地鐵環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)性能參數(shù)隨運(yùn)營(yíng)年限變化特性研究*

上海理工大學(xué) 王麗慧 高仁義 張 杉上海世茂股份有限公司 劉 暢上海申通地鐵集團(tuán)有限公司 宋 潔 鄭 懿 鄒學(xué)成

0 引言

由組合式空調(diào)箱、回排風(fēng)機(jī)等設(shè)備組成的地鐵車站環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)在空調(diào)季和非空調(diào)季常年運(yùn)行，對(duì)車站熱環(huán)境空調(diào)季的舒適性和非空調(diào)季的新風(fēng)量等影響較大，風(fēng)系統(tǒng)能耗也是車站環(huán)控系統(tǒng)能耗的主要組成部分。本文聚焦不同運(yùn)營(yíng)年限地鐵車站環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)典型設(shè)備和系統(tǒng)的能效變化特性研究。

首先，目前對(duì)于組合式空調(diào)箱性能的研究多是通過(guò)建立集總參數(shù)模型。邱峰等人通過(guò)建立空調(diào)箱表冷器集總參數(shù)模型、分布參數(shù)模型、分排參數(shù)模型模擬了肋片管換熱器的實(shí)際換熱性能[1]；王磊等人建立了組合式空調(diào)箱盤管熱回收裝置的集總參數(shù)模型，研究了回路形式、肋片間距、沿氣流方向管排數(shù)、循環(huán)風(fēng)量、盤管水流速等對(duì)盤管熱回收性能的影響，為組合式空調(diào)箱選擇合適的盤管熱回收裝置提供了依據(jù)[2]。其次，在地鐵車站環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)中回排風(fēng)機(jī)多使用軸流風(fēng)機(jī)，軸流風(fēng)機(jī)在不同建筑中均作為主要通風(fēng)設(shè)備。Vad分析了軸流風(fēng)機(jī)無(wú)導(dǎo)葉壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響[3]；Ye等人使用非穩(wěn)態(tài)的交錯(cuò)角三維模型評(píng)估了異常交錯(cuò)角對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，結(jié)果表明異常偏差交錯(cuò)角將導(dǎo)致壓力波動(dòng)強(qiáng)度增大[4]；周帆等人運(yùn)用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)不同輪轂比的T40風(fēng)機(jī)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)特性進(jìn)行了比較分析,得到了風(fēng)機(jī)效率與輪轂比幾乎呈線性遞減關(guān)系的結(jié)論[5]。再次，對(duì)于整個(gè)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)而言，目前研究多趨向于能耗分析及節(jié)能措施改進(jìn)方面。曹雙華等人針對(duì)紡織廠空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)，建立了主要耗能設(shè)備能耗優(yōu)化模型，探討了其空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)最小運(yùn)行能耗[6]；張烽分析了夏熱冬暖地區(qū)大型購(gòu)物中心能耗特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)采用全部熱回收、風(fēng)機(jī)變頻等方式有明顯節(jié)能效果[7]。

以上研究?jī)?nèi)容幾乎沒有對(duì)空調(diào)箱、回排風(fēng)機(jī)及環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)性能隨運(yùn)營(yíng)年限變化規(guī)律的研究，而這對(duì)于長(zhǎng)年運(yùn)營(yíng)的地鐵車站等建筑節(jié)能高效意義重大。本文通過(guò)分層抽樣方法確定上海地鐵不同年限運(yùn)營(yíng)車站，并對(duì)其空調(diào)箱、回排風(fēng)機(jī)和風(fēng)系統(tǒng)的能效進(jìn)行實(shí)測(cè)評(píng)估，獲得風(fēng)系統(tǒng)單體設(shè)備和系統(tǒng)能效隨運(yùn)營(yíng)年限的變化規(guī)律，為地鐵車站風(fēng)系統(tǒng)的新產(chǎn)品準(zhǔn)入、設(shè)備大修或更換、提高地鐵車站環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)能效等提供參考。

