地鐵站水冷空調(diào)機(jī)組IPLV計(jì)算方法討論

王怡臻，李曉鋒

（清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084）

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，也稱為地鐵環(huán)控系統(tǒng)，是地鐵車站內(nèi)營(yíng)造乘客正常乘車舒適環(huán)境和保證地鐵系統(tǒng)正常運(yùn)行的必不可少的一部分[1]。地鐵車站負(fù)荷大、能耗高，環(huán)控系統(tǒng)能耗占比高[2]?！吨袊?guó)建筑節(jié)能發(fā)展報(bào)告》指出，中國(guó)北方地區(qū)，地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)占地鐵系統(tǒng)總能耗的約30%，而這一數(shù)字在南方地區(qū)達(dá)到了 50%[3]。中國(guó)地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)通常使用水冷式冷水機(jī)組進(jìn)行制冷，其中冷機(jī)能耗在環(huán)控系統(tǒng)總體能耗中占比較大。對(duì)北京市地鐵線路的調(diào)研顯示，北京市地鐵環(huán)控系統(tǒng)冷機(jī)能耗達(dá)到 40%[4]。根據(jù)《冷水機(jī)組能效限定值及能源效率等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，地鐵站通常使用的水冷式機(jī)組的一級(jí)能效值需要達(dá)到5.6[5]，而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，很多地鐵站冷機(jī)的COP難以達(dá)到甚至遠(yuǎn)低于這一水平[4]。因此，提高地鐵站冷機(jī)的能效比在環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能控制中顯得尤為重要。

地鐵建筑處于地下，出入口開(kāi)放，列車運(yùn)行導(dǎo)致的活塞風(fēng)從出入口和隧道引入了大量無(wú)組織滲風(fēng)負(fù)荷[2]，其中出入口滲風(fēng)負(fù)荷受外界環(huán)境參數(shù)影響較為顯著，不同季節(jié)室外環(huán)境的變換將對(duì)車站公區(qū)空調(diào)負(fù)荷產(chǎn)生巨大影響，同時(shí)一天內(nèi)不同時(shí)段的發(fā)車對(duì)數(shù)變化也會(huì)嚴(yán)重影響滲風(fēng)負(fù)荷的大小[6]。

測(cè)試數(shù)據(jù)表現(xiàn)出，地鐵站運(yùn)行時(shí)環(huán)控系統(tǒng)長(zhǎng)期處于部分負(fù)荷狀態(tài)[7]。其原因是地鐵公區(qū)空調(diào)負(fù)荷受到發(fā)車對(duì)數(shù)、室外環(huán)境參數(shù)、地鐵車站設(shè)計(jì)參數(shù)、活塞風(fēng)模式等因素的影響，相較普通商業(yè)建筑負(fù)荷變動(dòng)更大。大量冷機(jī)性能測(cè)試實(shí)測(cè)表明，螺桿冷水機(jī)組在低于50%負(fù)荷率時(shí)，COP顯著下降。因此在對(duì)地鐵站冷機(jī)進(jìn)行選型時(shí)，應(yīng)著重評(píng)判其部分負(fù)荷性能，不能僅比較額定能效比。

地鐵建筑負(fù)荷特點(diǎn)與典型辦公建筑的負(fù)荷特點(diǎn)[8]有很大區(qū)別，目前通常采用 IPLV(綜合部分性能負(fù)荷系數(shù))值來(lái)評(píng)判水冷式冷水機(jī)組部分負(fù)荷性能。中國(guó)目前使用的 IPLV計(jì)算方法是某一區(qū)域內(nèi)典型建筑類型的平均，并不適用于具有獨(dú)特能耗特點(diǎn)的地鐵車站水冷機(jī)組[9]。文獻(xiàn)[9]通過(guò)計(jì)算并分析地鐵車站空調(diào)季逐時(shí)負(fù)荷，首次提出了針對(duì)地鐵水冷機(jī)組計(jì)算 IPLV的方法，并應(yīng)用于《水冷直接制冷式地鐵車站用空調(diào)機(jī)組性能檢測(cè)方法》中。但是其計(jì)算過(guò)程較為簡(jiǎn)化，首先固定發(fā)熱量取值偏大，例如照明功率密度取值偏大，電梯計(jì)算使用額定功率；其次是無(wú)組織滲風(fēng)量取為定值，而實(shí)際上無(wú)組織滲風(fēng)量會(huì)隨著發(fā)車對(duì)數(shù)而變化。這兩點(diǎn)都造成了逐時(shí)負(fù)荷曲線趨于平穩(wěn)，波動(dòng)較小，與實(shí)際情況有一定出入。

