地铁站环控系统能耗与影响因素的分析

齐 洁，王春青*，常 利，潘 嵩，吴小芳，于 薇，王昊昱，卞彩侠

1吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118 2马来亚大学 工程学院,吉隆坡 50603 3绿色建筑环境与节能技术 北京重点实验室,北京 100124 4北华航天工业学院 建筑工程学院,河北,廊坊 065000 5北方工业大学 土木工程学院,北京 100144 6长春建筑学院,长春 130607

0 引言

随着社会的发展,城市轨道交通因其便捷高速的特点逐渐成为公共交通运输的主要方式,但同时它的能耗巨大,增长速度也特别快. 一些研究表明,在地铁总能耗中,列车牵引系统能耗和非牵引系统能耗分别占总能耗的50 %和30 %左右[1-3],因此大部分的研究都集中于这两个大系统. 关于列车牵引系统的能耗分析由来已久,且都提出了不同的节能策略[4-6],对于非牵引系统的研究也在逐渐增多.文献[7]对巴塞罗那地铁站非牵引系统进行了分解,并提出了节能建议.文献[8]对广州地铁站的非牵引系统能耗进行了分析,提出了节能措施但并无实际验证.除此之外,还有一些学者对能耗的影响因素进行了研究.文献[9]分析了多个地铁站的能耗及不同因素的影响程度.Leung等[10]人对香港多个地铁站能耗进行了模拟分析,介绍了室外条件、建筑面积等对能耗的影响.文献[11]研究了韩国不同地铁站的能耗现状和趋势.这些研究分析的影响因素主要是一些使用期间不可控的,无法通过即时调节反馈达到节能的目的.因此,在能耗分析方面,本文选择对非牵引系统中的环控系统进行分项能耗分析,较之前的研究更详细；在能耗的影响因素方面,本研究分析了一些可控因素如温湿度、CO2浓度及温差等对能耗的影响,并针对不同季节的影响因素进行重要程度排序.

1 数据介绍

1.1 背景信息

本文以北京地区某地铁站为对象,对其能耗和影响因素进行分析.该站于2011年底投入使用,建筑面积为12 087.81 m2,敷设方式为地下非换乘站.该站共设上下两层,车站的通风空调设备和水系统处理设备集中设置在车站两端的设备管理用房内,该站具体结构如图1所示.

图1 地铁站公共区间结构Fig.1 Common interval structure of the subway station

该站选用屏蔽门系统,主要分析公共区间空调通风系统(大系统)和车站空调水系统的能耗现状,暂不考虑区间隧道通风系统和设备管理用房空调通风系统对本研究的影响.

1.2 测量方法的设计

本地铁站环控系统运行时间可以分为空调季和非空调季(即通风季),根据实际运行结果得到通风季运行时间为1月1日～5月28日和10月23日～12月31日计218 d,空调季运行时间为5月29日～10月22日计147 d,因此需对通风季和空调季分别测量. 本文通过与地铁运营公司沟通,得到了2018年各设备不同时刻的电表值和环境参数值,具体性能参数见表1.

表1 不同季节的性能参数Table 1 Performance parameters in different seasons

1.3 能耗计算

设备日能耗由下式计算：

Qi=Ei+1-Ei

(1)

式中,Qi为第i天的能耗,kWh/d;Ei+1和Ei分别为第i+1天和第i天零时的电表值,kWh/d.

设备的季节能耗由下式计算：

(2)

式中,Qv/c为不同季节的能耗,下标v表示通风季,下标c表示空调季, kWh/season;m为该季节内测量次数，其值按测量天数计取;n为该季节的总天数,d.电表在实际测量时可能会出现通讯或网络故障等问题,将故障数据删除,故m≤n.

qv/c=Qv/c/A

(3)

式中,qv/c为单位建筑面积的不同季节总能耗,其中下标v代表通风季、下标c代表空调季,kWh/(m2·season);A为地铁站建筑面积,m2，其值为12 087.81 m2.

设备全年能耗由下式计算:

Q=Qc+Qv

(4)

式中,Q为各设备全年总能耗, kWh/a.地铁环控系统全年总能耗等于不同季节总能耗之和.

q=Q/A

(5)

式中,q为各设备单位建筑面积的全年总能耗,kWh/(m2·a).

