地鐵車站分項能耗原理模型及其簡化研究*

清華大學 蘇子怡 李曉鋒

0 引言

隨著城市軌道交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，地鐵車站用電量不斷增長。據(jù)統(tǒng)計，2019年我國城市軌道交通總用電量為152.6億kW·h，同比增長15.5%，其中車站非牽引能耗占48%[1]。在車站非牽引能耗中，通風空調(diào)、照明、垂直交通系統(tǒng)能耗占比約80%[2]。因此，有必要研究地鐵車站各用能主要項的合理能耗指標，對各系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀進行節(jié)能評估，探究節(jié)能運行管理措施的節(jié)能潛力。

為了研究地鐵車站的合理能耗指標，需要建立地鐵車站分項能耗模型。國內(nèi)外已有諸多學者針對建筑用能水平和能耗指標進行了大量的研究，廣泛采用的模型有基于統(tǒng)計回歸和基于運行原理的模型?；貧w模型能夠快速評估能耗，為了解建筑當前的用能水平提供參考[3-5]。但是回歸模型缺乏實際的物理意義，無法針對不同類型、不同服務規(guī)模(客流、列車等)的車站制定合理的能耗指標，也無法分析能耗低或高的原因，對建筑系統(tǒng)節(jié)能運行改進的指導性不強。而原理模型則是基于對建筑物結(jié)構(gòu)、通風、人員、運行等原理的分析，建立模型進行能耗模擬計算[6-7]，其優(yōu)點在于能夠結(jié)合車站的實際情況，包括客流、列車、建筑等信息，給出車站的合理能耗指標，可以分析能耗高或低的原因，從而能夠指導建筑的節(jié)能改造和運行。

因此，本文基于地鐵車站各主要用能系統(tǒng)的運行特征，建立了詳細的分項能耗原理模型，包括通風空調(diào)、照明和垂直交通系統(tǒng)。該模型可以通過輸入車站的建筑和運營狀況，對各分項用能系統(tǒng)的合理能耗進行詳細計算。考慮到該原理模型需要的輸入?yún)?shù)全面而復雜，現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)收集工作量大，為了滿足實際工程應用的需要，通過敏感性分析得到了一組對模型計算結(jié)果有重要影響的輸入?yún)?shù)。進而提出了簡化的能耗模型，大大減少了模型的輸入?yún)?shù)數(shù)量，降低了現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)收集的工作量，從而能夠?qū)⒛芎哪Ｐ驮谌珖煌瑲夂騾^(qū)各城市地鐵車站中進行大規(guī)模應用，快速計算車站的合理能耗，評估運行狀況和節(jié)能潛力。

1 地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)能耗原理模型

通風空調(diào)系統(tǒng)是地鐵車站第一大用能系統(tǒng)，其能耗原理模型由冷負荷模型和系統(tǒng)能效模型組成，參考相關(guān)文獻和設(shè)計手冊[8-10]，結(jié)合地鐵車站的特征建立模型。

(1)

式中EVAC為通風空調(diào)系統(tǒng)能耗，kW·h；QVAC為冷負荷，kW；EER為系統(tǒng)能效比；τVAC為通風空調(diào)系統(tǒng)運行時間，h。

1.1 冷負荷模型

地鐵車站沒有受到太陽輻射且土壤溫度較穩(wěn)定，因此外圍護結(jié)構(gòu)得熱量相對穩(wěn)定，圍護結(jié)構(gòu)蓄熱對車站冷負荷的影響可以忽略[8]，從而可以認為得熱量近似等于冷負荷。地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)冷負荷由人員負荷、機械新風負荷、風機溫升負荷、無組織滲風負荷、圍護結(jié)構(gòu)得熱量、站內(nèi)設(shè)備散熱量組成。

1.1.1人員負荷

(2)

式中Qp為人員負荷，kW；qp為人員全熱散熱量，kW/人；Ain、Aout分別為車站進站和出站人數(shù)，人/h；ain、aout分別為乘客進站和出站時在站廳站臺的停留時間，min。

