中国各气候区屏蔽门地铁站环控系统节能潜力研究_苏子怡.pdf
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1、都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 收稿日期:2022-03-11 修回日期:2022-06-07 第一作者:苏子怡,女,博士研究生,从事公共交通建筑节能研究,su- 导师简介:李晓锋,男,副教授,博士生导师 基金项目:“十三五”国家重点研发计划课题(2018YFC0705006)引用格式:苏子怡,李晓锋.中国各气候区屏蔽门地铁站环控系统节能潜力研究J.都市快轨交通,2023,36(3):131-138.SU Ziyi,LI Xiaofeng.Energy-saving potential of ventilation and air-conditioning syst
2、ems of PSD subway stations in various climate regions in ChinaJ.Urban rapid rail transit,2023,36(3):131-138.131机电工程URBAN RAPID RAIL TRANSITdoi:10.3969/j.issn.1672-6073.2023.03.021 中国各气候区屏蔽门地铁站环控系统节能潜力研究 苏子怡,李晓锋(清华大学建筑学院,北京 100084)摘 要:为明确地铁站环控系统各项运行措施的节能潜力,制定有针对性的节能运行方案。通过对我国各气候区的屏蔽门地铁站环控系统全年能耗进行大规模模
3、拟,系统而定量分析常见的运行管理参数优化后的节能潜力,包括取消小新风空调的机械新风、加强屏蔽门气密性、提高站内空调温度、提高冷机 COP 和提高空调箱能效比。研究结果表明:对于寒冷、夏热冬冷和夏热冬暖地区的屏蔽门地铁站,环控系统节能潜力最大的优化措施是提高站内空调控制温度,各站平均节能潜力在 17%21%之间;其次是取消机械新风供应、提高冷机 COP 和提高空调箱能效比,相应节能潜力在 12%20%之间,各措施的节能潜力大小和排序在不同气候区之间存在差异;节能潜力最小的措施是增强屏蔽门气密性,各站平均节能潜力在 1%4%之间。综合优化上述运行管理参数,寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的典型
4、屏蔽门地铁站环控系统的年节能量分别为 22 万 kWh/a、37 万 kWh/a 和61 万 kWh/a,节能百分比分别为 41%、48%和 52%。研究成果可为我国各气候区屏蔽门地铁车站节能运行提供基础数据支撑。关键词:地铁站;环控系统;屏蔽门;节能运行管理 中图分类号:U231.1 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)03-0131-08 Energy-saving Potential of Ventilation and Air-conditioning Systems of PSD Subway Stations in Various Climate Regions
5、 in China SU Ziyi,LI Xiaofeng(Department of Building Science,Tsinghua University,Beijing 100084)Abstract:With the rapid urbanization and proposal of carbon neutralization goals,energy conservation in subway stations has become a focus in China.To clarify the energy-saving potential of various operat
6、ional measures for subway stations,large-scale simulations were conducted on the annual energy consumption of ventilation and air conditioning(VAC)systems for platform screen door(PSD)of subway stations in different climates.Based on this,the energy-saving potential of optimizing the parameters rela
7、ted to the leading value was systematically and quantitatively analyzed,including cancelling the mechanical fresh air supply,enhancing the PSD airtightness,increasing the air-conditioning temperature,the Co-efficent of Performance(COP)of the chiller,and the Energy Efficiency Ratio(EER)of the termina
8、l equipment.The results show that the operational measure with the highest energy-saving potential for subway stations in the studied climate regions increases the air-conditioning temperature,with an energy-saving potential ranging from 17%to 21%.The energy-saving potential of cancelling mechanical
