地鐵車站空調設備分期配置與實施方案的經濟性分析

劉曉亮 楊 卓 黃龍鑫 吳曈凌 闕阿燕 溫敏健 李曉鋒

(1.廈門軌道交通集團有限公司,廈門;2.北京清華同衡規劃設計研究院有限公司,北京;3.清華大學,北京)

0 引言

地鐵車站空調系統負荷存在近期、遠期的差異,而車站空調系統一般根據遠期負荷設計,導致近期設備容量冗余,從而造成初投資浪費和運行能耗增加。余龍清模擬了典型地鐵車站空調季的逐時負荷,發現遠期晚高峰負荷比初期高30%[1]。楊巨瀾提出,車站負荷按遠期客流量計算,但初近期客流量僅為遠期的1/3～1/2,所選的設備容量遠大于初近期負荷,初近期若不采取措施則會產生較大能耗[2]。王麗慧等人對上海地鐵不同運行年限的環控設備進行了測試,發現由于冷水機組按遠期最大負荷選型,初期運行時負荷率偏低,從而COP也偏低,機組能效較差[3]。

不少學者設計了針對性的空調系統方案,以適應地鐵車站的近期、遠期負荷差異。王靜偉等人提出大系統的小新風機、回排風機應按近期、遠期分別配置,避免近期產生無效的新風負荷[4]。董書蕓設計哈爾濱地鐵空調系統時,公共區兩端分別配置多臺排風機,以便于根據負荷進行臺數控制,近期開啟1臺風機,遠期開啟多臺風機,從而提高設備與負荷匹配性,提高風機效率[5]。當前國內已有部分城市的地鐵車站空調系統采用了設備分期配置與實施方案,且已開通運營,如洛陽地鐵1號線,對地鐵車站的冷水機組、水泵、風機等均分別按近期、遠期負荷選型,先采用近期設備,為遠期預留設備安裝位置即可,到遠期時再更換為遠期設備,節省了初投資和運行費用。

然而,采用空調設備分期配置與實施方案(以下簡稱分期方案)時,若地鐵開通運行后迅速到達遠期,會造成按近期負荷選型的設備的初投資浪費。因此,有必要考慮空調負荷高于近期負荷的年份的影響,從全壽命周期的角度對分期方案的經濟性進行定量分析。

因此,本文以夏熱冬暖地區某城市的典型地鐵車站為例,針對空調系統的分期方案,建模進行定量分析,計算分期方案與傳統方案全壽命周期的費用,分析分期方案的經濟性。

1 研究對象簡介

一個城市的地鐵線路在未成網之前,客流增長較為緩慢,直到線路成網,客流會迅速增長。根據《城市軌道交通2020年度統計和分析報告》[6],目前國內存在大量的城市地鐵線路建設不到4條,長期會處于未成網的狀態。本文以此為研究對象,選擇1個典型的地下2層標準站,車站基本信息如表1所示,為地下2層島式車站,列車6節編組,站臺長度120 m。其中,設備用房發熱量根據實測結果取值,低于常規的設計值。根據文獻[7-9]實測的設備用房發熱量也一般小于設計冷負荷,大部分偏差超過50%。文獻[7,9]中實測的設備用房發熱量均約為100 kW,本文的設備用房發熱量取值為97.9 kW,與文獻中的實測結果接近。

2 近期/遠期空調負荷分析

我國南方地區氣候較熱,空調冷負荷較大,南方地區地鐵車站的環控系統能耗占總能耗的50%[10]。因此,空調系統方案的合理性對南方城市地鐵車站的影響更大,本文選取夏熱冬暖地區的氣候條件進行空調負荷的分析。

根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》,地鐵設計年限的初期、近期、遠期分別對應運行后的第3、10、25年。由于初期時間較短,僅有3年,且初期與近期負荷相差較小,故僅考慮近期與遠期的負荷差異,對空調設備進行分期配置與實施。

地鐵車站通風空調系統根據服務區域不同進行劃分,公共區通風空調系統稱為“大系統”,設備管理用房區通風空調系統稱為“小系統”。分別計算地鐵車站近期、遠期的全年逐時負荷,計算方法參考文獻[11]中的計算公式。

地鐵車站的總冷負荷分為大系統冷負荷和小系統冷負荷,計算公式如下:

QV=QVp+QVe

(1)

式中QV為地鐵車站總冷負荷,kW;QVp為大系統冷負荷,kW;QVe為小系統冷負荷,kW。

大系統冷負荷計算公式如下:

QVp=Qpe+Qi+Qps+Qfp+Qmp+Qdp

(2)

式中Qpe為人員散熱量,kW;Qi為無組織滲風得熱量,kW;Qps為屏蔽門傳熱量,kW;Qfp為大系統風機溫升散熱量,kW;Qmp為大系統機械新風負荷,kW;Qdp為大系統設備散熱量,kW。

小系統冷負荷計算公式如下:

QVe=Qfe+Qme+Qde

(3)

式中Qfe為小系統風機溫升散熱量,kW;Qme為小系統機械新風負荷,kW;Qde為小系統設備散熱和設備用房照明散熱量,kW。

由于近期、遠期的客流量和發車對數等不同,公共區大系統的冷負荷在近期、遠期存在差異,相關參數取值如表2所示。對于設備區小系統,根據筆者所在單位對廣州地鐵新、舊線路的現場測試結果,設備用房發熱量在近期、遠期相差較小,因此本文采取保守的計算方法,小系統的近期冷負荷等于遠期冷負荷。

表2 模擬參數取值

計算車站的全年逐時冷負荷,得到近期、遠期的峰值冷負荷分別為520、770 kW,近期、遠期的全年累計負荷分別為54.3萬、72.7萬kW·h。車站全年逐時冷負荷分布如圖1所示,0～200 kW的負荷主要為夜間只有設備區小系統運行時的負荷;公共區大系統運行時,遠期負荷主要集中在300～500 kW之間,近期負荷主要集中在200～400 kW之間。因此,若按照遠期設計負荷來選型,近期時空調系統設備會長期運行在相對低負載率的狀態。

圖1 車站全年逐時冷負荷分布

3 分期配置與實施方案設計

本文選擇的典型地鐵車站的空調方案是目前國內地鐵普遍采用的通風空調系統方案[12-14],即公共區、設備用房共用1套常規螺桿式冷水機組,末端風系統采用組合式空調機組。因此,在此基礎上設計了1套分期方案,具體設備選型見表3。

表3 分期方案與傳統方案的空調系統設備選型

分期方案設計和設備選型的主要原則如下:

1) 空調水管、風管均按遠期水量、遠期風量設計選取;

2) 冷水機組、水泵、冷卻塔、空調風機、回排風機等設備按照近期、遠期負荷分別選取;

3) 設備性能按照國家相關標準的性能要求限值,統一設備性能的對比基準,如冷水機組性能按照滿足GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》中的性能要求限值選取。

這樣設計的優勢為:從設備更換和改造的角度,遠期只需更換機房設備,無需拆改管線,對公共區裝修和正常運營造成的影響較小;從風機水泵功率配置的角度,由于管網按遠期選型,近期在水泵低流量、風機低風量的情況下,水系統和風系統阻力均較小,風機水泵類設備的額定功率相較于遠期降低了50%～70%。

4 能耗計算

4.1 計算方法

根據全年逐時負荷計算地鐵車站空調系統全年逐時能耗,最后求和獲得全年總能耗。地鐵車站空調系統能耗包括冷水機組能耗、冷水泵能耗、冷卻水泵能耗、冷卻塔能耗、空調末端風機能耗。

冷水機組能耗Ech的計算公式如下:

(4)

ηi=ηIηD

(5)

式(4)、(5)中QVi為車站空調系統第ih的冷負荷,kW;ηi為冷水機組第ih的性能系數,將冷水機組的性能系數拆分為外部性能系數和內部性能系數,拆分方法參考文獻[15];τchi為冷水機組第ih的運行時間,h;ηI為外部性能系數,與室外濕球溫度、冷水出水溫度相關;ηD為內部性能系數,與冷水機組負載率相關,通過檢測報告中冷水機組負載率分別為25%、50%、75%、100%時的4個ηD的數值,擬合出ηD與冷水機組負載率的關系曲線。

按照設計方案,冷水泵定頻運行,開啟臺數由冷水機組開啟臺數決定。冷卻水泵的計算方法與冷水泵相同。冷水泵能耗Ecp的計算公式如下:

(6)

式中Pcp為冷水泵的額定功率,kW;ncpi為冷水泵第ih的開啟臺數,根據逐時冷負荷與冷水機組額定冷量決定;τcpi為冷水泵第ih的運行時間,h。

按照設計方案,冷卻塔定頻運行,冷卻塔能耗Ect的計算公式如下:

