地铁车站采用复合地源热泵系统的节能潜力分析

廖凯

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



地铁车站采用复合地源热泵系统的节能潜力分析

廖凯

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要:我国大部分地区地铁车站仅在夏季设置空调系统供冷，冬季不供暖。在运用土壤源热泵系统时，会造成土壤热积累，运行效率逐年下降。冷却塔复合式地源热泵能够在冬季将土壤夏季积累的热量排出，保持土壤冷热负荷相等，从而提高地铁车站空调系统夏季运行能效。通过计算地铁车站夏季空调负荷，对采用复合式地源热泵系统的节能潜力进行分析。结果表明，采用该系统能够有效减少地铁车站空调系统能耗，达到节能效果。

关键词:地铁;地源热泵;冷却塔;土壤蓄热

1　概述

由于地源热泵系统利用岩土体为冷、热源，该类冷热源相比于空气具有冬季温度高，夏季温度低的特点，因此地源热泵机组相比于冷水机组、空气源热泵机组具有更高的COP值［1］，能够实现节能的目的。但是由于其利用土壤取热、排热，而土壤自身散热能力较差，该系统应用需满足全年冷热负荷平衡的设计原则。由于地铁车站多为地下站，站内温度基本不受地面温度影响，且土壤周围温度较恒定，加之地铁内车辆设备散热较多，冬季无需供冷便能保持车站内较高的环境温度;只有在东北地区，由于新风引入，产生部分热负荷，但一般也不需要进行集中供暖［2］。因此，地铁环控系统大多只需夏季向地铁站提供冷量，冬季换气通风，不需要向系统供热。因此违背了地源热泵系统的设计原则，为此使得地源热泵系统尚未在地铁车站广泛应用。为此，本文对地铁空调系统采用冷却塔与地源热泵相结合的复合冷源系统进行节能潜力理论分析。

2　复合地源热泵

地源热泵具有诸多优势，例如:土壤温度全年波动较小且数值相对稳定，热泵机组季节性能系数具有恒温热源热泵的特性，使得地源热泵比传统的空调运行效率高，节能效果明显［3］;土壤具有良好的蓄热性能，夏季放入土壤中的热量可以在冬季自然补偿;地埋管换热器在地下放热，减少了空调系统对地面空气的热污染。虽然地源热泵具有上述优点，但是也存在诸多限制，例如:地埋管换热器的换热性能受土壤影响较大，长期连续运行时，热泵的冷凝温度受土壤温度升高影响，导致机组运行效率降低［4］;由于地埋管换热器的换热性能受土壤的热物性参数影响较大，当土壤热导率小，换热量较大时，需要地埋管换热器的占地面积较大。地源热泵上述限制条件使得该系统在地铁车站中的应用受到限制。

为克服上述缺点，采用地源热泵提高地铁车站空调系统运行效率，复合式地源热泵应运而生。对于地铁车站这种只需夏季供冷的建筑，可利用土壤在冬季储存冷量，夏季提高地源热泵运行效率。其原理如图1所示，冬季时，热泵机组不运行，只开启冷却塔、冷却水循环泵以及截止阀2和4，向环境中释放夏季存储的热量，进一步降低地埋管周边土壤温度，实现土壤蓄冷。夏季运行时，当环境温度较低时，可以开启阀1和3，用冷却塔排热;环境温度高于土壤温度时，开启阀1、4、5，采用地埋管换热器向土壤释放热量。

图1　冷却塔复合地源热泵

3　地铁车站夏季冷负荷分析

由于地铁车站是地下建筑，除了出入口和通风口与大气联通外，基本可认为地铁是一个密闭环境。然而地铁运行时消耗大量的电能转变为热能;其周围土壤通过围护结构的渗透水以及乘客散发的热、湿量，都会成为地铁车站的空调负荷［5］。此外，为保证车站内人员新风量，必须补充足够的新鲜空气，因此产生了新风负荷［6］。综上可知，地铁车站的空调负荷主要由以下几部分构成。

(1)人员负荷:指站内乘客的全热散热量，主要受逐时客流量的影响，一般设计按远期客流预测计算

式中，Qp为乘客产生的逐时负荷，W; np为车站客流，per/h;τp为乘客在车站停留时间，min; qp为乘客散发全热，W/hper，通常取163.8 W/hper。