現(xiàn)采用一種依據(jù)建筑參數(shù)、發(fā)車對(duì)數(shù)和車站活塞風(fēng)形式等設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算地鐵標(biāo)準(zhǔn)站空調(diào)季逐時(shí)負(fù)荷的計(jì)算方法、計(jì)算寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)的典型城市空調(diào)季的逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷，給出 IPLV系數(shù)的取值，并與《水冷直接直冷式地鐵車站用空調(diào)機(jī)組性能檢測(cè)方法》中規(guī)定的 IPLV計(jì)算公式進(jìn)行比較，分析差異及其原因，并討論考慮地鐵站使用兩臺(tái)冷機(jī)時(shí)對(duì)IPLV系數(shù)取值的影響。

1 地鐵站公區(qū)空調(diào)季逐時(shí)負(fù)荷模擬

研究對(duì)象為地下兩層島式標(biāo)準(zhǔn)站，使用屏蔽門系統(tǒng)，其中站廳建筑面積為1 842 m2，站臺(tái)建筑面積為1 210 m2。

1.1 計(jì)算方法介紹

地鐵環(huán)控系統(tǒng)分為大系統(tǒng)和小系統(tǒng)，分別負(fù)責(zé)站廳站臺(tái)等公共區(qū)域環(huán)境控制和設(shè)備管理用房的環(huán)境控制[8]。計(jì)算的地鐵車站冷機(jī)只負(fù)責(zé)大系統(tǒng)負(fù)荷，因此以大系統(tǒng)為研究對(duì)象計(jì)算。

地鐵車站公區(qū)逐時(shí)總負(fù)荷可由如下公式算出[6]：

其中Qperson，Qinfiltration，QPSD，Qenve，Qfan，Qeq分別為人員熱濕負(fù)荷、無(wú)組織滲風(fēng)負(fù)荷、屏蔽門傳熱量、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱、風(fēng)機(jī)溫升負(fù)荷、照明設(shè)備散熱量、機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷。

1.1.1 人員熱濕負(fù)荷

人員熱濕負(fù)荷的計(jì)算公式為

式中Qperson為人員散熱量，qperson為一個(gè)正常成年男子的全熱散熱，Gc和Gp分別為站廳和站臺(tái)的人數(shù)，Ain、Aout為地鐵站逐時(shí)進(jìn)出站人數(shù)，a1、a2為進(jìn)站時(shí)臺(tái)平均停留時(shí)間，b1、b2為出站時(shí)站廳站臺(tái)平均停留時(shí)間，min。

a1、a2為乘客進(jìn)站時(shí)在站廳站臺(tái)的平均停留時(shí)間，a1一般為2 min，a2取列車發(fā)車間隔時(shí)間的1/2，min；b1、b2一般可以取1.5 min。qperson的取值可以根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》確定，這里將其定為0.182 kW/人[11]。Ain、Aout的值通過(guò)以往測(cè)試過(guò)的地鐵站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中獲得，遠(yuǎn)期的逐時(shí)客流量取值如表1所示。

表1 遠(yuǎn)期逐時(shí)客流量取值Table 1 Long-term hourly passenger number 人次

1.1.2 無(wú)組織滲風(fēng)帶來(lái)的冷負(fù)荷

與其他建筑不同，地鐵站有直接與外界環(huán)境連接的出入口，由于列車運(yùn)行導(dǎo)致的無(wú)組織新風(fēng)大量進(jìn)入車站，外界熱濕空氣進(jìn)入站廳、站臺(tái)成為系統(tǒng)冷負(fù)荷。其值可以用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Qinfiltration為車站出入口無(wú)組織滲風(fēng)得熱量，kW；G1為出入口到站廳無(wú)組織滲風(fēng)量，m3/h；G2為經(jīng)過(guò)屏蔽門進(jìn)入站臺(tái)區(qū)域的無(wú)組織滲風(fēng)量。Δh1、Δh2分別為室外空氣和站廳、隧道空氣和站臺(tái)的焓差。ρ為空氣密度，kg/m3。