(7)

式中Pct為冷卻塔的額定功率,kW;ncti為冷卻塔第ih的開啟臺數;τcti為冷卻塔第ih的運行時間,h。

公共區大系統空調箱送風機和回排風機變頻運行,空調工況小新風機定頻運行,它們的總能耗Etp的計算公式如下:

(8)

式中Pts、Pth、Ptx分別為大系統空調箱送風機、回排風機、小新風機的額定功率,kW;fi為第ih空調箱風機的頻率,根據逐時冷負荷和空調箱額定冷量確定;α為風機功率與頻率的次方關系,結合測試經驗數據取2.3;τtsi、τthi、τtxi分別為空調箱送風機、回排風機、小新風機第ih的運行時間,h。

空調箱送風機、回排風機的變頻下限為30 Hz。

設備區小系統空調箱送風機和回排風機定頻運行,計算方法同冷卻塔。

4.2 計算結果

根據近期的全年逐時負荷,計算傳統方案與分期方案的全年逐時能耗及全年總運行能耗。

由于地鐵車站空調系統日間(地鐵運行時間06:00—24:00)運行情況和夜間(地鐵停運時間00:00—06:00)運行情況有較大區別,因此對比了2種方案日間和夜間的能耗差異。圖2顯示了2種方案在典型日(室外溫度和室內條件接近設計工況)的日間和夜間的各分項能耗拆分結果。分期方案與傳統方案相比,日間節能率為34.1%,夜間的節能率為40.9%。可以看出:日間的主要節能量是由冷水機組、冷水泵/冷卻水泵、大系統風機產生的;而在夜間僅有小系統運行時,主要節能量則是由冷水機組、冷水泵/冷卻水泵產生的。冷水機組的節能主要是由于分期方案的冷水機組容量更小,緩解了冷水機組的“大馬拉小車”問題。冷水泵/冷卻水泵的節能主要是由于分期方案的設計額定功率更小。大系統風機的節能主要是由于分期方案的風機可以變頻到更小的風量。

圖2 近期時傳統方案和分期方案車站 空調季典型日能耗拆分對比

圖3顯示了全年逐月能耗,可以看出,分期方案的月能耗均低于傳統方案,且空調季節能潛力較大。圖4顯示了2種方案在通風季(1—4、11—12月)和空調季(5—10月)的累計能耗拆分,可以看出:空調季主要節能量是由冷水機組、冷水泵/冷卻水泵、大系統風機產生的,總節能率為20.4%;而通風季由于小系統風機未分期配置,僅有大系統風機由于分期方案的選型較小而提供了少許節能量,總節能率為10.1%。

圖3 近期時傳統方案和分期方案車站全年逐月能耗對比

圖4 近期時傳統方案和分期方案車站在通風季 與空調季累計能耗拆分對比

在近期負荷下,傳統方案全年總能耗為39.3萬kW·h,分期方案全年總能耗為31.8萬kW·h,比傳統方案減少了7.5萬kW·h能耗,節能率約19.1%。根據中國區域電網基準線排放因子,本文的地鐵車站位于南方區域,排放因子為0.804 2 t/(MW·h),計算得到采用分期方案近期運行第1年可減少60.2 t的CO2排放。

5 全壽命周期經濟性分析

5.1 初投資

根據調研,空調設備初投資估算如表4所示。初投資包括設備費和人工費。人工費包含安裝、調試、拆改費用等。風系統、水系統的管網均按遠期配置,因此其造價部分完全相同,不納入計算。設備價格參考文獻[4,16-19]中的設備初投資數據,如表4所示。

表4 空調設備造價概算

空調設備初投資估算結果如表5所示,由于冷水機組、水泵、冷卻塔等設備的初投資均按照近期、遠期的設備容量估算,近期設備容量相對于遠期設備較小,因此近期設備的初投資節約了36.52萬元(31.2%)。

表5 空調設備初投資估算 萬元

5.2 全壽命周期費用

圖5為傳統方案與分期方案的設備投放示意圖。空調設備的壽命一般為15 a,按照每15 a必須更換一次設備計算。傳統方案采用遠期設備,每15 a更換一次遠期設備。分期方案先采用近期設備,在空調負荷高于近期負荷時更換成遠期設備,后續同樣是每15 a更換一次遠期設備。無論是分期方案還是直接按遠期設計的方案,每次更換設備的費用是接近的,因此主要的差別聚焦在第1次使用期間。