(2)照明及设备负荷:一般包括自动扶梯、垂直电梯产热，自动售检票设备、广告灯箱、指示牌产热，机房设备产热等。照明灯具与广告照明一般分别设计为:13 W/m2，2×24 kW/站，需要系数分别为0.9和1.0;垂直电梯的产热量通常为22 kW/台，在站厅与站台的产热量通常按照1∶1分配。自动扶梯产热量根据提升高度不同，产热量从7.5～18.5 kW不等;自动售检票设备产热量单台产热量在250～400 W之间，不同车站依据设备数量进行计算;通信设备散热量通常按照每站6 kW计算［7］。

(3)渗透换热负荷:与地面联通的出入口，在地面风环境及车站内车辆运行产生的活塞风影响下，会形成渗透风，从而在出入口产生渗透换热负荷。出入口通道截面，通常以200 W/m2计算，当其通道较长时，也需要按其面积考虑适当修正［8］。

(4)屏蔽门负荷:主要是由屏蔽门传热、屏蔽门关闭时的渗透负荷以及屏蔽门开启时，车站与隧道内的对流换热构成［9］。屏蔽门传热负荷可通过式(2)计算得到

式中，F为屏蔽门与隧道或站台的接触面积，m2; T1为隧道内空气温度，℃; T2为站台内空气温度，℃; a1为站台内空气和屏蔽门站台侧表面的对流换热系数，W/m2; a2为隧道内空气和屏蔽门隧道侧表面的对流换热系数，W/m2;λ为屏蔽门的导热系数，W/m;δ为屏蔽门厚度，m。

(5)漏风负荷:屏蔽门缝隙漏风量，导致了漏风负荷的产生。而屏蔽门打开时，受活塞风影响，隧道内的热空气会从列车尾部的屏蔽门进入站台，站台内的冷空气从车头处的屏蔽门进入隧道内［10］，此部分漏风负荷可采用式(3)、式(4)进行计算［11］

式中，S0为屏蔽门所在支路的阻抗; SCK为屏车站出入口的阻抗; Sstair为站厅通往站台楼梯口阻抗，SPSD为屏蔽门阻抗，单位均为kg/m7。

式中，G为列车停站时轨道排热风量，m3/s; G0为单列列车停站时屏蔽门的漏风量，m3/s; Si为活塞风道所的阻抗，kg/m7。

(6)围护结构的热库效应负荷:由于地铁车站的围护结构被其周围的土壤或岩体包围，产生传热造成了热库效应负荷。通常土壤温度按恒温计算，即把维护结构壁面传热近似为一等温过程计算。一般对于有屏蔽门的地铁车站，该部分负荷可以忽略不计［6］。

(7)新风负荷:通过对乘客所需新风量和屏蔽门漏风所带来新风负荷进行比较，来确定系统新风负荷。采用空调系统时，地铁车站公共区内乘客所需要的新风量不小于12.6 m3/h·人。通过比较，屏蔽门漏风量大于乘客所需新风量，且大于系统总风量的10%。因此确定了系统的新风量为屏蔽门漏风所带来的新风负荷，可按照式(5)计算［11］

式中，Qxf为新风负荷，kJ; n为该时段内发车对数; cp为空气比热，kJ/(kg·K) ;ρ为空气密度，取为1.2 kg/m3; G为每过一趟列车站台通过屏蔽门进入隧道的漏风，m3/s; Tout为该时段内室外的平均温度，Ta为站台空调的设定温度，℃。

依据上述分析，计算成都地铁3个典型车站新风负荷及设计负荷，如表1所示。

表1　车站设计负荷

4　复合地源热泵运行能耗分析

以成都地铁3个车站为例，基于表1数据，计算不同车站一个夏季地源热泵运行造成土壤的累计热量式(6)

该式基于如下假设条件:不考虑新风焓值随时间的变化;不考虑土壤热积累造成热泵机组运行COP下降的问题;忽略输配系统散热造成的排热量。地铁环控系统按照每天运行18 h，则整个空调季累计冷负荷可按式(7)计算

式中，Qsum为夏季累计冷负荷，MJ; Qsumt为夏季土壤累计冷负荷，MJ; COP为热泵机组运行平均值，地源热泵机组全年累计运行效率取5.9; D为夏季工况运行时间，夏季运行工况为5月至10月共183 d。