G1取值根據(jù)實(shí)際地鐵線路運(yùn)行遠(yuǎn)期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給出、G2的值通過(guò)STESS軟件模擬確定，隨發(fā)車對(duì)數(shù)的變化而變化，計(jì)算案例中排熱風(fēng)機(jī)關(guān)閉，遠(yuǎn)期發(fā)車對(duì)數(shù)下出入口滲風(fēng)量和屏蔽門滲風(fēng)量的取值如表2所示。

表2 遠(yuǎn)期滲風(fēng)量取值Table 2 Long-term unorganized infiltration air volume

1.1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和屏蔽門系統(tǒng)傳熱

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量可由下式計(jì)算得出

式中，Qenvelop代表圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量，kW；Fenvelop代表圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱面積，m2；t0、ta代表室外和站內(nèi)溫度，℃；?代表隧道內(nèi)壁對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；δ1、δ2代表隧道混凝土厚度和土壤層厚度，m；λ1、λ2為導(dǎo)熱系數(shù)，λ1代表混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，λ2代表土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

式中，QPSD代表屏蔽門傳熱量，kW；FPSD代表圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱面積，m2；ttune代表隧道空氣溫度，℃；KPSD代表屏蔽門傳熱系數(shù)，這里我們認(rèn)為屏蔽門為玻璃材質(zhì)，W/(m2·℃)。

獲得了上海市和廣州市全年隧道溫度模擬結(jié)果，以及北京市近期和遠(yuǎn)期空調(diào)季隧道溫度的取值[13]，在計(jì)算逐時(shí)負(fù)荷時(shí)對(duì)隧道溫度的取值如圖1、圖2所示。

圖1 上海市全年隧道溫度Figure 1 Tunnel air temperature in Shanghai

圖2 廣州市全年隧道溫度Figure 2 Tunnel air temperature in Guangzhou

北京市地鐵隧道溫度根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值為近期隧道空氣溫度22℃，遠(yuǎn)期隧道空氣溫度28℃。

1.1.4 站內(nèi)照明、電梯設(shè)備發(fā)熱量

照明系統(tǒng)逐時(shí)能耗為

式中，Qlight為照明系統(tǒng)逐時(shí)能耗，kWh；Plight是照明功率密度，W/m2；F是照明面積，m2；τlight是日照明時(shí)間，h。

Plight的取值從 GB50034-2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中獲得，高檔地鐵站的現(xiàn)行值 9 W/m2，目標(biāo)值8 W/m2；普通地鐵站的現(xiàn)行值 5 W/m2，目標(biāo)值4.5 W/m2[11]。

垂直交通能耗的計(jì)算方法采用了文獻(xiàn)[14]中的方法，其他設(shè)備的發(fā)熱量使用其功率近似計(jì)算。

1.1.5 機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷

機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷為

式中，Gmech_air為機(jī)械新風(fēng)量，m3/h，Δh1為新風(fēng)與室內(nèi)空氣的焓差。

機(jī)械新風(fēng)是為了保證站內(nèi)人員健康需求引入的新風(fēng)，為盡可能減少新風(fēng)引入帶來(lái)的能耗增加，地鐵公區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在小新風(fēng)模式下的機(jī)械新風(fēng)量Gmech_air取值由總新風(fēng)需求量與無(wú)組織滲風(fēng)量的差值確定。全新風(fēng)和通風(fēng)模式下的機(jī)械新風(fēng)量根據(jù)室內(nèi)冷負(fù)荷確定。

1.2 逐時(shí)負(fù)荷模擬結(jié)果

選取夏熱冬暖、夏熱冬冷地區(qū)、寒冷地區(qū)的3個(gè)代表城市：廣州、上海、 北京，根據(jù)3地地鐵運(yùn)營(yíng)方提供的數(shù)據(jù)，3個(gè)城市空調(diào)季的具體時(shí)間如表3所示。

表3 不同城市空調(diào)季時(shí)間Table 3 Refrigeration season in different cities

利用逐時(shí)能耗計(jì)算模型分別計(jì)算了3個(gè)城市遠(yuǎn)期空調(diào)季的逐時(shí)冷負(fù)荷。圖3、圖4、圖5為北京、上海、廣州運(yùn)行遠(yuǎn)期的逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果。通過(guò)逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷模擬，計(jì)算出北京市遠(yuǎn)期逐時(shí)負(fù)荷的最大值162 kW；上海市遠(yuǎn)期逐時(shí)負(fù)荷的最大值為175 kW；廣州市遠(yuǎn)期逐時(shí)負(fù)荷的最大值為215 kW。由于客流量和發(fā)車對(duì)數(shù)規(guī)律變化，3個(gè)城市的遠(yuǎn)期逐時(shí)負(fù)荷均表現(xiàn)出以天或星期為周期的周期性變化，同時(shí)也有隨著室外氣象參數(shù)導(dǎo)致的變化。