1 研究方法

1.1 實(shí)測(cè)車站樣本的選取

測(cè)試車站的選取過(guò)程為：將上海軌道交通191個(gè)島式地鐵車站依據(jù)運(yùn)營(yíng)年限分為近期(2013年8月至2017年8月)、中期(2009年8月至2013年8月)和遠(yuǎn)期(2005年8月至2009年8月)3類，并以分層抽樣樣本量90%的置信度、允許相對(duì)誤差不超過(guò)15%為依據(jù)，選取30個(gè)車站進(jìn)行了實(shí)地考察。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件，以及車站規(guī)模相似、客流量相似等條件，最終確定4、8、10、12和13號(hào)線中的18個(gè)車站的環(huán)控設(shè)備和系統(tǒng)作為測(cè)試對(duì)象，其中，近期、中期和遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)年限車站的數(shù)目分別為7、4、7個(gè)。所選車站均為標(biāo)準(zhǔn)島式地下非換乘車站，其環(huán)控系統(tǒng)形式相同，且各時(shí)期車站設(shè)備匹配容量范圍也相同，各車站主要環(huán)控設(shè)備的類型及參數(shù)見表1。

表1 各車站主要環(huán)控設(shè)備的類型及參數(shù)

采用格魯布斯檢驗(yàn)法[11]對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行壞值剔除，從而保證分層抽樣樣本實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，且能反映上海地鐵環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)能效變化的普遍規(guī)律。

1.2 風(fēng)系統(tǒng)及其設(shè)備能效評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

1.2.1空調(diào)箱能效評(píng)價(jià)指標(biāo)及其計(jì)算方法

依據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]，空調(diào)箱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率Ws、空調(diào)箱制冷量Qa、空調(diào)箱冷量衰減率α，3個(gè)參數(shù)的定義式分別見式(1)、式(2)和式(3)。

(1)

式中N1為風(fēng)機(jī)輸入功率，W；L為風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量，m3/h。

(2)

式中L1為送風(fēng)量，m3/h；ρ1為進(jìn)口空氣密度，kg/m3；d1為進(jìn)口空氣含濕量，kg/kg；h1為機(jī)組進(jìn)口空氣比焓，kJ/kg；h2為機(jī)組出口空氣比焓，kJ/kg；cpw為水的比定壓熱容，kJ/(kg·℃)，取4.18 kJ/(kg·℃)；t2為機(jī)組出口空氣濕球溫度，℃；Δd為機(jī)組進(jìn)出口空氣含濕量差，kg/kg。

(3)

式中Qe為空調(diào)箱額定制冷量，kW。

1.2.2回排風(fēng)機(jī)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)及其計(jì)算方法

回排風(fēng)機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率Ws[8]。

1.2.3空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了便于對(duì)不同運(yùn)營(yíng)年限地鐵風(fēng)系統(tǒng)能效的評(píng)估，提出用空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比η評(píng)價(jià)地鐵車站空調(diào)季風(fēng)系統(tǒng)能效，其定義式見式(4)。

(4)

式中 ∑Nj為空調(diào)系統(tǒng)各用電設(shè)備的平均輸入功率之和，包含冷水機(jī)組、冷卻塔、空調(diào)箱、水泵和回排風(fēng)機(jī)的輸入功率，kW。

1.3 實(shí)測(cè)方案

依據(jù)上文地鐵車站風(fēng)系統(tǒng)典型設(shè)備和系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)需求，空調(diào)箱主要實(shí)測(cè)參數(shù)為進(jìn)出風(fēng)溫濕度、送回風(fēng)風(fēng)量和輸入功率，回排風(fēng)機(jī)主要測(cè)試參數(shù)為風(fēng)量與輸入功率。計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比還需測(cè)定冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵的輸入功率[8,11]。上述參數(shù)均需在正?？照{(diào)設(shè)計(jì)工況下測(cè)定，參數(shù)穩(wěn)定15 min后開始測(cè)量。

依據(jù)國(guó)家相關(guān)空調(diào)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[8]，所有設(shè)備功率均從地鐵車站環(huán)控電控室機(jī)柜上讀取，并用鉗形功率表檢測(cè)機(jī)柜后面相關(guān)線路進(jìn)行核對(duì)；空調(diào)箱送、回風(fēng)溫濕度分別在地鐵車站空調(diào)箱進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)口處采用便攜式溫濕度計(jì)每隔5 min讀取獲得，并與地鐵車站環(huán)控機(jī)房計(jì)算機(jī)顯示屏上的參數(shù)相互驗(yàn)證；空調(diào)箱與回排風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試時(shí)均采取將矩形回風(fēng)口截面等分為四部分，取各部分中心風(fēng)速的平均值作為測(cè)試結(jié)果，并結(jié)合回風(fēng)口面積計(jì)算風(fēng)量。測(cè)試所用相關(guān)儀器、儀表參數(shù)見表2。

表2 地鐵車站風(fēng)系統(tǒng)主要測(cè)試儀器參數(shù)

2 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 空調(diào)箱能效隨運(yùn)營(yíng)年限變化特征