9、 都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 132 URBAN RAPID RAIL TRANSIT fresh air supply,increasing the COP of the chiller,and increasing the EER of the terminal equipment ranges from 12%to 20%,with differences for stations in different climate regions.The measure with the lowest energy-saving potential enhance
10、s PSD airtightness,with an energy-saving potential ranging from 1%to 4%.Moreover,by optimizing all of the above operational-related parameters to the leading value,the energy savings of the VAC system for PSD subway stations in cold regions,hot-summer cold winter regions,and hot-summer warm winter r
11、egions can be as high as 220 MWh/year,370 MWh/year,and 610 MWh/year,respectively,with 41%,48%,and 52%of the energy-saving potential,respectively.Keywords:climate region in China;subway station;ventilation and air-conditioning system;energy-saving operation 近几十年来,随着城市规模的扩大和城市人口的激增,我国的地铁系统发展迅速,能耗持续增加。
12、2020 年,城市轨道交通系统总用电量达172.4 亿kWh,其中车站用电量达到了88.4 亿kWh,同比增长20.1%1。在一些大型城市,车站能耗更是占到全市用电量的近1%。在车站用能中,环控系统能耗占比高、影响因素复杂,实际车站的运行管理水平参差不齐,存在很多不合理的运行现象,导致能源浪费。因此有必要对地铁站环控系统的节能措施及其节能潜力进行系统性的研究,为各气候区地铁站制定有针对性的节能运行解决方案。在地铁站节能分析领域,常用的方法有基于统计分析的黑箱法和基于物理模型的白箱法。黑箱法采用大量的实际能耗数据,统计分析得出当前能耗水平,作为评价各车站用能情况的基础。例如,Casals 等2调
13、查巴塞罗那地铁站的用电量数据,统计分析得到平均用电量为 217.64 kWh/(m2a)。类似地,也有学者利用黑箱法对中国香港3、韩国首尔4等地的地铁站能耗进行了研究。由于数据量大,黑箱模型的分析结果具有普遍性。但是模型不能反映建筑的用能原理,可解释性差,也就是说无法直接用于挖掘具体措施的节能潜力,指导节能运行管理。而白箱法建立建筑能源模型,通过嵌入和改变各种约束条件,可以模拟得到各项节能措施对能耗的影响,从而达到指导节能运行优化的目的。许多学者对地铁站这类建筑采用白箱法,包括地铁环境模拟软件(subway environment simulation,SES)、地铁热环境模拟软件(subwa
14、y thermal environ-ment simulation software,STESS)等对节能措施及其潜力进行了定量分析,其中节能措施包括空调温度控制、机械新风供应、高效设备的选择等5-7。然而,以往的研究均为针对某一气候区或某类型节能措施的案例研究,其结论在不同条件下(如气候区域、乘客数量、站内温度等)的地铁站并不普遍适用,难以直接推广至其他地铁站。综上,目前对不同气候区地铁站各项节能运行措施的节能效果和优先级还缺乏系统、全面的研究。基于此,本文采用大规模调研得到当前地铁站实际运行数据,建立地铁站环控系统能耗原理模型,对中国寒冷、夏热冬冷和夏热冬暖地区的屏蔽门地铁站进行模拟计算和
15、分析,系统地研究了各项节能运行措施及其潜力。1 研究方法 本文采用原理模型对各气候区屏蔽门地铁站的环控系统全年能耗进行模拟分析。首先,广泛收集实际地铁站的运行及能耗相关数据,了解运行和能耗现状,进而建立并验证地铁站环控系统能耗原理模型,在此基础上对各气候区的屏蔽门车站节能改造前后的能耗进行大规模仿真模拟,通过优化各项运行管理参数,系统而定量地分析运行优化措施的节能潜力,有针对性地提出优化建议。1.1 环控系统能耗模型 采用文献8中的能耗计算方法,建立各气候区屏蔽门地铁站的环控系统能耗模型。该模型由冷负荷、能效和模式切换模型 3 部分组成,如图 1 所示。模型的输入参数可分为 3 类:图 1 地
16、铁站环控系统能耗模型 Figure 1 VAC energy model for subway stations 中国各气候区屏蔽门地铁站环控系统节能潜力研究 133URBAN RAPID RAIL TRANSIT1)气候相关参数:室外和隧道空气参数;2)服务规模参数:客流量、列车发车对数和隧道长度;3)运行管理参数:站厅和站台空气参数、机械新风量、屏蔽门气密性、冷机性能参数(coefficient of performance,COP)、空调箱能效比。将上述参数的取值输入能耗模型,可以模拟得到逐小时的冷负荷、能效、运行模式和能耗,进而得到地铁站环控系统的年用电量。本文以常见的采用屏蔽门系统的
17、地下 2 层岛式非换乘站作为研究对象,服务规模参数客流量为700万人次/a,发车对数为140对/d,隧道长度为1 000 m,对寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区代表性城市的地铁站环控系统的年能耗进行了大规模模拟计算。1.2 运行现状调研 通过开展实地测试和文献调研,收集中国 12 个城市 33 条线路的 150 座地铁站的运行数据,得到运行管理参数的当前水平,具体参数包括机械新风量、屏蔽门气密性参数、站内空调控制温度、冷机 COP 和空调箱能效比。为调研当前车站的实际机械新风供应情况,在13 个地铁站的新风道内均匀布置测点,采用热球风速仪(QDF-6,测试误差3%)进行现场测试。结合文献9