2 数据分析

2.1 能耗分析

2.1.1 总能耗分析

本文对所获数据进行分析,由式(1)～式(5)计算得到地铁站环控系统单位建筑面积全年能耗为17.82 kWh/(m2·a).

该系统涉及的环控设备主要包括风机、水泵、冷水机组及冷却塔,由式(1)～式(3)计算得到2018年单位建筑面积的不同季节能耗,结果见表2.

表2 不同季节的能耗

图2(a)～图2(c)为地铁站不同季节每个用电设备分项能耗占比，其中图2(a)为2018年每个用电设备分项能耗占全年各用电设备总能耗的比例,图2(b)为2018年空调季每个用电设备分项能耗占空调季各用电设备总能耗的比例,图2(c)为2018年通风季每个用电设备分项能耗占通风季各用电设备总能耗(0.82 kWh/m2)的比例.

(a) 2018年 (b) 2018年空调季 (c) 2018年通风季图2 地铁站不同季节每个用电设备分项能耗占比Fig.2 Proportion of itemized energy consumption of each electric equipment in different seasons in subway station

2.1.2 月能耗分析

本站环控系统月能耗由式(2)～式(3)计算获得,结果如图3所示.图3除给出每个月的能耗外,还给出每个月的室外平均温度.由图3可见,地铁站环控系统通风季的月能耗不随室外温度变化而变化,其值基本稳定在0.06 kWh/m2左右;地铁站环控系统空调季的月能耗随室外温度变化而产生较大波动,峰值出现在8月份,其值为5.57 kWh/m2.

图3 地铁站环控系统月能耗与月室外平均温度Fig.3 Monthly energy consumption and monthly average outdoortemperature of environmental control system in the subway station

图4给出了环控系统各分项能耗逐月分析结果.由图4可知,空调季冷水机组、水泵和冷却塔的分项能耗明显增加,其中冷水机组能耗增幅最大,其峰值出现在8月份,风机能耗在0.004 kWh/m2～0.47 kWh/m2之间变化,空调季能耗虽有所增加但幅度不大,受季节影响相对较小.因此,由逐月分项能耗的变化规律可以看出,地铁站环控系统的能耗变化可归因于季节性运行情况,主要是空调水系统的各个用电设备.

图4 地铁站环控系统每个用电设备月能耗Fig.4 Monthly energy consumption of each electric equipmentin the environmental control system of the subway station

2.2 影响因素分析

2.2.1 通风季能耗影响因素分析

通风季能耗影响因素可分为以下3类:

第1类:站台湿度、站厅湿度、新风湿度和回风湿度,以站厅、站台湿度的平均值为公共区域湿度,通风空调系统中回风湿度基本等于公共区域湿度,新风湿度与公共区域湿度的相关性为0.964,都可用公共区域湿度来代替,故第1类参数为公共区域湿度;

第2类:站台温度、站厅温度、新风温度、送风温度和回风温度,以站厅、站台温度的平均值为公共区域温度,回风温度用公共区域温度代替,新风温度和送风温度与公共区域温度的相关性系数均小于0.9,用公共区域温度代替影响回归结果,故第2类参数为公共区域温度、新风温度和送风温度;

第3类参数为公共区域CO2浓度即站厅、站台CO2浓度的平均值.

将上述公共区域湿度、公共区域温度、新风温度、送风温度和公共区域CO2浓度5个影响因素与地铁站环控系统的通风季能耗进行回归分析,回归公式如下：

Qi=C0+C1tis+C2tix+C3tig+C4φi+C5ρi

(4)

式中,Qi为通风季第i天的能耗,kWh;C0为常数项的回归系数,kWh;C1为第i天送风温度的回归系数,kWh/℃;tis为第i天的送风温度,℃;C2为第i天新风温度的回归系数,kWh/℃;tix为第i天的新风温度,℃;C3为第i天公共区域温度的回归系数,kWh/℃;tig为第i天的公共区域温度,℃;C4为第i天公共区域相对湿度的回归系数,kWh/%;φi为第i天的公共区域相对湿度,%;C5为第i天公共区域CO2浓度的回归系数,kWh/ppm;ρi为第i天的公共区域CO2浓度,ppm.

