西昌西站暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

周昱雯 王勝男 張涂靜娃 彭金燾

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031；2.中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司 成都 610041）

0 引言

公共建筑能耗由于具有顯著的節(jié)能潛力而受到廣泛關(guān)注，目前，國內(nèi)建筑能源消耗年增長率高達(dá)3.7%，城市辦公建筑能耗大約在62.1-166.9kWh/m2，商業(yè)建筑的平均能耗為200kWh/m2[1-3]。交通建筑具有空間跨度大、功能復(fù)雜、人流密度高和空調(diào)系統(tǒng)運行時間長等特點，因此該類建筑的能耗特點及節(jié)能改造方向與普通公共建筑相比存在較大差異[4]。大量關(guān)于鐵路車站系統(tǒng)能耗研究結(jié)果表明，普通車站的暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗約占到車站總能耗的30-60%，照明系統(tǒng)約占10-20%，電梯系統(tǒng)約占5-10%，其中節(jié)能潛力最大的部分是暖通空調(diào)系統(tǒng)[5,6]。目前，新建或已開通的鐵路客運站中，中小型站房數(shù)量眾多，據(jù)調(diào)查夏熱冬冷地區(qū)鐵路站房每平米能耗指標(biāo)高達(dá)124～170kWh/m2（包含照明、電扶梯），因此應(yīng)重點關(guān)注中小型站房的節(jié)能問題[7]。

1 西昌西站概況

西昌西站位于涼山彝族自治州州府西昌市中心城區(qū)以西，是成昆鐵路擴(kuò)能工程中最大客運站，規(guī)模為中型站房。西昌西站設(shè)到發(fā)線10 條（含正線、機(jī)走線），預(yù)留1 條；設(shè)550m×10m×1.25m 基本站臺1 座，550m×11.5m×1.25m 中間站臺3 座，預(yù)留站臺1 座。西昌西站采用高架進(jìn)站地道出站的流線模式，主體由側(cè)式站房及高架候車站房兩部分構(gòu)成，站內(nèi)可實現(xiàn)立體換乘，站房主要功能分為客運用房、公安用房、設(shè)備用房、辦公用房等。

站房按最高聚集人數(shù)2500 人設(shè)計，總建筑面積14965.72m2，其中，建筑面寬：126.00m，站房建筑進(jìn)深：114.50m，建筑高度36.035m。地上共三層，從下至上依次為：出站層、進(jìn)站層、高架層，局部地下一層（消防泵房）。其中，地上一層建筑面積2136.72m2，二層建筑面積2317.50m2，三層建筑面積：9373.44m2，高架候車室夾層建筑面積：909.79m2，地下一層建筑面積228.27m2，車站已于2022 年1 月投入運營，實景圖如圖1 所示。

圖1 西昌西站實景圖Fig.1 Realistic view of Xichang West Railway Station

2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

充分考慮所在地能源條件及全年氣候特點，結(jié)合中小型鐵路客運站建筑形式及使用規(guī)律，系統(tǒng)設(shè)計在滿足室內(nèi)溫度、濕度、空氣品質(zhì)、合理氣流組織、噪聲等要求的前提下，從空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化、建筑形式調(diào)整、智能運行控制等方面開展深入研究，實現(xiàn)全壽命周期更好的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排，同時采用安全可靠、便于高效運行管理的控制系統(tǒng)。

2.1 全年逐時動態(tài)負(fù)荷模擬計算

根據(jù)國家及鐵路相關(guān)規(guī)范[8]，結(jié)合項目具體情況，確定室內(nèi)設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

表1 室內(nèi)空調(diào)設(shè)計參數(shù)Table 1 Indoor Air Design Conditions

以西昌地區(qū)全年8760h 氣象數(shù)據(jù)、高鐵站典型日客流量變化情況、以及室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為計算依據(jù)，利用EnergyPlus 軟件進(jìn)行西昌西站全年逐時動態(tài)負(fù)荷計算分析，計算模型如圖2 所示。