经计算得青羊宫站、中医大省医院站、沙湾站3个车站全年土壤累计热量及全年累计冷负荷如表2所示。

表2　车站累计冷负荷及土壤累计热量

为说明地铁车站采用地源热泵系统的节能潜力，以传统设计方案电制冷冷水机组进行对比，按照国标《空气调节系统经济运行》推荐全年冷水机组累计运行效率4.5［12］，采用式(8)～式(10)对两种系统全年累计运行耗电量进行计算。

式中，NCP为冷却水泵及冷却塔能耗; WTFcw为冷却水输送系数，按照全年累计工况取25［12］; Nc为冷水机组能耗; Nchiller为冷水系统能耗。

冷却塔复合地源热泵夏季向土壤中排热，而冬季需将土壤中夏季累计的热量排入冷空气中，因此冬季也需运行冷却水系统，从而产生冷却水系统能耗。该部分能耗受冷却塔运行状态影响，与室外湿球温度相关。成都夏季空调设计湿球温度26.4℃，而冬季空调设计干球温度1.2℃，相对湿度84%［13］，可得其湿球温度约为0.5℃;夏季冷却水运行温差一般为5℃，而冬季运行时，由于室外湿球温度(0.5℃)较低，因此冷却水运行温差接近15℃，较大的换热温差使得冷却水运行能耗减少。按照冷却塔冬夏季换热温差，以式(11)估算冬季冷却水系统冷却水输送系数WTFcww，得冷却水输送系数约为75。由此计算冬季冷却水运行能耗Ncpw，继而可得复合地源热泵系统全年运行能耗NHGSHP

式中，Ncpw为冬季冷却水系统的运行能耗; WTFCWW为冷却水冬季运行输送系数;ΔTcw为冷却水夏季运行温差;ΔTcww为冷却水冬季运行温差。经计算成都地铁3个典型车站的冬季运行能耗见表3。

表3　3个典型车站的冬季运行能耗

采用式(8)～式(13)计算得到成都地铁3个典型车站采用传统冷水机组运行方案以及复合地源热泵系统运行方案的全年运行能耗，如表4所示。

表4　3个典型车站的全年运行能耗

经上述分析可知，采用复合地源热泵方案，冷负荷越大的车站其节能量越高。3个车站节能率约为14%，通过公式分析可知，节能率与地源热泵机组COP以及冷却水输送系数WTFCW密切相关。提高机组COP及冷却水输送系数WTFCW，能够有效增加节能率。

实际运行中，由于夏季室外湿球温度较低时，可采用冷却塔排热的运行方案;同时由于土壤具有自恢复能力，冬季排热量会小于夏季累计热量，从而减少冬季冷却水系统运行能耗Ncpw，使得复合系统运行能耗更低。由此可见，冷却塔复合地源热泵系统应用在成都地铁具有较高的节能潜力。另外，随着冬季湿球温度的降低，以及土壤温度的降低，该系统的运行能效将进一步提升，因此可知，该系统应用在我国北方地区将具有更高的节能潜力。

5　结语

通过上述分析可知，成都地铁车站采用冷却塔复合地源热泵系统的冷源方案具有一定的节能潜力。夏季运行时，采用合理的运行方案，降低土壤累计热量，能够进一步提高系统的运行效率。此外，该系统应用在湿球温度及土壤温度更低的我国北方地区，将具有更高的节能潜力。

参考文献:

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Energy-saving Potential Analysis of Hybrid GSHP Applied in Subway Station

LIAO Kai
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043，China)

Abstract:Most subway stations in China are provided with cooling in summer and there is no need for heating in winter.The application of ground source heat pump (GSHP) system causes heat accumulation in soil and GSHP efficiency is declined year after year.In winter，the hybrid GSHP with cooling tower can discharge the accumulated heat in soil in summer，keeping equivalence of cooling load and heating load，and improving the efficiency of the air conditioning system in summer.Energy saving potential of hybrid GSHP system in subway is analyzed based on the calculation of subway station cooling load.The results show that hybrid GSHP system can effectively reduce energy consumption of air conditioning in subway station for more energy saving.

Key words:Subway; GSHP; Cooling tower; Heat accumulation in soil

作者简介:廖凯(1978—)，男，高级工程师，2000年毕业于西南交通大学供热通风与空调工程专业，工学学士，E-mail:307740615@ qq.com。

收稿日期:2015-06-19;修回日期:2015-08-26

文章编号:1004-2954(2016) 03-0152-03

中图分类号:U231+.4

文献标识码:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.031