18個(gè)地鐵車站各空調(diào)箱的實(shí)測(cè)平均冷量為309 kW。圖1給出了不同運(yùn)營(yíng)年限地鐵車站空調(diào)箱冷量實(shí)測(cè)結(jié)果。由圖1可知：近期運(yùn)營(yíng)年限車站空調(diào)箱冷量需求最低(為203 kW)，中期最高(為233 kW)，近期較中期低12.8%；遠(yuǎn)期空調(diào)箱冷量平均值(為220 kW)因設(shè)備年限長(zhǎng)且換熱效果差比中期低了5.6%左右。圖2給出了不同運(yùn)營(yíng)年限空調(diào)箱平均冷量衰減度的變化趨勢(shì)及其經(jīng)驗(yàn)擬合式。由圖2可見，隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加，各地鐵車站空調(diào)箱平均冷量衰減率逐漸增大。地鐵運(yùn)行初期，因設(shè)備較新、換熱效率好，空調(diào)箱冷量衰減率較小，為18%左右；運(yùn)營(yíng)中期地鐵車站空調(diào)箱冷量衰減率逐漸增大，也就是空調(diào)箱實(shí)際換熱能力較設(shè)備額定換熱能力逐漸下降，這一下降趨勢(shì)在地鐵車站運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期最為明顯，可達(dá)到約60%，可見中遠(yuǎn)期空調(diào)箱換熱能力將明顯衰減。

圖1 不同運(yùn)營(yíng)年限地鐵車站空調(diào)箱冷量實(shí)測(cè)結(jié)果

圖2 空調(diào)箱平均冷量衰減率隨運(yùn)營(yíng)年限的變化

圖3顯示了空調(diào)箱風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率隨不同運(yùn)營(yíng)年限的變化趨勢(shì)，單位風(fēng)量耗功率平均值近期為0.44 W/(m3/h)，中期為0.38 W/(m3/h)，遠(yuǎn)期為0.46 W/(m3/h)。對(duì)比JGJ/T 177—2009《公共建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》[8]中的限定值(0.52 W/(m3/h))可見，近期、中期各有1個(gè)車站，遠(yuǎn)期有3個(gè)車站不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但整體上空調(diào)箱風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率的平均值均低于該限定值。圖4顯示了空調(diào)箱送風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率平均值隨運(yùn)營(yíng)年限的變化，擬合曲線趨于平緩，各運(yùn)行時(shí)期空調(diào)箱單位風(fēng)量耗功率平均值均約為0.42 W/(m3/h)，小于限定值0.52 W/(m3/h)。可見，空調(diào)箱的風(fēng)機(jī)性能并不隨運(yùn)營(yíng)年限的增加而發(fā)生規(guī)律性變化，并且各運(yùn)營(yíng)時(shí)期空調(diào)箱風(fēng)機(jī)均處在高效運(yùn)行狀態(tài)，建議通過(guò)定期維護(hù)保養(yǎng)來(lái)保持風(fēng)機(jī)的高效。

圖3 不同運(yùn)營(yíng)年限空調(diào)箱風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率實(shí)測(cè)結(jié)果

圖4 空調(diào)箱送風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率平均值隨運(yùn)營(yíng)年限的變化

2.2 回排風(fēng)機(jī)能效隨運(yùn)營(yíng)年限變化特征

18個(gè)實(shí)測(cè)車站中，不同運(yùn)營(yíng)年限回排風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率變化趨勢(shì)如圖5所示。圖5中回排風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率近期平均值為0.50 W/(m3/h)，中期平均值為0.26 W/(m3/h)，遠(yuǎn)期平均值為0.28 W/(m3/h)，結(jié)合JGJ/T 177—2009《公共建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》[8]中的限定值(0.52 W/(m3/h))來(lái)看，各時(shí)期回排風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率平均值均低于標(biāo)準(zhǔn)限定值，僅近期和遠(yuǎn)期各有1個(gè)車站回排風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率大于0.52 W/(m3/h)，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 不同運(yùn)營(yíng)年限車站回排風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率實(shí)測(cè)結(jié)果

2.3 空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比隨運(yùn)營(yíng)年限變化特征

通過(guò)對(duì)18個(gè)車站冷水機(jī)組、冷卻塔、空調(diào)箱、水泵、回排風(fēng)機(jī)功率的實(shí)測(cè)，計(jì)算得到地鐵運(yùn)營(yíng)近期、中期和遠(yuǎn)期的空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比。不同車站空調(diào)系統(tǒng)各用電設(shè)備的實(shí)測(cè)功率平均值與空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比平均值計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各用電設(shè)備的實(shí)測(cè)功率平均值與空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比平均值計(jì)算結(jié)果