圖2 西昌西站計算模型圖Fig.2 Calculation model diagram of Xichang West Railway Station

經(jīng)計算，車站空調(diào)面積總計11163.9m2，集中空調(diào)冷負(fù)荷綜合最大值為2781kW，夏季設(shè)計日冷負(fù)荷為2256kW，設(shè)計單位空調(diào)面積冷指標(biāo)為202.1W/m2；熱負(fù)荷綜合最大值為1380kW，冬季設(shè)計日熱負(fù)荷為1079kW，設(shè)計單位空調(diào)面積熱指標(biāo)為96.7W/m2，系統(tǒng)全年負(fù)荷變化情況如圖3 所示?？梢钥闯?，車站全年以冷負(fù)荷為主，且持續(xù)時間長，從3 月初持續(xù)到10 月底。同時，3 月份出現(xiàn)明顯的冷熱交替變換現(xiàn)象，冷熱負(fù)荷波動較大。

2.2 冷熱源及集中空調(diào)水系統(tǒng)

高架候車廳、進(jìn)站廳、公共衛(wèi)生間采用4 臺螺桿式高效風(fēng)冷熱泵機(jī)組提供冷/熱水，每臺風(fēng)冷熱泵機(jī)組總制冷量498.9kW，制熱量492.4kW?？照{(diào)水系統(tǒng)為閉式機(jī)械循環(huán)，冷水供/回水溫度為7/12℃，熱水供/回水溫度為45/40℃。系統(tǒng)每天運行時間為18h，風(fēng)冷熱泵機(jī)組位于站房東北側(cè)屋面。貴賓室、辦公、客服商業(yè)等采用變頻多聯(lián)空調(diào)+全熱回收新風(fēng)機(jī)組（帶旁通），空調(diào)室外機(jī)集中設(shè)置在站房兩端混凝土屋面上。通信、信息機(jī)房（通信機(jī)械室、信息設(shè)備間、信息機(jī)房）采用冷凝回收自循環(huán)恒溫恒濕型機(jī)房空調(diào)。

空調(diào)水系統(tǒng)為一次泵變頻變流量雙管制系統(tǒng)，采用異程式、閉式機(jī)械循環(huán)，集中空調(diào)水系統(tǒng)原理圖如圖4 所示。水系統(tǒng)采用冷量來控制熱泵機(jī)組及其對應(yīng)水泵的運行臺數(shù)，通過分、集水器間的自力式壓差平衡閥來控制水系統(tǒng)供回水總管的壓差，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定?？照{(diào)水系統(tǒng)采用氣壓罐定壓補水，補水采用市政自來水，氣壓罐設(shè)于B 端空調(diào)機(jī)房。熱泵機(jī)組、水泵及其進(jìn)出水電動蝶閥應(yīng)進(jìn)行電氣聯(lián)鎖啟停。組合式空調(diào)機(jī)組的出水管上設(shè)置動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥，通過其來實現(xiàn)控制空調(diào)送風(fēng)溫度及典型房間的相對濕度。動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥的理想流量特性為等百分比特性，常閉型。風(fēng)機(jī)盤管的出水管上設(shè)置電動二通閥，其控制采用帶三種風(fēng)速選擇開關(guān)、可冬夏季轉(zhuǎn)換的室溫控制器聯(lián)動電動二通閥的自動控制。

圖4 集中空調(diào)水系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic design of centralized air conditioning water system

2.3 旁通變風(fēng)道全空氣系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，西昌隸屬溫和地區(qū)，其低于18℃的小時數(shù)為3209h（占比36.6%），在18℃～27℃之間的小時數(shù)為4538h（占比51.8%），室外干球溫度高于27℃的小時數(shù)為1013h（占比11.6%），如圖5 所示。據(jù)統(tǒng)計，西昌地區(qū)全年總通風(fēng)利用率為31.7%，其中風(fēng)壓利用率為13.4%，熱壓利用率為18.3%[9]。為了降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，應(yīng)根據(jù)站房建筑特點和負(fù)荷變化規(guī)律，在設(shè)計過程中充分利用復(fù)合通風(fēng)技術(shù)，消除室內(nèi)的余熱和余濕，節(jié)能降耗。