圖3 北京市遠(yuǎn)期空調(diào)季逐時(shí)負(fù)荷曲線Figure 3 Long-term hourly load curve of refrigeration season in Beijing

圖4 上海市遠(yuǎn)期空調(diào)季逐時(shí)負(fù)荷曲線Figure 4 Long-term hourly load curve of refrigeration season in Shanghai

圖5 廣州市遠(yuǎn)期空調(diào)季逐時(shí)負(fù)荷曲線Figure 5 Long-term hourly load curve of refrigeration season in Guangzhou

1.3 部分負(fù)荷情況計(jì)算

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，繪制出將3個(gè)城市遠(yuǎn)期逐時(shí)負(fù)荷按大小順序排序的柱狀圖，如圖6、圖7、圖8，并以不保證50 h的逐時(shí)負(fù)荷最大值作為100%負(fù)荷，分別統(tǒng)計(jì)0～25%，25%～50%，50%～75%，75%～100%負(fù)荷的小時(shí)數(shù)以計(jì)算不同負(fù)荷率占比情況，見(jiàn)表4。

表4 負(fù)荷率區(qū)間占比統(tǒng)計(jì)Table 4 Load rate section in three cities %

圖6 北京市負(fù)荷延時(shí)曲線圖Figure 6 Load duration curve in Beijing

圖7 上海市負(fù)荷延時(shí)曲線圖Figure 7 Load duration curve in Shanghai

圖8 廣州市負(fù)荷延時(shí)曲線圖Figure 8 Load duration curve in Guangzhou

2 IPLV計(jì)算

2.1 IPLV系數(shù)計(jì)算結(jié)果

文獻(xiàn)[9]通過(guò)計(jì)算得到的《水冷直接制冷式地鐵車站用空調(diào)機(jī)組性能檢測(cè)方法》中規(guī)定的寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)的IPLV計(jì)算公式分別為：

將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[9]進(jìn)行對(duì)比。繪制圖 9。根據(jù)圖表可以看出，文獻(xiàn)雖然考慮到了冷機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的部分負(fù)荷工況，計(jì)算了空調(diào)季逐時(shí)負(fù)荷，但是由于負(fù)荷計(jì)算取值較為簡(jiǎn)化，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有所出入。標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果中 0～25%負(fù)荷率區(qū)間占比計(jì)算結(jié)果過(guò)小，3個(gè)氣候區(qū)的計(jì)算結(jié)果均不到10%，而本文計(jì)算值接近或超過(guò)30%。分析其原因，首先，在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，文獻(xiàn)計(jì)算的固定發(fā)熱量取值過(guò)大，例如單位面積照明功率取值偏大、認(rèn)為電梯時(shí)刻處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)等，因此文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果中 0～25%負(fù)荷率區(qū)間占比計(jì)算結(jié)果很小。其次，在計(jì)算滲風(fēng)負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷時(shí)，取滲風(fēng)量為固定值，而實(shí)際上車站出入口滲風(fēng)量與屏蔽門滲風(fēng)量是跟發(fā)車對(duì)數(shù)有相關(guān)關(guān)系的，一天中發(fā)車對(duì)數(shù)是逐時(shí)變化的，取定值會(huì)減少負(fù)荷的波動(dòng)，從而使處于25%～75%負(fù)荷率區(qū)間的情況增加，除了早晚高峰之外，其他時(shí)刻發(fā)車對(duì)數(shù)較小，滲風(fēng)量較小，因此除早晚高峰之外大部分時(shí)間車站公區(qū)負(fù)荷很小。這兩個(gè)原因?qū)е碌罔F車站空調(diào)季低負(fù)荷情況占比很大。