由表3可見：空調(diào)箱冷量中期較大；換熱設(shè)備總功率平均值近期為147 kW，中期為109 kW，遠(yuǎn)期為133 kW，中期較近期低25.9%；非換熱設(shè)備總功率平均值近期為57 kW，中期為35 kW，遠(yuǎn)期為53 kW，中期較近期低38.6%；環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備總功率平均值近期為204 kW，中期為145 kW，遠(yuǎn)期為187 kW，中期較近期低28.9%；對(duì)運(yùn)營(yíng)年限為2、4、7、10、12年的空調(diào)系統(tǒng)能效比分別取平均值，進(jìn)一步計(jì)算各運(yùn)營(yíng)時(shí)期空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比平均值，得到近期為1.00，中期為1.63，遠(yuǎn)期為1.18。根據(jù)式(5)，空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比越大，表明地鐵車站空調(diào)季風(fēng)系統(tǒng)能效越高，結(jié)合圖6可知，地鐵運(yùn)營(yíng)近期和運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期其空調(diào)季風(fēng)系統(tǒng)能效較低，而運(yùn)營(yíng)中期較高。

圖6 空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比隨車站運(yùn)營(yíng)年限的變化

究其原因，在地鐵車站運(yùn)營(yíng)近期，因圍巖盾構(gòu)中蘊(yùn)藏著大量自然冷源(上海新建地鐵車站周圍土體溫度為20～25 ℃)，導(dǎo)致空調(diào)季車站冷負(fù)荷較小，而地鐵站內(nèi)換熱設(shè)備空調(diào)箱、冷水機(jī)組及冷卻塔的容量多依據(jù)遠(yuǎn)期最不利工況(即車站冷負(fù)荷最大)來(lái)選定。故在運(yùn)營(yíng)近期空調(diào)箱等換熱設(shè)備均在較低負(fù)荷率下運(yùn)行，大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致設(shè)備總耗功率最大，運(yùn)營(yíng)近期地鐵車站的空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比最低。地鐵車站運(yùn)營(yíng)中期，由于車站負(fù)荷率較高，換熱設(shè)備在能效較高的狀態(tài)下運(yùn)行，空調(diào)箱、冷水機(jī)組和冷卻塔等設(shè)備的換熱效果良好，空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比較高。而到了遠(yuǎn)期，雖然車站空調(diào)季的負(fù)荷率仍很高，但是隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加，空調(diào)箱、冷水機(jī)組和冷卻塔等換熱設(shè)備的換熱效率明顯下降，導(dǎo)致設(shè)備總耗功率增大，引起空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比下降。因此，總體上呈現(xiàn)地鐵車站運(yùn)營(yíng)近期和運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比較低，運(yùn)營(yíng)中期較高的變化特性。

3 結(jié)論

1) 空調(diào)箱冷量平均值近期最低、中期最高，近期較中期低12.8%，而遠(yuǎn)期較中期低5.6%左右。隨著運(yùn)營(yíng)年限增加，各地鐵車站空調(diào)箱平均冷量衰減率逐漸增大。這一衰減趨勢(shì)在地鐵車站運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期最為明顯，可達(dá)約60%，可見中遠(yuǎn)期空調(diào)箱換熱能力將明顯下降。

2) 空調(diào)箱風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率各時(shí)期平均值近期為0.44 W/(m3/h)，中期為0.38 W/(m3/h)，遠(yuǎn)期為0.46 W/(m3/h)，與運(yùn)營(yíng)年限無(wú)明顯線性關(guān)系，表明定期維護(hù)可以保障不同運(yùn)營(yíng)年限風(fēng)機(jī)均具有較好的能效水平。

3) 回排風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率運(yùn)營(yíng)近期平均值為0.50 W/(m3/h)，中期為0.26 W/(m3/h)，遠(yuǎn)期為0.28 W/(m3/h)，呈現(xiàn)出非換熱設(shè)備能效與運(yùn)營(yíng)年限無(wú)明顯線性關(guān)系的特點(diǎn)。

4) 各運(yùn)營(yíng)時(shí)期空調(diào)系統(tǒng)供冷能效比平均值為近期1.00、中期1.63、遠(yuǎn)期1.18，呈現(xiàn)地鐵車站運(yùn)營(yíng)近期和遠(yuǎn)期較低，運(yùn)營(yíng)中期較高的變化特性。