各影响因素对通风季能耗的回归结果见表3.

表3 5个影响因素对通风季能耗的回归结果Table 3 Regression results of 5 influencing factors on the energy consumption in the ventilation season

对通风季能耗影响最大的因素：

首先是送风温度,其与能耗呈负相关,温度每升高1℃可节能28 kWh,而实测送风温度变化区间3.56 ℃～19.57 ℃导致的能耗变化量超过400 kWh；

其次是新风温度,温度每升高1 ℃增加能耗12.2 kWh,新风温度变化区间1.13 ℃～25 ℃产生的能耗变化量为292 kWh；

再次是公共区域温湿度,温度每升高1 ℃和湿度每升高1 %分别增加能耗19.5 kWh和2.2 kWh,公共区域温湿度相应的变化区间导致的能耗变化量为100 kWh～200 kWh；

最后是公共区域CO2浓度,其与能耗呈负相关,当浓度由下限441.74 ppm变为上限712 ppm时,可节能78.4 kWh.

2.2.2 空调季能耗影响因素分析

由于地铁站环控系统在空调季内通风系统和水系统需同时运行,故空调季能耗的影响因素比通风季的影响因素多2个,即冷冻水供回水温差和冷却水供回水温差,共计7个因素.这7个因素与空调季能耗之间的回归公式如下:

(5)

式中,Qi为空调季第i天的能耗,kWh;Δtid为第i天的冷冻水供回水温差,℃;Δtiq为第i天的冷却水供回水温差,℃;C0′为常数项的回归系数,kWh;C1′～C7′为相应因素项的回归系数,其单位与通风季相应回归系数的单位相同.7个影响因素与空调季能耗的回归结果见表4.

由表4可见,对空调季能耗影响最大的首先是公共区域的温度,温度每提升1 ℃能耗将增加514.2 kWh,当温度由下限24.49 ℃升至上限28.62 ℃时能耗增加量将超过2 000 kWh；其次是与能耗呈负相关的送风温度,温度每降低1 ℃能耗增加118 kWh,相应的温度变化区间产生的能耗变化量为1 016 kWh；再次是新风温度和公共区湿度,它们均与能耗呈正相关,这两个因素相应的变化区间产生的能耗变化量分别为500 kWh和800 kWh；最后是公共区域CO2浓度和两个供回水温差,这3个因素相应的变化区间导致的能耗变化量均低于500 kWh.

表4 7个影响因素对空调季能耗的回归结果Table 4 Regression results of 7 influencing factors on energy consumption of air conditioning season

此外,空调和通风两个季节的R2和调整后的R2虽然相对较大,但仍存在可改进的空间,后续研究可通过获得更详细的环控小系统的数据来提高它，也可通过改变设备运行时间或调整其他内部设施等方法来改变不同的影响因素,从而获得降低能耗的效果,还可提前预测能耗,分析其节能潜力.

3 结论与展望

本文采用实测数据与理论分析相结合的方法,研究了地铁站内空调通风系统能耗分布及温湿度等可控因素对能耗的影响.由数据分析可知,本站环控系统单位建筑面积的全年总能耗为17.82 kWh/(m2·a),其中通风季能耗占4.6 %、空调季能耗占95.4 %.空调季能耗中占比最大的是冷水机组能耗,超过了50 %.通风季月能耗基本稳定在0.06 kWh//(m2·month),其不随室外温度变化而变化,空调季月能耗易随室外温度变化而产生较大波动.回归分析表明,不同季节能耗的影响因素除种类不同之外,相同因素在不同季节的重要程度也不尽相同.对通风季和空调季能耗影响最大的因素分别是送风温度和公共区域温度.本研究有助于更详细地了解地铁站环控系统能耗情况,为能耗预测提供参考依据.

希望在今后的研究中能获得更为详细的数据，如其他子系统或更多年度数据来提高回归结果的精度,也可构建一个修正的预测模型来预测某地铁站的能耗.