18、-10中获得的数据,得到当前地铁站实际运行中在小新风模式下,机械新风量分布在 05.61 万 m3/h 之间,平均值为 2.57 万 m3/h,如图 2 所示。图 2 地铁站机械新风量现状调研结果 Figure 2 Current status of mechanical fresh air volume 采用文献11中的方法,在 20 个地铁站对屏蔽门系统的气密性进行现场实测。屏蔽门阻力系数是决定活塞效应引起的无组织空气渗透量的关键参数,实测结果显示,当前地铁站屏蔽门阻力系数在0.080.47 Pa/(m3/s)2之间,平均值为 0.24 Pa/(m3/s)2,如图 3所示。图 3 地铁站屏
19、蔽门气密性现状调研结果 Figure 3 Current status of PSD airtightness 在车站大厅和站台公共区域布置温湿度自记仪(WSZY-1,测试误差0.3/2%),对站内空气参数进行长期监测。结合文献12-15,共收集到 56 个地铁站的空调季站内空气数据,如图 4 所示。结果显示,当前车站在空调季站厅温度平均控制在 26.5,站台温度平均控制在 26.3,差异不大。从气候区域来看,图 4 地铁站空调控制温度现状调研结果 Figure 4 Current status of air-conditioning temperature 都市快轨交通第 36 卷 第 3
20、期 2023 年 6 月 134 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 寒冷地区和夏热冬冷地区站厅站台平均温度为 26.3,而夏热冬暖地区站厅站台平均温度为 27.3。对地铁站的冷水机组和空调箱进行了性能测试:采用流量计对冷冻水流量进行监测;布置温度自记仪对冷机的供回水温度进行监测;从车站能源管理平台上读取冷机和空调箱用电量。图 5 展示了冷机 COP和空调箱能效比的实测数据以及从文献16-20中收集的数据,结果显示在冷机开启时段的平均冷机 COP分布在 1.16.4 之间,平均空调箱能效比分布在 1.413.6 之间。部分车站冷机 COP 偏低,主要原因为:冷却塔效率低,冷凝器换
21、热效果不佳;实际冷负荷远低于额定冷量,存在“大马拉小车”问题;机组老化性能下降。图 5 地铁站环控设备能效现状调研结果 Figure 5 Current status of VAC equipment efficiency 1.3 模型验证 首先利用车站的实际运行和能耗数据,对能耗模型进行了验证。该车站是标准地下 2 层岛式屏蔽门车站,小新风空调模式下的机械新风量为 3 万 m3/h,屏蔽门阻力系数为 0.21 Pa/(m3/s)2,冷机额定 COP 为4.92,站内空调温度为 25.5。采用能耗模型对全年能耗进行模拟,并与 2019 年实际能耗进行对比,如表 1 所示。结果显示,2019 年
22、该站环控系统全年总能耗模拟值为 63.9 万 kWh/a,实际值为 62.1 万 kWh/a,相对误差低于 3%,各分项能耗的模拟值与实际值的误差均较小,模型预测效果能够反映车站实际情况。利用能耗模型和调研得到的运行管理数据,模拟得到了各气候区屏蔽门地铁站的环控系统能耗现状,寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区地铁站环控系统全年总能耗分别为 23 万76 万 kWh/a、25 万115 万 kWh/a 和 29 万182 万 kWh/a。表 1 标准站环控系统能耗模拟结果与该站实际能耗对比 Table 1 Validation on simulation results of VAC ener
23、gy use 万 kWh/a 环控系统设备名称 能耗模拟值 2019 年能耗实际值 空调风机 26.5 25.8 冷机 21.7 20.9 冷冻水泵 9.4 8.9 冷却水泵 5.7 5.7 冷却塔 0.6 0.7 为了确定模拟结果与实际地铁站用能情况的一致性,将模拟结果与文献10中 147 个地铁站的实际能耗数据进行比较,如图 6 所示。就统计值(上四分位值、下四分位值、中位值)而言,环控系统年能耗的模拟值和实际值相对偏差在 8.8%以内,表明模拟结果与实际用能情况具有较高的一致性。图 6 地铁站环控系统能耗大规模模拟结果 与调研数据对比 Figure 6 Validation on lar
24、ge-scale simulation results of VAC energy use 2 节能潜力分析 通过对运行管理参数的调研,发现不同车站之间的差异很大,为了达到节能的目的,有必要进行运行优化,因此需要定义运行管理参数的引导值,这是运行管理人员应该努力实现的目标,对应运行管理水平的优秀线。本文参考设计规范、相关标准及调研结果,确定了各运行管理参数的引导值。对当前运行水平未达到引导值的车站进行改造,提高至引导值水平(已达到引导值水平的车站保持当前运行水平不变),通过大规模中国各气候区屏蔽门地铁站环控系统节能潜力研究 135URBAN RAPID RAIL TRANSIT模拟,定量分析了
25、采取各项运行措施优化后地铁站环控系统的平均节能潜力。2.1 取消小新风模式下的机械新风 环控系统在小新风模式下运行时,供应机械新风引入的室外空气导致冷负荷和环控能耗增加。已有研究指出,屏蔽门地铁站的无组织渗风能够满足人员的新风需求,不需要额外供应机械新风,因此有研究者建议取消机械新风的供应6,11,21,即小新风空调模式下机械新风量的引导值为 0。利用能耗模型模拟得到了取消机械新风后的各气候区地铁站环控能耗,如图 7 所示。图 7 地铁站取消小新风空调机械新风的节能潜力 Figure 7 Energy-saving potential on cancelling mechanical fres
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