地铁车站空调系统模式及能耗分析*

李 峰 郑林涛

(1.广州大学土木工程学院,510006,广州； 2.华南理工大学建筑学院，510640，广州//第一作者,高级工程师)

地铁车站空调系统模式及能耗分析*

李 峰1郑林涛2

(1.广州大学土木工程学院,510006,广州； 2.华南理工大学建筑学院，510640，广州//第一作者,高级工程师)

提出了一种地铁车站温湿度独立控制空调系统方案,分析了车站应用全空气空调系统、空气-水空调系统与温湿度独立控制空调系统等三种模式的热工性能。以广州地铁某车站工程为例,模拟计算了三种空调系统的全年能耗。结果表明,温湿度独立控制空调系统相比常规空调系统的节能率达24.37%,是值得推广的一种车站空调系统模式。

地铁车站; 空调系统; 能耗计算

First-author′s address Guangzhou University,510006,Guangzhou,China

城市轨道交通的运行能耗总量相当惊人。如何大幅降低其运行能耗,已成为我国城市轨道交通可持续发展中必须解决的重要问题之一。

地铁通风空调系统的能耗约占运行总能耗的 50%[1-3],其中车站通风空调系统能耗占了相当大的比例。在经过多年的地铁车站空调系统设计、运营技术经验积累后,车站空调系统的模式逐渐成熟及固定,但这种常规空调系统模式有进一步优化改进的空间。

本文通过对地铁车站通风空调典型系统模式进行分析,从实现功能、节能的角度,提出在车站应用温湿度独立控制空调系统,并对比常规空调系统,采用仿真分析计算空调系统及冷源的全年能耗。

1 系统模式

1.1 常规空调系统

车站通风空调系统由车站公共区空调通风和防排烟系统(简称大系统)、车站管理及设备用房空调通风和防排烟系统(简称小系统)、车站空调冷源水系统(简称水系统)等组成。

常规大、小系统主要采用一次回风全空气系统,空调冷源采用水冷冷水机组,空调末端设备为组合式空调机组及风机盘管,7 ℃/12 ℃的空调冷水作为系统中间载冷剂由冷水泵输送至末端空调设备,由水冷表面式空气冷却器处理室内余热余湿。常规空调系统如图1所示。

图1 地铁车站常规空调系统

车站公共区一次回风全空气系统，即回风和新风混合在空调箱中进行集中处理后,再通过风管送入车站公共区,空调机组承担车站公共区负荷和新风负荷。其特点是采用冷凝除湿的方法,将被处理空气处理至低于室内露点温度(也必然低于室内干球温度),进行热湿联合处理,同时去除区域内的余热和余湿。

1.2 空气-水空调系统

地铁车站内热环境控制的换热媒介有三种,分别是空气、水、制冷剂。如用空气循环处理,则温差10 ℃的1 m3/h空气可带走12 kJ热量;而用水循环处理,温差5 ℃的0.1 m3/h水可带走2 090 kJ热量,故输送相同的热量,所需水量远小于风量(按体积计)。另外,地铁车站呈狭长平面,冷水机组设置在端头,与全空气系统相比,从能量输配的角度看，空气-水系统将空气处理设备化整为零,冷水管途经公共区时“就地”取冷处理热湿空气,无“空跑”,可最大限度地减少风侧、水侧二次输配能耗及简化系统设备。另外,空气-水系统末端设备不需设置挡水段和消声段,阀门、弯头、三通等管件少,可使空气侧阻力进一步减小。车站空气-水空调系统如图2所示。

图2 车站空气-水空调系统

对于车站小系统而言,设备用房的空调运行时间长,采用空气-水系统在空调季的节能潜力更大。空调水管可布置于走道而不接进机房,电气安全有保障。

1.3 温湿度独立控制空调系统

空调系统承担着排除室内余热、余湿、CO2与异味的任务。由于排除室内余湿与排除CO2、异味所需要的新风量与变化趋势一致,故可通过新风同时满足排余湿、CO2、异昧的要求。排除室内余热则通过其他的系统(独立的温度控制方式)实现。即可用较高温度的冷源实现排除余热。温湿度独立控制空调系统中,通常采用温度与湿度两套独立的空调控制系统(即双冷源)分别控制、调节室内的温度与湿度,从而避免了热湿联合处理所带来的冷量损失。地铁车站温湿度独立控制空调系统原理如图3所示。

