火車站能源供應優化方案

彭 濤,屈 茹

(西安交通工程學院,西安 710300)

火車站是一個高度集約化的場所,其能源消耗主要集中在照明、空調、供暖、列車運行等方面。能源供應主要依賴于傳統的化石能源,如煤炭、石油等,不僅存在能源資源有限、價格波動大的問題,還會帶來大量的排放及環境污染[1],因此尋求一種更加可持續、高效的火車站能源供應方案尤為迫切。太陽能、風能等可再生能源具有資源豐富、清潔等特點,可有效減少能源消耗,降低對環境的影響[2]。借助能源儲存技術可更好地解決可再生能源的間歇性和不穩定性問題,保障火車站能源供應的穩定性和可靠性。但目前針對火車站能源供應的優化方案研究有限,尤其是對實際應用的探索和實踐相對較少[3],本研究可為火車站能源供應的優化提供理論支持和實踐指導,為推動城市能源轉型及可持續發展奠定基礎。

1 火車站能源供應框架建模

1.1 建筑特點

火車站是城市的交通樞紐,包括候車大廳、售票大廳、站臺等與列車運行相關的功能區域,還可能包括商業設施、辦公區域、停車場等配套設施,以滿足廣泛的服務需求[4]。為了容納大量的旅客和列車,在空間設計方面,采用大空間設計,候車大廳、站臺等區域設有高大的天花板及寬敞的空間,為旅客提供舒適的候車及乘車體驗。火車站建筑往往設有多個出入口及通道,與周邊的地鐵、公交、出租車等交通工具銜接緊密,方便旅客進出。具體內部結構以火車站一層和二層為例,如圖1、圖2所示[5]。

圖1 車站一層平面圖Fig.1 Plan of the ground floor of the station

圖2 車站二層平面圖Fig.2 Plan of the second floor of the station

可以看出,在火車站能源供應和負載消耗方面主要分為集散大廳和辦公區等部分,需對其進行研究,以優化改進能耗及能源利用。

1.2 能量供應系統

火車站的電能供應流程復雜精密,旨在確保各個區域及設備的正常運行,其能量供應系統框架如圖3所示[6]。

圖3 火車站能量供應系統Fig.3 Station energy supply system

由圖3可知,能量供應系統主要分為天然氣、冷能、熱能、電能等方面。天然氣主要向燃氣輪機和燃氣鍋爐進行能量供應。電網電能的主要供應對象為電鍋爐、電熱泵、電制冷機、冰蓄冷和蓄電池,并通過相關電能變換器直接向車站供能。冷能供應主要由吸收式制冷機、電制冷機和冰蓄冷等部分組成,用于火車站的溫度控制。熱能則由燃氣輪機通過余熱回收后向換熱器、電熱泵進行熱量供應,電鍋爐、燃氣鍋爐也可提供相應的能量。故此,在火車站能源供應優化方案設計中,可針對相應負載消耗及能源來源進行分析。

2 火車站能源消耗

2.1 用電量分析

火車站用電量分析主要通過繪制日負荷曲線或根據供電公司的電費繳費單來進行,前者需要的計算量和工作量非常大,故采用后者對近一年的車站用電情況進行分析。我國某車站的各月份用電量數據如表1所示[7]。

表1 各月份分時段的用電量

從表1可知,火車站用電總量為395 000 kWh,平均日用電量為1082.19 kWh,用電量最大的時間段為高峰時段和平段。

2.2 燃氣輪機熱力模型

燃氣輪機是火車站常用的能源供應設備之一,其性能直接影響著能源的利用效率。通過研究燃氣輪機熱力模型可以優化燃氣輪機的設計和運行參數,提高其能源利用率,從而降低能源的消耗成本。熱力模型推導式為(1)～(8)。

Wmax=Co0+Co1·t+Co2·t2+Co3·t3

(1)

(2)

texh,1=a1·plr+b1

(3)

mexh=a2·plr+b2

(4)

B=a3·plr+b3

(5)

Qexh=(texh,1-texh,2)·mexh·Cp,exh

(6)

W=Wmax·plr

(7)

(8)

其中,Wmax為最大發電量,Co為環境溫度系數,t為環境溫度,plr為部分負荷率,Wload為建筑電負荷,texh,1為煙氣溫度,a1和b1為排煙流量系數,mexh為煙氣流量,a2和b2為耗氣量系數,B為耗氣量,a3和b3為排煙溫度系數,Qexh為煙氣余熱,texh,2為余熱利用后的排煙溫度,Cp,exh為煙氣比熱容,W為發電量,eff為發電效率,QL為天然氣低位熱值。從推導過程可以看出,燃氣輪機的熱力模型主要與環境溫度、煙氣余熱利用量及發電效率有關。要想對能源供應進行優化設計,需對燃氣輪機的發電和耗量進行研究。

2.3 以電定熱的能源優化策略

以電定熱模式是將電能作為主要的能源供應方式,包括電能供應、加熱設備運行、溫度調節及能源利用效率等,通過電力供應系統從城市電網或專用電網中獲取電能,利用電能驅動加熱設備,如電暖氣、電熱水器等,將電能轉化為熱能,為建筑內部提供供暖和熱水服務,通過控制加熱設備的運行狀態調節室內溫度,達到舒適水平。為了提高能源的利用效率,通常采取節能措施,如優化加熱設備的設計、改善建筑保溫性能等。其對應的熱電需求比和能耗數據如表2所示。

表2 以電定熱模式下能源系統的消耗

2.4 以熱定電的能源優化策略

以熱定電模式基于熱能驅動供熱設備,將熱能轉化為電能,利用熱泵、余熱回收系統等供熱設備將環境中的熱能提取并轉化為供暖或熱水,再將熱能通過熱電轉換技術轉化為電能,供火車站內部設施及設備的使用。該模式的運行主要分為熱能提取與轉化、熱能利用、熱能轉換及電能回饋等部分。在熱能提取中,設備可從空氣、水源或地下地熱等溫度較高的介質中吸收熱能,將其轉化為高溫熱水或熱氣體,滿足火車站內部的供暖和熱水需求。在供電方面,通過熱電轉換技術、熱電偶、熱電發電機設備等將熱能轉化為電能,利用溫差效應將熱能轉化為電能,并將轉化得到的電能饋回到電力系統中用于供電設備、照明、電子設備等,其消耗數據如表3所示。

表3 以熱定電模式下能源系統的消耗

2.5 能源優化策略評價

以電定熱和以熱定電兩種模式都有各自適用的情況,但隨著熱電需求比的變化,能源系統的消耗會隨之改變,模式性能也會受到影響。經過對比發現,在大多數情況下尤其是熱電需求比大于1.3的情況下,以電定熱的模式能夠更好地提高一次能源利用效率及節約率,走勢圖如圖4所示。

圖4 不同模式下一次能源節約率分析Fig.4 Analysis of the primary energy saving rate under different modes

3 結束語

對火車站的地理位置及結構進行研究,以火車站一層和二層作為內部結構的研究對象,針對供應和輸送方式展開能源供應方案分析,將以電定熱和以熱定電方式進行數據對比。結果表明,以電定熱模式能夠在大多數情況下提高一次能源效率及節約率,尤其是熱點需求比大于1.3時,以電定熱模式的性能更為突出。結合火車站的實際情況,考慮到電能和天然氣的消耗,以電定熱模式更適合火車站的能源供應優化。