1.1.2機械新風負荷

對于通風季，機械新風為車站供冷，車站冷負荷中不包括機械新風項。對于空調(diào)季，機械新風負荷計算公式為

(3)

式中Qm為機械新風負荷，kW；ρ為空氣密度，kg/m3；Gm為機械新風量，m3/h；Δh為室外與站內(nèi)空氣的比焓差，kJ/kg。

1.1.3風機溫升負荷

Qf=Pf

(4)

式中Qf為風機溫升負荷，kW；Pf為送風機的功率，kW。

1.1.4無組織滲風負荷

(5)

式中Qi為無組織滲風負荷，kW；G1、G2分別為通過出入口進入站廳和通過屏蔽門進入站臺的無組織滲風量，m3/h；Δh1為室外與站廳空氣的比焓差，kJ/kg；Δh2為隧道與站臺空氣的比焓差，kJ/kg。

1.1.5圍護結(jié)構(gòu)得熱量

屏蔽門傳熱量計算公式為

QPSD=KPSDFPSD(tt-tp)

(6)

式中QPSD為屏蔽門傳熱量，kW；KPSD為屏蔽門的傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；FPSD為屏蔽門面積，m2；tt、tp分別為隧道和站臺空氣溫度，℃。

對站廳層和站臺層分別計算外圍護結(jié)構(gòu)傳熱量。站臺層多位于地下15 m左右，土壤溫度可視為恒定，因此采用穩(wěn)態(tài)計算方法，其外圍護結(jié)構(gòu)得熱量的計算公式為

(7)

式中Qep為站臺層外圍護結(jié)構(gòu)傳熱量，kW；α為墻體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)；δ1、δ2分別為混凝土和土壤的厚度，m；λ1、λ2分別為混凝土和土壤的導熱系數(shù)，W/(m·℃)；F1為站臺層外圍護結(jié)構(gòu)面積，m2；ts為恒溫層土壤溫度，℃。

站廳層多位于地下5～10 m，氣溫年波動對地層溫度的影響不可忽略，采用逐月土壤平均溫度進行計算，其外圍護結(jié)構(gòu)得熱量的計算公式為

(8)

式中Qeh為站廳層外圍護結(jié)構(gòu)傳熱量，kW；F21、F22分別為站廳層側(cè)墻和頂板面積，m2；tsx、ts0分別為地下埋深x處和地表的月平均溫度，℃；th為站廳空氣溫度，℃；δ3為站廳層混凝土頂板與地表的距離，m。

1.1.6站內(nèi)設(shè)備散熱量

設(shè)備散熱量主要由照明設(shè)備、垂直交通系統(tǒng)設(shè)備和站內(nèi)其他設(shè)備(包括檢票閘機、售票機、顯示屏等)組成。照明設(shè)備散熱帶來的冷負荷由其功率計算，垂直交通系統(tǒng)的設(shè)備散熱量根據(jù)“垂直交通系統(tǒng)能耗模型”計算，站內(nèi)其他設(shè)備帶來的冷負荷根據(jù)其功率近似計算。

1.2 系統(tǒng)能效模型

對于空調(diào)季，通風空調(diào)系統(tǒng)能效比計算公式為

(9)

(10)

式(9)、(10)中EERr、EERt分別為冷源和空調(diào)末端的能效比；WTFchw、WTFcw分別為冷水和冷卻水的輸配系數(shù)；COP為冷水機組性能參數(shù)。

對于通風季，通風空調(diào)系統(tǒng)能效比即為空調(diào)末端能效比。

2 地鐵車站照明系統(tǒng)能耗原理模型

由于地下空間難以利用自然采光進行照明，因此照明系統(tǒng)基本不受自然采光的影響，其運行模式和能耗相對穩(wěn)定，能耗計算公式為

(11)

式中EL為照明系統(tǒng)能耗，kW·h；PL為照明功率密度，W/m2；F為照明面積，m2；τL為照明系統(tǒng)運行時間，h。

3 地鐵車站垂直交通系統(tǒng)能耗原理模型

垂直交通系統(tǒng)能耗計算公式為

ETR=PTRτTR

(12)