图3 地铁车站温湿度独立控制空调系统

车站公共区的显热可以用高温冷水机组解决,从而实现很高的压缩机性能系数(COP)。以某磁浮变频离心式高温冷水机组为例，出水温度14～18℃，COP可达到8以上。即组合式空调机组的表冷器采用冷水温度为18 ℃/23 ℃,高温冷水机组的进出水温度为18 ℃/25 ℃，车站公共区的新风量仅为总通风换气量的10%～20%,可单独处理到低温、干燥状态,同时解决地下空间排湿。新风机组为直膨机组(冷媒直接蒸发制冷水冷却空调机组),新风机组的冷却水与空调箱表冷器冷却水管路为串联,新风机组冷却水进出水温度为23 ℃/28 ℃,低于冷媒机组进出水温度额定工况30 ℃/35 ℃,故降低新风压缩机的冷凝温度可提高新风机的能效比。试验水冷新风机组的性能曲线见图4,其COP可提高约20%。

图4 新风机组冷却水温与制冷COP的关系

对车站小系统而言,除管理用房有人员外,设备用房很少有人员,其室内冷负荷主要由显热冷负荷构成,因此采用高温冷水机组可大幅提高机组的能效比。

图3中,高温冷水系统的总温差为7 ℃,组合式空调箱及新风机的冷水温差为5 ℃,冷水环路为串联,中间有一旁通混水过程,其冷负荷的调节及水温差的控制算法为PID(比例积分微分)调节。由于温差控制不能及时反映冷负荷的变化,水温度变化总是滞后于室内冷负荷变化,要达到系统要求的两个串联温差及一个混水温度控制,会使控制系统运算复杂、控制环节较多、成本较大。这是该系统的不足之处。

2 空调系统全年能耗计算

车站空调系统中,主要耗能设备为冷水机组、空调末端设备柜机及风机盘管、水泵、冷却塔。空调系统的能耗模拟采用顺序模拟法,其中冷源设备的能耗模拟是关键。首先,计算车站的全年空调冷负荷；然后,对冷源设备采用回归模型,通过设备厂家提供的性能数据分析回归得到设备性能曲线，建立数学模型,利用Matlab/Simulink软件进行能耗仿真计算,计算步长为1 h,计算分析冷源设备的运行特性与能耗[4-5]。限于篇幅,水泵及冷却塔的能耗模拟计算不再赘述。

2.1 全年逐时冷负荷计算

采用DeST—c软件模拟计算广州地铁某车站大小空调系统全年逐时冷负荷。表1列出了计算全年冷负荷所设定的设备、人员和照明值。表2为地铁站空调系统冷负荷率对应的运行时间统计。图5为地铁站大小空调系统全年逐时冷负荷。

表1 地铁站内负荷计算的设备、人员和照明设定值

表2 车站冷负荷率对应的运行时间统计表

图5 广州某地铁站空调系统全年逐时冷负荷

2.2 冷水机组能耗模型的建立

鉴于冷水机组的复杂性,本文利用EnergyPlus软件自带的性能曲线来建立冷水机组的数学模型。该建模法的特点是不需要去分析冷水机组的复杂原理,只需要根据机组的实际运行结果对多项式的参数进行拟合计算。冷水机组的性能曲线采用冷水螺杆机组的性能曲线,主要包括冷量随温度变化的曲线、EIR(COP的倒数)随温度变化的曲线和部分负荷率的EIR曲线[4-6]。由某型冷水螺杆机测试性能参数(见表3)进行回归分析模拟。

表3 某型冷水螺杆机组设备参数

(1) 冷量随温度变化的性能曲线。数学回归模型如下:

(1)

式中:

f1——制冷量系数,额定工况下等于1;

Tcw,j——冷冻水出水温度;