圖5 西昌典型氣象年各月份溫度分布時間Fig.5 Temperature distribution time of each month in typical meteorological year of Xichang

因此，高架候車廳采用旁通變風(fēng)道全空氣系統(tǒng)，即采用旁通變風(fēng)道方式，與一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)并聯(lián)，旁通風(fēng)道設(shè)置變頻風(fēng)機(jī)送風(fēng)，過渡季節(jié)開啟，原理圖如圖6 所示，機(jī)房平面圖如圖7 所示。旁通風(fēng)量按照換氣次數(shù)8.5 次/h 計算，該換氣次數(shù)下可最大限度延長通風(fēng)系統(tǒng)使用時間，充分利用過渡季室外“免費冷源”。

圖6 旁通式全空氣系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic design of the bypass variable air channel system

圖7 高架夾層空調(diào)機(jī)房平面圖Fig.7 Elevated mezzanine air conditioning room plan

2.4 零機(jī)械防排煙系統(tǒng)的應(yīng)用

通過與建筑專業(yè)密切配合，在滿足車站主要流線及使用功能的前提下，確定采用高架站房形式，優(yōu)化建筑平面布局，在進(jìn)站層及出站層沿順軌方向橫向布置，保證兩端辦公及設(shè)備區(qū)均至少有一面外墻可實現(xiàn)自然排煙；在高架層及夾層垂軌方向縱向布置兩列商業(yè)及辦公用房，兩側(cè)房間仍可保證一面外墻，中部候車大廳則采用頂部開窗自然排煙的方式。嚴(yán)格控制不得出現(xiàn)內(nèi)區(qū)超過50m2的有人房間，不得有超過20m 的全封閉內(nèi)走道。

因此，本工程全部采用自然排煙方式，無機(jī)械排煙系統(tǒng)。防煙分區(qū)內(nèi)任一點與最近的自然排煙窗（口）之間的距離不應(yīng)大于30m，自然排煙窗（口）應(yīng)設(shè)置手動開啟裝置，設(shè)置在高位不便于直接開啟的自然排煙窗（口），應(yīng)設(shè)置距地面高度1.3m-1.5m的手動開啟裝置。候車大廳采用電動排煙窗，同時具有自動開啟裝置。同時，樓梯間全部采用自然通風(fēng)方式，無機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)，并于頂部設(shè)置不小于1 平米的可開啟外窗。

2.5 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的EBA 建筑設(shè)備管理系統(tǒng)

鐵路站房負(fù)荷隨客流量變化而不斷波動，空調(diào)系統(tǒng)龐大，熱慣性大，導(dǎo)致系統(tǒng)實際運行過程中無法根據(jù)現(xiàn)場情況及時動態(tài)調(diào)整，其溫控系統(tǒng)控制復(fù)雜。為了保證系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)，常利用PLC 控制、DDC 控制、模糊控制等智能控制措施，促使空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到自動化、智能化控制管理目的，對降低空調(diào)系統(tǒng)運行能耗具有重要意義。

因此，車站內(nèi)設(shè)置了一套EBA（Environment/Equipment/Energy Building Administrator）建筑設(shè)備管理系統(tǒng)，系統(tǒng)監(jiān)控點位將近6000 個，監(jiān)控設(shè)備近368 臺，可實現(xiàn)以下四種功能：能耗在線監(jiān)測、空氣質(zhì)量監(jiān)測、舒適環(huán)境調(diào)節(jié)、節(jié)能運行控制，系統(tǒng)架構(gòu)主要由能源管理系統(tǒng)+環(huán)境控制系統(tǒng)+云數(shù)據(jù)平臺三大部分組成，其中環(huán)境控制系統(tǒng)下設(shè)有主控制模塊，云數(shù)據(jù)平臺下設(shè)有數(shù)據(jù)分析模塊，以上兩個模塊承擔(dān)控制系統(tǒng)主要執(zhí)行任務(wù)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖8 所示。

圖8 EBA 建筑設(shè)備管理控制系統(tǒng)構(gòu)架Fig.8 EBA building equipment management and control system architecture