式中ETR為垂直交通系統(tǒng)能耗，kW·h；PTR為垂直交通系統(tǒng)設(shè)備運行功率，kW；τTR為垂直交通系統(tǒng)運行時間，h。

垂直交通系統(tǒng)設(shè)備包括直梯和自動扶梯，由于兩者用能特征和工作模式差異較大，需要分別建立模型進行計算。

3.1 直梯模型

直梯的工作模式包括使用模式和待機模式：直梯在使用模式下工作功率大、時間短，其工作時間取決于列車到站次數(shù)和乘客人數(shù)，計算公式見式(13)；而待機模式下工作功率小、時間長，其工作時間為直梯工作總時長減去使用模式下的工作時長。

(13)

式中τli_op為直梯在使用模式下的工作時間，h；f為單次列車到站直梯的運行頻次；n為列車到站次數(shù)；Hli為直梯的提升高度，m；vli為直梯的額定運行速度，m/s。

3.2 自動扶梯模型

地鐵車站自動扶梯的控制策略多為感應變頻控制，即使用傳感器監(jiān)測是否有乘客靠近，以此作為模式切換的信號。采用感應變頻控制的自動扶梯工作模式包括額速有載模式、額速空載模式和低速空載模式。

3.2.1上行扶梯

在地鐵車站中，出站乘客比較集中，列車每次到站后會有乘客下車搭乘上行扶梯，扶梯開始以額速有載模式運行，當乘客全部離開后，上行扶梯經(jīng)過一定的時間切換為低速空載模式。上行扶梯額速有載模式的運行時間與列車到站次數(shù)和單次下車人數(shù)有關(guān)，額速空載模式的運行時間可由模式切換時間確定，低速空載模式與列車到站時間間隔有關(guān)。

(14)

τup_ur=nτsw

(15)

τup_ul=τesc-τup_mr-τup_ur

(16)

式(14)～(16)中τup_mr、τup_ur、τup_ul分別為額速有載、額速空載和低速空載模式下上行扶梯的運行時間，h；a為單個臺階站立人數(shù)；h為臺階高度，m；Hesc為扶梯提升高度，m；vesc為扶梯額定速度，m/s；β為扶梯傾斜角度，°；τsw為額速模式與低速模式切換時間，h；τesc為扶梯工作時間，h。

上行扶梯各模式下運行功率之間的關(guān)系為

Pup_mr=ηup(Pesc-Pup_ur)+Pup_ur

(17)

(18)

(19)

(20)

式(17)～(20)中Pup_mr,Pup_ur分別為額速有載和額速空載模式下上行扶梯的運行功率，kW；ηup為上行扶梯負載率；Pesc為自動扶梯額定功率，kW；m0和k為中間變量。

3.2.2下行扶梯

下行扶梯能耗的計算方法與上行扶梯相似，差異僅在于模式切換次數(shù)的計算。由于地鐵車站進站客流比較分散，根據(jù)實地調(diào)研作如下假設(shè)：1) 乘客分批進站，下行扶梯運送完一批乘客之后再運送下一批；2) 如果運送兩批乘客的時間間隔大于扶梯的模式切換時間間隔，則自動扶梯會在運送完一批旅客之后切換為低速空載模式運行，否則不切換。根據(jù)計算時段內(nèi)的總進站人數(shù)和連續(xù)進站人數(shù)，采用式(21)計算下行扶梯運送的乘客批次數(shù)。

(21)

式中Agr為下行扶梯運送乘客批次數(shù)；b為連續(xù)進站人數(shù)。

考慮到乘客進站的隨機性，下行扶梯在計算時段內(nèi)的模式切換次數(shù)可能為1、2、…、Agr。選取平均值(Agr+1)/2作為切換次數(shù)，同時需要保證扶梯額速運行的時間短于總工作時間。由此，下行扶梯的模式切換次數(shù)可由式(22)計算。

(22)