圖5 傳統方案與分期方案的設備投放示意圖

若空調負荷高于近期負荷的年份超過15 a,則分期方案的近期設備使用15 a后,直接更換為遠期設備,此時,分期方案的初投資和運行能耗均小于傳統方案,分期方案的經濟性更優。若空調負荷高于近期負荷的年份短于等于15 a,則分期方案的近期設備在尚未到使用壽命就被更換,造成了初投資的浪費,此時則有必要對分期方案的經濟性進行分析。

經濟性分析需要計算對比分期方案和傳統方案的總費用。總費用的計算方法應為每年的設備折舊費加上每年的運行能耗費用,計算公式如下:

(9)

式中C為分期方案全壽命周期的總費用,元;n為臨界年份(空調負荷高于近期負荷的年份),a,則n-1為分期方案的近期設備使用年限;Csi為第i年的設備折舊費,元,為了簡化,考慮設備到達年限后直接拆除,沒有殘值,按照初投資除以設備使用年限計算;CEi為第i年的全年運行能耗,kW·h,根據本文第4章計算,考慮設備能效的衰減,認為設備投入運行的第1年為高效,按照往后每年由于設備效率衰減導致的年運行能耗上升為2%～5%,取3%估算;pE為當地電價,元/(kW·h),取0.57元/(kW·h)。

按照本文計算方法,計算不同臨界年份下,分期方案的全壽命周期總費用,傳統方案采用相同的計算方法可以得到相同運行年限下的總費用,如圖6所示。該計算方法考慮了設備使用年限不同的因素,比過去相關研究僅考慮總初投資和運行能耗費用差異的分析方法更全面。

圖6 不同臨界年份下分期方案和傳統方案總費用對比

圖7顯示了不同臨界年份下分期方案比傳統方案節約費用的對比。可以看出:當臨界年份為第8年或更長時,分期方案的經濟性更優;當臨界年份為第16年或更長時,分期方案節約的費用最高,分期方案的總費用為417.9萬元(見圖6),傳統方案的總費用為533.8萬元,分期方案比傳統方案節約了115.9萬元(21.7%)。

圖7 不同臨界年份下分期方案比傳統方案節約費用的對比

上述計算選取的是夏熱冬暖地區的典型車站。在空調設備選型相同,即初投資相同的前提下,相比于國內其他氣候區,由于夏熱冬暖地區空調季最長,因此采用分期方案的節能率最高。即綜合來看,相比于國內其他氣候區,夏熱冬暖地區采用分期方案的經濟性最優。夏熱冬暖地區的典型地鐵車站,臨界年份為第8年或更長時才適合采用分期方案。對于國內其他氣候區,則需要臨界年份更長才適合采用分期方案。

6 結論

國內地鐵車站空調系統普遍根據遠期負荷設計,導致近期時設備容量冗余、能耗偏高。因此,可采用近期、遠期設備分期配置與實施的方案。而采用該方案時若地鐵開通后迅速到達遠期,會造成近期設備的初投資浪費。因此,有必要考慮空調負荷高于近期負荷的年份的影響,從全壽命周期的角度對分期方案的經濟性進行定量分析。本文針對常規螺桿機組的空調方案,建模計算對比了分期方案和傳統方案全壽命周期的費用,結論如下:

1) 近期時,分期方案全年總能耗為31.8萬kW·h,比傳統方案減少了7.5萬kW·h,節能率達到19.1%,折合碳排放可減排CO260.2 t。

2) 分期方案與傳統方案相比,主要節能量由冷水機組、冷水泵/冷卻水泵、大系統風機產生,且空調季節能率為20.4%,高于通風季。

3) 分期方案的近期設備比傳統方案的遠期設備節約初投資36.52萬元,主要由于近期設備容量選型較小。

4) 對于夏熱冬暖地區的地鐵標準車站,當空調負荷高于近期負荷的年份為第8年或更長時,分期方案的經濟性更優;對于國內其他氣候區,則需要空調負荷高于近期負荷的年份更長,才適合采用分期方案。

綜上,本文考慮了空調負荷高于近期負荷的年份因素,將設備初投資按照實際使用時間折舊的方式考慮到總成本中,比過去相關研究僅考慮總初投資和運行能耗費用差異的分析方法更全面。研究結果可以為同類氣候區標準地鐵車站是否采用分期方案提供參考,國內其他氣候區的地鐵車站也可以采用該計算方法來定量分析采用分期方案的經濟性。