它可對高鐵站內(nèi)的用能設(shè)備（空調(diào)、通風(fēng)、照明、電梯）進(jìn)行實時監(jiān)控，實現(xiàn)遠(yuǎn)程終端操作，同時建立建筑能效監(jiān)管模型，分析能源的使用情況，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測系統(tǒng)冷熱負(fù)荷，以能源費用最小、人員舒適度最高為原則制定整體運行策略，優(yōu)化調(diào)整機(jī)組新風(fēng)量、送風(fēng)量、水量、燈光照度、電動外窗開啟數(shù)量，降低新風(fēng)負(fù)荷，提高系統(tǒng)能源利用率，達(dá)到高效、統(tǒng)一的運維管理模式。

一級控制模塊可根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)采集箱反饋的歷史數(shù)據(jù)、當(dāng)前氣象參數(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，預(yù)測下一時刻冷熱負(fù)荷。根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果判定系統(tǒng)工作狀態(tài)，從而下發(fā)指令至三個子控制模塊（制冷、制熱、通風(fēng)）中執(zhí)行。二級控制模塊由三個子項組成：①制冷控制模塊；②制熱控制模塊；③過渡季通風(fēng)模塊。二級控制模塊負(fù)責(zé)接收主控制模塊下達(dá)的工作狀態(tài)指令，分析當(dāng)前工作狀態(tài)下需要執(zhí)行的系統(tǒng)，并下發(fā)指令給三級控制模塊，指定特定系統(tǒng)的運行狀態(tài)。三級控制模塊由：冷熱源系統(tǒng)、輸配系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)中的設(shè)備均設(shè)置就地手動控制裝置，并可通過遠(yuǎn)程/就地轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)控制功能切換。該系統(tǒng)及控制算法已獲批計算機(jī)軟件著作權(quán)，軟件名稱：大型半封閉建筑物熱舒適度智能控制系統(tǒng)（軟著凳字第6690042號）[10]。系統(tǒng)平臺應(yīng)用界面詳如圖9 所示。

圖9 EBA 建筑設(shè)備管理系統(tǒng)界面Fig.9 EBA building equipment management system interface

2.6 冷凝回收自循環(huán)恒溫恒濕型機(jī)房空調(diào)的應(yīng)用

鐵路四電（通信、信號、信息、電力）機(jī)房內(nèi)的溫濕度環(huán)境對其電子設(shè)備的安全運行具有重要影響，繼而影響鐵路行車安全。根據(jù)規(guī)范要求：機(jī)房內(nèi)溫度應(yīng)控制在18℃～28℃，相對濕度應(yīng)控制在40%～70%之間。而調(diào)查表明，目前已開通運營的機(jī)房內(nèi)部常常因無法及時補水加濕而導(dǎo)致室內(nèi)濕度普遍偏低。由于鐵路規(guī)范明確規(guī)定，不得有任何水管進(jìn)入四電機(jī)房內(nèi)部，導(dǎo)致機(jī)房空調(diào)補水系統(tǒng)難以實施。但上述機(jī)房規(guī)模較小，若采用集中式系統(tǒng)需要設(shè)置空調(diào)機(jī)房，則會造成投資成本增加。

考慮到機(jī)房空調(diào)運行時會產(chǎn)生大量冷凝水，若能夠?qū)⒗淠厥蘸笤儆糜诩訚瘢瑢崿F(xiàn)設(shè)備內(nèi)部自循環(huán)，可有效解決機(jī)房內(nèi)部加濕問題，又可滿足規(guī)范強條要求。由于四電機(jī)房為無人值守機(jī)房，無新風(fēng)及人員散濕量，室內(nèi)冷凝水量主要來源僅為室外空氣滲透帶來的加濕量。因此，房間單位面積冷凝水產(chǎn)生量可按下式估算：

式中：W為單位面積冷凝水量，g/(m2·h)；ρ為空氣密度，1.20kg/m3；V為房間體積，m3/h；n為滲透風(fēng)換氣次數(shù)，取0.25 次/h；dW為室外空氣含濕量，g/kg；dN為室內(nèi)空氣含濕量，g/kg；A為房間面積，m3/h。