Tcond,c——冷却水进水温度,即冷凝器入口水温;

a,b,c,d,e,f——拟合所得系数。

(2) EIR随温度变化的性能曲线。EIR定义为 COP 的倒数,即耗功率与制冷量的比值。EIR 性能曲线公式f2与式(1)相同，但拟合所得系数a～f与f1不同，f2表示了任意工况下,冷却水、冷冻水温与EIP的关系。

(3) 部分负荷率的EIR性能曲线。为了方便优化,EnergyPlus[6]把耗功率与制冷量的比例因子与部分负荷率RPL之间的关系定义为:

(2)

其中RPL=Q/Qavail;

(3)

式中：

f3——EIR部分负荷系数;

Q——实际负荷；

Qavail——额定工况下的负荷。

根据以上3条性能曲线,得到冷水机组任意工况下的耗功率曲线函数,即冷水机组耗功率的数学模型为:

(4)

式中:

Pchiller——冷水机组耗功率;

CP,ref——冷水机组额定功率下的COP;

Pref——冷水机组额定工况下的输入功率。

对于水冷式螺杆机组,冷冻水供水温度取7 ℃,回水温度取12 ℃,COP按设备额定工况下取值4.04。对于高温水冷式螺杆机组,冷冻水供水温度取18 ℃,回水温度取26 ℃,COP值取7.5。

地铁车站常规空调大、小系统均采用全空气系统,空调末端为柜式空调机,采用变风量运行;空气-水空调大、小系统均采用新风系统+风机盘管系统,空调末端为风机盘管;地铁车站温湿度独立控制空调大系统采用组合式柜机处理全空气系统+新风系统,小系统采用新风系统+干式风机盘管。三种空调系统的全年运行能耗比较见表4。

表4 广州地铁某车站三种空调系统的全年能耗统计表 万kWh

3 结论

三种空调系统在地铁公共区中应用都能满足使用要求,但其能耗高低不一。以往认为空气-水系统比全空气系统节能高很多,但现在大系统空调柜机都采用变风量运行,风机能耗大幅减少,因此空气-水系统节能优势不明显。设备管理用房需考虑过渡季节的排热降温,保留通风降温功能是必要的,尤其是一些北方地区。

从能耗角度分析,温湿度独立控制空调系统具有节能优势,其与全空气系统相比全年节能24.37%,而空气-水系统与全空气系统相比节能6.53%。按工程概算，空气-水系统的投资费用最少,全空气系统投资最大,温湿度独立控制空调系统的投资介于二者之间。

[1] 董志周,吴喜平.地铁车站热环境分析[J].上海节能,2003(5):36-37.

[2] 朱建章.浅谈地铁环控设计[C]∥中国勘察设计协会.中国勘察设计协会建筑环境与设备专业委员会第2届技术交流大会记文汇编.长沙：中国勘察设计协会,2007,37:349-352.

[3] 杨昭,马锋.地铁新环控系统可行性分析及性能优[J].天津大学学报,2012(3):268-271.

[4] 孟华,龙惟定,王盛卫.适用于系统仿真的冷却塔模型及其实验验证[J].暖通空调,2004,34(7):1-5.

[5] 黄艳山.空调水系统动态优化仿真研究[D].广州:广州大学,2012.

[6] The US Department of Energy.Energy Plus V2.0 Manual [EB/OL].[2016-03-31].https://www. Energyplus .net/downloads.

Application of Metro Station Air Conditioning Mode and Analysis of Its Energy Consumption

LI Feng, ZHENG Lintao

In this paper, a solution of independent temperature/humidity control air conditioning system is proposed, three thermal performance functionsare analyzed: the station all-air air conditioning system, the air-water air conditioning system and the independent temperature-humidity control air conditioning system. Taking a practical engineering program at Guangzhou metro station as example, the annual energy consumption of the three air conditioning systems are simulated respectively. It is concluded that the independent temperature-humidity control air conditioning system has higher potential because its energy saving rate is 24.37% higher than the conventional air conditioning systems adopted in Guangzhou metro, therefore it is worth promoting.

metro station; air conditioning system; energy consumption calculation

*广东省重大科技专项资助项目(2013A011402002)

TU 831.3+5: U231.4

10.16037/j.1007-869x.2017.01.009

2016-03-31)