某枢纽车站空调冷热源系统的选用分析

蔡珊瑜 高文佳

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,200092,上海∥第一作者,高级工程师)

近年来,随着我国经济进入了新一轮快速增长期,各地都建设了一批综合交通枢纽工程,如已建成的北京南站和目前正在新建的上海虹桥枢纽。这些大型综合交通枢纽工程无一例外地将铁路、城市地铁、公路客运、道路公交等各种交通功能合理整合成一体,从而发挥其最大的交通功能,满足当地经济发展对交通的需要。结合长江三角洲地区的某个大型交通枢纽中的铁路客站设计,针对车站的工程建造特点,通过对空调系统全年逐时运行工况的模拟预测分析,对空调系统冷热源的组合形式从可实施性、经济性、节能性、环保性等方面来进行分析和比选,得出合理方案,从而确定空调系统冷热源形式的选用。

集中空调系统在建筑能耗中占很大比例,约为40%～50%,而其中冷热源主机部分的所占运行能耗高达50%～60%[1]。空调系统冷热源形式的设计选用将直接影响车站的全年运行能耗。因此,对车站空调冷热源设计方案的比选分析和合理选用,就显得十分必要。

1 工程概况

本文所介绍的大型综合城市交通枢纽采用“一心、两轴、四区”的总体规划格局。其核心区以铁路客站为中心,在车站出站通廊下为地下三层岛式地铁车站,与铁路站房呈十字交叉;国铁出站通廊连接南北广场;南北站场区域综合了长途汽车站、道路公交车站、社会车场、出租车站的多种功能换乘交通体系,综合形成了大型交通枢纽(见图1、2)。本文中所研究的车站即为枢纽中心的铁路站房部分。车站规模为14站台面16线,旅客流线采用地上进站、高架候车、地下出站,枢纽车站设置南北站房,为高架线侧站。站房南北跨度为180 m,东西长约230 m,总建筑面积约 62 500 m2。其2030远景年车站高峰小时客流集散总量将达到15 750人次/h。

图1 某交通枢纽总平面图

根据站房功能要求,车站空调末端系统组成如下:高架候车区采用分层空调系统,其他大空间区域以一次回风全空气系统为主,办公管理用房为空气-水系统,部分设备工艺用房采用变制冷剂流量系统。

图2 某车站横剖面图

2 空调负荷特点及预测

工程所处地区在建筑热工分区上属于典型夏热冬冷地区。最冷月平均温度为 0～10℃,最热月平均温度在25～30℃;日平均气温≤5℃天数少于90 d,日平均气温≥25℃的天数在40～110 d之间。这个地区建筑物的空调负荷特点是冷负荷大于热负荷。由于车站建筑为高大空间,建筑外立面材料通透性高,因此其围护结构热工性能差、蓄热能力弱,自然通风及采光对室内温湿度场影响度大,站房内客流的时段不平衡性强。这些特性使得室内冷负荷加大,同时也加大了冷热负荷差异性。

由于南北站房建筑平面具有对称性的特点,且南北站房的跨度长达近180 m,为了减少空调介质的输送能耗,设计分析考虑在南北站房分别设置冷热源中心。本文的比选仅以北站房作为目标。

在分析中利用 HDY-SMAD暖通空调负荷计算及分析软件进行模拟计算预测。图3、图4为设计日逐时冷热负荷数据。从图中可见:北站房夏季设计日的逐时冷负荷最大综合值为5 957.4 k W,出现在16:00;北站房冬季设计日的逐时热负荷最大综合值为3 575 k W,出现在6:00。

图3 设计日逐时冷负荷

图4 设计日逐时热负荷

分析图3、图4的计算数据可见:该站房的冷热负荷具有明显的不均衡性,冬季空调负荷远小于夏季冷负荷。经调研,长三角地区铁路客站供冷季约为180 d,供热季约为90 d;全年供冷平均日冷负荷约为设计日冷负荷的60%,全年供热平均日热负荷约为设计日热负荷的 79%[2]。为此,计算分析得出:该铁路客站的北站房全年空调总冷负荷约为10 367×103kWh,全年总热负荷约为3 675×103k Wh。可以看出,全年冷热负荷差异极大,冷负荷占到全年负荷的74%,热负荷只占到全年负荷的26%。