式中nd_sw為下行扶梯的模式切換次數(shù)；τd_mr為額速有載模式下下行扶梯的運行時間，h。

4 地鐵車站分項能耗模型的簡化

4.1 敏感性分析

上述能耗原理模型給出了根據(jù)地鐵車站實際運營狀況計算主要用能系統(tǒng)能耗的方法，可以用于各系統(tǒng)節(jié)能運行狀況的評估和節(jié)能潛力的挖掘。但是模型輸入?yún)?shù)復雜，現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)收集工作量大，存在實際工程中難以直接應用的問題：1) 通風空調(diào)系統(tǒng)模型需要64個輸入?yún)?shù)，垂直交通系統(tǒng)模型需要25個輸入?yún)?shù)，輸入?yún)?shù)多，數(shù)據(jù)調(diào)研工作在工程實踐中的開展難度大；2) 由于施工和維護成本的問題，分項能耗數(shù)據(jù)質(zhì)量差，部分設(shè)備運行數(shù)據(jù)無法準確獲得。因此，需要對地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)和垂直交通系統(tǒng)的能耗原理模型進行簡化，從而實現(xiàn)將模型在全國不同氣候區(qū)不同類型的地鐵車站中進行大規(guī)模應用，進行節(jié)能運行的評估和節(jié)能潛力的挖掘。

敏感性分析通過量化輸入對輸出的影響能夠識別最有影響的參數(shù)[11]，確定哪些輸入?yún)?shù)能夠固定在其分布域內(nèi)的任意值而不對輸出結(jié)果影響太大[12]，從而起到簡化模型的作用。本文對地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)、垂直交通系統(tǒng)能耗模型進行了敏感性分析，得到了各輸入?yún)?shù)的重要性排序，結(jié)果如圖1和圖2所示?？梢钥闯觯瑢τ谕L空調(diào)系統(tǒng)和垂直交通系統(tǒng)能耗模型而言，僅有少量的輸入?yún)?shù)具有較大的敏感性指標，多數(shù)輸入?yún)?shù)對模型輸出結(jié)果的影響程度較低，模型存在簡化的可能。

圖1 通風空調(diào)系統(tǒng)能耗原理模型各輸入?yún)?shù)的敏感性指標

圖2 垂直交通系統(tǒng)能耗原理模型各輸入?yún)?shù)的敏感性指標

4.2 模型簡化研究

基于敏感性分析的結(jié)果，對能耗原理模型進行了簡化研究，簡化過程如下：對于敏感性指標排序靠前的重要參數(shù)，其輸入值采用對實際各車站詳細調(diào)研獲取的數(shù)據(jù)，而其他參數(shù)的輸入值采用已有調(diào)研獲取的社會平均水平值(不再逐個車站獲取數(shù)據(jù))；探究不同的詳細調(diào)研輸入?yún)?shù)數(shù)量對能耗模型精度的影響，簡化模型精度評價指標采用均方根誤差(RMSE)和均方根誤差變異系數(shù)(CV-RMSE)。

(23)

(24)

4.2.1通風空調(diào)系統(tǒng)能耗簡化模型

通風空調(diào)系統(tǒng)能耗原理模型共64個輸入?yún)?shù)，包括建筑信息、設(shè)備參數(shù)、客流情況、站內(nèi)環(huán)境參數(shù)等。采用不同詳細調(diào)研輸入?yún)?shù)數(shù)量的簡化模型與原理模型的均方根誤差變異系數(shù)如圖3所示?？梢钥闯?，采用15個詳細調(diào)研的輸入?yún)?shù)，其他參數(shù)采用社會平均水平值，簡化模型的均方根誤差變異系數(shù)為7.6%，對應的均方根誤差為27.5 kW·h。進一步增加模型輸入?yún)?shù)數(shù)量對模型精度提升的作用有限。綜合考慮模型精度和實際工程收集數(shù)據(jù)的難度，后續(xù)推廣使用的地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)能耗簡化模型擬采用表1中列出的15個輸入?yún)?shù)，可以分為5類：1) 站外環(huán)境參數(shù)；2) 車站新風及滲風量；3) 設(shè)備能效；4) 站內(nèi)環(huán)境參數(shù)；5) 客流信息。