圖9 不同負(fù)荷率占比情況對(duì)比Figure 9 Comparison of load rate section of three cities

2.2 同時(shí)開(kāi)啟多臺(tái)冷機(jī)情況

現(xiàn)有的 IPLV計(jì)算方法通常默認(rèn)建筑物的負(fù)荷由單一冷機(jī)承擔(dān)，實(shí)際情況下，普通公共建筑冷機(jī)配置情況較為復(fù)雜，冷機(jī)群控方式也沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定，IPLV計(jì)算法則不適用于多臺(tái)冷水機(jī)組同時(shí)承擔(dān)系統(tǒng)冷負(fù)荷的情況[15]。地鐵站的公區(qū)負(fù)荷通常使用2臺(tái)冷量相同的冷機(jī)承擔(dān)。針對(duì)2臺(tái)冷機(jī)共同承擔(dān)公區(qū)負(fù)荷的情況，選取兩臺(tái)相同冷量的冷機(jī)，冷量為峰值負(fù)荷的1/2，定義如下運(yùn)行模式：

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷率＜50%時(shí)，開(kāi)啟1臺(tái)冷機(jī)，此時(shí)機(jī)組負(fù)荷率為系統(tǒng)負(fù)荷率的兩倍；系統(tǒng)負(fù)荷率＞50%時(shí)，開(kāi)啟2臺(tái)冷機(jī)，各負(fù)責(zé)一半系統(tǒng)負(fù)荷，2臺(tái)冷機(jī)的機(jī)組負(fù)荷率相同，此時(shí)均與系統(tǒng)負(fù)荷率相等。根據(jù)以上運(yùn)行模式，以廣州市遠(yuǎn)期負(fù)荷計(jì)算結(jié)果為例，統(tǒng)計(jì)機(jī)組負(fù)荷率，結(jié)果如表5，將結(jié)果繪制成圖10。

表5 不同冷機(jī)臺(tái)數(shù)下負(fù)荷率占比統(tǒng)計(jì)Table 5 Load rate section under the condition of using one chiller or two chillers %

圖10 不同冷機(jī)臺(tái)數(shù)下負(fù)荷率占比對(duì)比Figure 10 Comparison of load rate section under the condition of using one chiller or two chillers

使用兩臺(tái)冷機(jī)的情況下，低于25%負(fù)荷率的情況變?yōu)?5%，但是還是高于團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)值1.5%；50%以上負(fù)荷率區(qū)間從40%增加到77%，與團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)值接近。

3 結(jié)論

采用了一種依據(jù)建筑參數(shù)、發(fā)車對(duì)數(shù)和車站活塞風(fēng)形式等設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算地鐵標(biāo)準(zhǔn)站全年逐時(shí)負(fù)荷的計(jì)算方法，計(jì)算了寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)的典型城市全年(空調(diào)季)的逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷，并計(jì)算不同負(fù)荷率的小時(shí)數(shù)占比與《水冷直接直冷式地鐵車站用空調(diào)機(jī)組性能檢測(cè)方法》中規(guī)定的 IPLV計(jì)算公式進(jìn)行比較。

計(jì)算結(jié)果與團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《水冷直接制冷式地鐵車站用空調(diào)機(jī)組性能檢測(cè)方法》的規(guī)定值有一定不同，主要原因在于負(fù)荷計(jì)算方法的以下幾點(diǎn)不同：①在計(jì)算地鐵車站負(fù)荷時(shí)，固定發(fā)熱量的取值對(duì)負(fù)荷率區(qū)間占比的計(jì)算結(jié)果有較大影響，應(yīng)采用更為精確的垂直交通計(jì)算模型和符合實(shí)際的照明功率密度；②計(jì)算出入口滲風(fēng)負(fù)荷和屏蔽門滲風(fēng)負(fù)荷時(shí)，應(yīng)考慮由于逐時(shí)發(fā)車對(duì)數(shù)變化而導(dǎo)致的滲風(fēng)量變化，機(jī)械新風(fēng)量的確定應(yīng)考慮兩種情況，當(dāng)室外焓值高于室內(nèi)焓值時(shí)，應(yīng)由總新風(fēng)需求量與無(wú)組織滲風(fēng)量的差值確定，當(dāng)室外焓值低于室內(nèi)焓值時(shí)，應(yīng)開(kāi)啟全新風(fēng)模式。

計(jì)算結(jié)果顯示，地鐵站空調(diào)季部分負(fù)荷情況占比很高，低于25%負(fù)荷率的情況占空調(diào)季運(yùn)行時(shí)間的接近1/3，低于50%負(fù)荷率占比超過(guò)運(yùn)行時(shí)間的50%。即使考慮實(shí)際使用2臺(tái)冷機(jī)的情況，低負(fù)荷率占比有所降低，但是仍高于團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)值，因此在地鐵用水冷機(jī)組選型時(shí)要格外重視冷機(jī)的部分負(fù)荷性能。