3 冷热源方案

空调系统的冷热源方式,应根据站房规模,结合当地能源结构及其价格政策、气候特点、水文地质资料、环保要求等多方面比选分析后确定[3]。本工程所处地区的主要能源产品是电和天燃气,项目周边有可利用的热电厂的余热——饱和蒸汽(1.0 MPa,180℃)。

考虑到本工程地处典型的夏热冬冷的气候地区,空调系统以供冷为主,但同时也需兼顾冬季供暖这一特点,经过初步比选分析,筛选出以下三种方案作进一步的比较。

3.1 方案一

夏季采用冷水机组+冷却塔系统制冷,冬季采用市政蒸汽+汽水换热器制热。

冷水机组可根据夏季最大冷负荷选型,宜配置大小机组,2台大机组选用离心式,1台小机组选用螺杆式。这种配置可以达到较高的COP值。一一对应配置冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔,并增加冷冻小泵、冷却小泵备用泵各1台,且2台小泵亦可分别作为一台大泵的备用。冬季制热根据冬季最大热负荷选型,配置2台相同容量的汽水热交换器,制备60℃空调热水,对应配置3台热水泵。表1为方案 一的主要设备配置表。

表1 方案一主要设备配置表

3.2 方案二

夏季采用蒸汽双效吸收式冷水机+冷却塔系统制冷,冬季采用市政蒸汽+汽水换热器制热。

由于有可利用的蒸汽,故在考虑吸收式机组时本着优先利用市政能源的原则,拟采用2台蒸汽双效型吸收式机组取代方案一中的2台离心式冷水机组,夏季由这2台蒸汽双效型冷水机组与1台螺杆式冷水机组共同制冷。冬季的制热方式由于市政蒸汽的存在,为保证最高的能源利用率,故直接采用与方案一的相同方案,即利用市政蒸汽进行汽水换热提供空调热水。表2为方案二的主要设备配置表。

表2 方案二主要设备配置表

3.3 方案三

夏季采用地源热泵+冷却塔+冷水机组制冷,冬季采用地源热泵制热。

地源热泵系统是以土壤或地下水、地表水为低温热源,由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统和控制系统组成的供热空调系统,根据地热能交换系统形式的不同,分为地埋管地源热泵、地下水地源热泵及地表水地源热泵三种[4]。在本项目中,由于周边无可利用的江湖等水域,也无可利用的地下水,故排除水源地源热泵的可能性,仅分析地埋管地源热泵系统。

本项目中冷热负荷差异极大,若只使用地源热泵系统,由于全年释热量和取热量的极不平衡,若干年后土壤热失衡的问题会越来越严重,导致系统不能正常运行,故需另设冷水机组系统来有效缓解土壤热失衡问题。地源热泵机组根据冬季最大热负荷选型,宜配置2台相同容量的地源热泵主机,并对应配置用户侧循环水泵、土壤侧循环水泵各2台。夏季制冷工况时另行增配1台离心式冷水机来补充不足部分的冷量,同时需配置冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔各1台。夏季空调供冷,由冷水机组提供空调冷水,地源热泵作为补充。冬季空调供热,由地源热泵提供空调热水。表3为方案三的主要设备配置表。

表3 方案三主要设备配置表

4 方案比选分析

4.1 可实施性比较

由于方案一、方案二属于已具有成熟度的系统,因此,主机房的设置较为常规。而方案三则需要解决地源热泵系统所需的大面积埋管场地,根据初步估算大约需要14 100 m2。而车站属于线侧上式站房,站房候车厅下部为列车股道,由于地埋管需连通,故较难在股道之间进行地埋管敷设。若在站场外另寻埋管场地,由于本项目位于老城区,地下有众多周边市政管线,进行大面积的地埋管敷设时也存在相当难度,因此方案三的可实施性差于方案一、方案二。

4.2 经济性比较

比较前提:

1)根据当地相关市政部门的征询价格,电价暂按0.8元/k W·h计,蒸汽暂按193元/t计(2009年6月价),蒸汽增容费约35万元/t;

2)表4中的主机年运行费用按供冷期180 d,供热期90 d进行估算;

