱回收型風冷熱泵機組余熱回收系統原理圖。

通過閥門轉換，夏季時，利用風冷冷凝器和蒸發器，為車站空調機組提供空調冷凍水，熱回收冷凝器不運行，與原方案一致。

冬季時，風冷冷凝器關閉，通過蒸發器為設備用房空調系統（K-a2、K-a3、K-b1）提供冷凍水，通過熱回收冷凝器為供暖空調機組（K-a1）、公共區新風預熱機組（XK-A1、XK-B1）和出入口熱風幕提供熱水。可通過調節設備用房室外引入的新風量，調節制冷負荷與供熱負荷匹配。

6 經濟性分析

下面對采用熱回收型風冷熱泵機組（方案一）與原采用的風冷熱泵機組+電加熱（方案二）的方案進行經濟技術綜合比較分析。

（1）相較于采用電熱風幕的方案，僅需要將原冷水機組更換為帶熱回收功能的熱泵機組，以及增加熱水循環泵、定壓補水裝置及熱水管路，增加投資約為37.2 萬元。

（2）相較于電熱風幕方案消耗的功率260kW，熱泵回收系統供暖時消耗的功率約為74kW，粗略估算每年可節約用電20 萬度，按0.7 元/度考慮，每年可節約運行費用約14 萬元，靜態投資回收期約為3.4 年。具有很好的經濟效益。

7 結論

（1）通過對本典型車站的設備用房余熱量及供暖需熱量分析，表明地下車站設備用房余熱量較大且穩定，余熱量大于冬季供暖需熱量。綜合考慮工藝設備排除余熱的方式和車站夏季空調制冷系統形式，采用熱回收型風冷熱泵機組對余熱進行回收并用于供暖的技術方案，是合理可行的。

（2）相對于傳統的供暖方案，熱回收型風冷熱泵機組方案增加的初投資較小，又能兼顧空調期供冷，具有系統形式簡單、控制簡便、節能效果好、投資回收期短等優點，與當前國家全面推進實現“雙碳”目標的宏觀政策背景契合，是一種值得推廣應用的技術方案。