以房間尺寸（5m×5m×4.5m）為例，選用室內(nèi)設(shè)計參數(shù)?。囟?2℃，濕度50%，含濕量8.3g/kg），室外空氣計算參數(shù)取成都地區(qū)冬/夏季空調(diào)室外計算溫濕度（冬季：干球溫度1℃、相對濕度83%、含濕量3.4g/kg；夏季：干球溫度31.8℃、相對濕度73%、含濕量21.9g/kg）。由上述參數(shù)可計算得出夏季典型設(shè)計日冷凝水量為18.36g/(m2·h)，冬季典型設(shè)計日冷凝水量為-6.615g/(m2·h)。

計算結(jié)果表明，夏季每小時單位面積冷凝水量可達(dá)18.36g/(m2·h)以上，冷水量非?？捎^。冬季則需要加濕，補水量可根據(jù)冷凝水回收量和加濕器加濕水量的差值來確定。同時，對比各種加濕方式可以看出，濕膜加濕和高壓微霧加濕的能耗比電熱加濕低，尤其是濕膜加濕，不僅能耗低，且加濕效率也較高，節(jié)能效果明顯。因此，根據(jù)理論分析結(jié)果，提出機(jī)房空調(diào)機(jī)組自循環(huán)濕度調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計方案，機(jī)組工作模式如下：應(yīng)用冷凝水盤回收空調(diào)機(jī)組冷凝水，回收的冷凝水可直接送入濕膜加濕水箱或先回至貯水罐后再送入加濕水箱進(jìn)行加濕，冷凝水不足時，可以通過補水裝置進(jìn)行補水，而多余的冷凝水則通過排水管排出。研發(fā)的高效冷凝回收自循環(huán)恒溫恒濕型機(jī)房專用空調(diào)機(jī)組已獲取實用新型專利一項（專利號：CN201220361449.7）[11]，樣機(jī)如圖10 所示。研發(fā)機(jī)組目前已在多個車站機(jī)房內(nèi)成功應(yīng)用，自循環(huán)加濕使機(jī)組能夠在適當(dāng)?shù)臐穸瓤刂品秶鷥?nèi)正常穩(wěn)定地運行，室內(nèi)相對濕度可控制在45%～52%范圍內(nèi)變化。

圖10 帶冷凝水回收的自循環(huán)裝置圖Fig.10 Diagram of condensation recovery self-circulating constant

3 結(jié)論

本文通過對西昌地區(qū)全年氣象參數(shù)及站房動態(tài)負(fù)荷特征進(jìn)行分析，依據(jù)溫和地區(qū)冬溫夏涼、過渡季時間長的特點，介紹所采用的暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計方案，得到如下結(jié)論與建議：

（1）采用旁通變風(fēng)道系統(tǒng)可充分利用過渡季室外免費冷源、降低系統(tǒng)運行阻力，建議在候車大廳的全空氣系統(tǒng)中推廣應(yīng)用；

（2）四電機(jī)房內(nèi)夏季每小時單位面積冷凝水產(chǎn)量可達(dá)18.36g/(m2·h)以上，高效自循環(huán)恒溫恒濕型機(jī)房專用空調(diào)機(jī)組采用冷凝水回收、濕膜加濕技術(shù)，節(jié)能增效，技術(shù)方案合理可行；

（3）EBA 建筑設(shè)備管理控制系統(tǒng)管理便捷、控制精度高、交互性好，可實現(xiàn)智能化管控，系統(tǒng)年節(jié)能效果可觀，獲得業(yè)主好評。

車站現(xiàn)已開通運營，系統(tǒng)運行效果良好，上述節(jié)能技術(shù)方案可在同類型鐵路站房中推廣應(yīng)用。但目前的數(shù)據(jù)尚不能對系統(tǒng)作全面分析與評價，后續(xù)將結(jié)合系統(tǒng)實際運行情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，深入探討各系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)差異，進(jìn)行量化分析。