圖3 不同輸入?yún)?shù)數(shù)量下通風空調(diào)系統(tǒng)能耗簡化模型的精度

表1 通風空調(diào)系統(tǒng)能耗簡化模型的輸入?yún)?shù)

以夏熱冬冷地區(qū)某地下2層標準島式車站為例，采用簡化模型和原理模型對空調(diào)季通風空調(diào)系統(tǒng)能耗進行模擬，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果顯示，簡化模型與原理模型的最大相對誤差為8%，平均相對誤差為2%，這一精度在工程應用領(lǐng)域可接受。

圖4 某車站空調(diào)季典型日能耗簡化模型與原理模型對比

4.2.2垂直交通系統(tǒng)能耗簡化模型

垂直交通系統(tǒng)能耗原理模型共25個輸入?yún)?shù)，包括列車到站情況、客流信息、電梯參數(shù)、建筑信息等。采用不同詳細調(diào)研輸入?yún)?shù)數(shù)量的簡化模型與原理模型的均方根誤差變異系數(shù)如圖5所示。結(jié)果顯示，采用11個詳細調(diào)研的輸入?yún)?shù)，其他參數(shù)采用社會平均水平值，簡化模型的均方根誤差變異系數(shù)為7.4%，對應的均方根誤差為2.1 kW·h。進一步增加輸入?yún)?shù)數(shù)量，模型精度可以進一步提高，采用18個詳細調(diào)研的輸入?yún)?shù)時，模型的均方根誤差變異系數(shù)僅為3.3%。但是考慮到垂直交通系統(tǒng)能耗在地鐵車站中的占比約為14%～21%，采用11個輸入?yún)?shù)的簡化模型精度可接受，后續(xù)推廣使用的垂直交通系統(tǒng)能耗簡化模型擬采用表2中列出的11個輸入?yún)?shù)，可以分為3類：1) 列車運營信息；2) 客流信息；3) 扶梯參數(shù)。

圖5 不同輸入?yún)?shù)數(shù)量下垂直交通系統(tǒng)能耗簡化模型的精度

表2 垂直交通系統(tǒng)能耗簡化模型的輸入?yún)?shù)

在夏熱冬冷地區(qū)某地下2層標準島式車站中應用垂直交通系統(tǒng)能耗簡化模型和原理模型進行模擬，結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，簡化模型與原理模型的最大相對誤差為4%，平均相對誤差為1%，這一精度在工程應用領(lǐng)域可接受。

圖6 某車站典型日垂直交通系統(tǒng)能耗簡化模型與原理模型對比

5 結(jié)語

隨著地鐵車站用電量的不斷增長，需要對地鐵車站主要用能系統(tǒng)的能耗進行模擬和分析，以評估車站的用能水平和節(jié)能潛力?；诖诵枨?，本文研究了基于用能系統(tǒng)運行特征和運營數(shù)據(jù)的地鐵車站分項能耗原理模型，包括通風空調(diào)、照明和垂直交通系統(tǒng)能耗模型。進而針對實際工程中輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)收集難度大的問題，通過敏感性分析提取了模型的重要輸入?yún)?shù)，對原理模型進行了簡化研究。簡化模型中僅有少量輸入?yún)?shù)采用對實際各車站詳細調(diào)研獲取的數(shù)據(jù)，而其他輸入?yún)?shù)采用已有調(diào)研獲取的社會平均水平值。研究發(fā)現(xiàn)，簡化的通風空調(diào)系統(tǒng)和垂直交通系統(tǒng)能耗模型分別可采用15個和11個詳細調(diào)研的輸入?yún)?shù)，簡化模型的均方根誤差變異系數(shù)分別為7.6%和7.4%，符合工程應用的精度要求。該簡化模型將工程應用中數(shù)據(jù)收集的工作量降低了60%以上，從而能夠?qū)崿F(xiàn)將能耗模型在全國不同氣候區(qū)各城市的地鐵車站中進行大規(guī)模應用，用于快速評估車站的運行狀況和節(jié)能潛力。