3)由于是对冷热源方案进行比较,故只对冷热源主机部分进行设备初投资及运行费用的比较,不包括空调末端设备部分。

表4 各方案经济性比较

通过表4可见:方案二的主机设备初投资较高,年运行费用最贵,因此相对于方案一无投资回收期,经济性最差;方案一的初投资最低;方案三年运行费用最低,但由于初投资过高,其设备投资回收期近11年,加之设备折旧,方案中所节省的年运行费用就失去经济性优势。

4.3 节能性比较

机组性能系数是机组的产冷量或产热量与所耗能量之比,这个参数是反映主机设备是否节能的重要指标。

方案一、方案二采用板式热交换器直接制备热水,效率高达90%～95%;方案三的地源热泵的制冷系数约为4.0～4.6,见表5。

表5 各种机组制冷性能系数

各种机组直接消耗的能源种类不同,有直接消耗一次能源天然气的,也有直接消耗二次能源电能的,还有的消耗高温蒸汽的。

对于采用电能作动力的机组,其能源利用率以消耗一次能源指标来比较更为合理。

从图5可见:消耗1 MJ的天然气,冷水机组制冷量为2.65～2.90 MJ,地源热泵可产生2.00～2.25 MJ冷量,或生产2.00～2.3 MJ热量。

由于方案一和方案二中可利用热电厂一次能源发电后的附属产品——余热高温蒸汽,因此,从能源的利用率角度来说是最高的。

图5 一次能源消耗表

4.4 环保性比较

方案二中的直燃机都是直接消耗一次能源天然气的设备,均会有烟气产生。烟气的主要成份为高温水蒸气及NO x,对大气环境会造成一定的污染。直燃机在夏季的烟气排放会加剧城市的热岛效应。方案一中不存在尾气的排放。方案三也不存在废气排放的问题,同时方案三中冷却塔的容量也是三个方案中最小的,因此,对夏季大气环境的热污染也是相对最小的。但是由于大规模的地源热泵在长期运行之后,会对这一区域的水文地质中的水温、土壤温度、生物环境等造成一定的影响,而目前国内对已运行工程的监测数据采集较少,因此,对环境的影响也缺乏研究。

5 结语

根据工程所处地区气候特点、建筑形态、使用业态等特点,预测分析空调冷热负荷,提出三种不同冷热源形式,并从经济型,节能型,环保型等不同角度来进行比较研究,得出:

1)从经济性角度,方案一的设备初投资最低,其年运行成本略高于方案三;方案三的设备初投资过高,导致回收期太长,在经济性上没有优势;方案二的初投资和运行费均高于方案一,也没有优势 。

2)从节能型角度,由于项目周边有可被利用的热电厂余热,故尽量利用余热的方案是对一次能源利用率的最大化;若在没有可利用的废热时,制冷工况消耗相同的一次能源,方案一的冷水机所提供的冷量高于地源热泵,地源热泵在制热工况可突显其节能优势。

3)从环保角度,由于方案二中吸收式直燃机在制冷工况要排放高温烟气,这方案的冷却塔配置也最大,需消耗最多的水源,加剧了城市热岛效应。方案一中冷水机组的制冷工况没有尾气排放,冷却塔也小于方案二。方案三的地源热泵目前对大气的环境影响是最小的,由于目前缺乏对地源热泵系统长期运行后影响监控数据,因此对水文地质的影响还无法评估。

4)在方案的可操作性上,方案三地源热泵系统所需的大面积地管埋区域较难实现。

故经过综上比选及研究,最终推荐方案一。

综合考虑长江三角洲地区的铁路站房空调系统冷热负荷差异性大,并兼顾该地区的能源结构及其现行价格,采用方案一在实施性上可行,经济性上最优;加之项目周边有热电厂的余热高温蒸气可利用,因此对一次能源的利用率也尽合理,故对此方案可进行深化实施。

[1]GB 50189—2005 公共建筑节能设计标准[S].

[2]孙兆军.上海虹桥高铁站房冷热源方案比选介绍[C]∥铁路暖通空调学术年会论文集.北京:中国勘察设计协会建筑环境与设备分会铁道专业委员会,2008.

[3]马友才,张银安,刘华,等.新建铁路客运站房暖通空调设计综述[J].暖通空调,2009(3):1.

[4]蒋能照,刘道平.水源·地源·水环热泵空调技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2007.

[5]王静伟,贺利工,涂旭炜.地铁车站通风空调大系统的节能设计[J].城市轨道交通研究,2009(5):38.