地铁车站通风空调系统生命周期CO2排放量研究*
2021-11-19袁艳平蒋福建
秦 骜 袁艳平 蒋福建
(西南交通大学机械工程学院，610031，成都∥第一作者，硕士研究生)
准确地计算和评估地铁车站通风空调系统生命周期的CO2排放量，是实现城市轨道交通系统节能减排的重点工作之一。地铁车站通风空调系统的运营时间、设备类型、施工工艺等都与常规公共建筑存在许多差异，其能耗特征亦有很大不同［1］，致使现有研究成果无法直接应用至地铁车站通风空调系统中。因此，本文结合生命周期评价理论，建立基于地铁通风空调系统结构特点的CO2排放量计算流程和评估方法，并对实际案例中的CO2排放特征进行了分析。
1 地铁车站通风空调系统构成
目前，我国常见的地铁车站通风空调系统制式有开式系统、闭式系统、屏蔽门系统。无论何种制式的系统都可以认为是由车站公共区空调通风系统、车站设备管理房通风空调系统、区间隧道通风系统、冷源水系统［2］等4个子系统构成。文献［3］显示，国内新建与改建的地铁车站通风空调系统制式主要为屏蔽门系统。故本文以国内典型的屏蔽门式车站为例，根据生命周期理论，将地铁车站通风空调系统生命周期划分为生产、运输和安装、运行、拆除和回收等4个阶段，从而对系统生命周期各阶段的CO2排放量进行研究。
本文根据地铁车站通风空调系统(见图1)的结构特点，构建了生命周期各阶段的CO2排放量计算模型。对于该系统中的每个子系统，都将其视为机组设备、管道等单元构件的集合。对地铁车站通风空调系统生命周期各阶段的CO2排放量进行计算时，都应结合车站所采用的具体通风空调系统制式，按照总系统-子系统-元构件的顺序分解，计算出各单元构件的CO2排放量而后集成，进而得到该系统的CO2总排放量。
图1 地铁车站通风空调系统构成Fig.1 Composition of ventilation and air conditioning system at metro station
2 地铁车站通风空调系统生命周期CO2排放量计算模型
地铁车站规模不一，所采用的通风空调系统形式各异。为使不同类型的系统之间能够进行CO2排放强度比较，本文选取通风空调系统每年单位制冷量所产生的CO2排放量CL作为CO2排放评价指标:
式中:
Cs——地铁车站通风空调系统生命周期产生的CO2排放总量;
Q——地铁车站通风空调系统主机额定制冷量;
y——地铁车站通风空调系统的运行寿命。
2.1 生产阶段CO2排放量计算模型
生产阶段CO2排放量Cpr的计算公式为:
式中:
k——地铁车站通风空调系统中的子系统种类;
i——子系统中的单元构件种类;
n——材料种类;
l——能耗种类;
Mk，i，n——第k种子系统、第i种单元构件中第n种材料的使用量;
Wk，i，n——第k种子系统、第i种单元构件中第n种材料的CO2排放系数;
Ek，i，l——第k种子系统、第i种单元构件在生产阶段的第l种能源的消耗量;
Uk，i，l——第k种子系统、第l种能源的CO2排放系数。
由于地铁车站通风空调系统中设备众多，且各类设备中的具体材料种类及所占比例也各异，因此，对其生产阶段的资源、能源消耗等基础数据的搜集和整理是一项对时间和人力耗费都极大的工作［4］。本文在国内学者对相关设备及构件生产阶段资源、能源消耗研究的基础上，对基础的清单数据进行遴选和整理，将材料、能源的CO2排放系数代入，换算得到各种设备生产阶段的CO2排放数据并进行总结，进而提出单位质量设备生产阶段综合CO2排放量。其计算公式为:
式中:
pi——单位质量的第i种单元构件生产阶段综合CO2排放量;
mn——单位质量的第i种单元构件中第n种材料的质量;
el——生产单位质量的第i种单元构件所需的第l种能源的消耗量。
将式(3)代入式(2)，则生产阶段的CO2排放量计算公式简化为:
式中:
mi——第k种子系统中第i种单元构件的质量。
2.2 运输阶段CO2排放量计算模型
运输阶段CO2排放量的计算公式为:
式中:
Ctr——运输阶段CO2排放量;
t——运输方式的种类;
Mk，i，t——第k种子系统中以第t种方式运输的单元构件i的质量;
Lk，i，t——第k种子系统中以第t种方式运输的单元构件i的运输距离;
Uk，t——第k种子系统中第t种运输方式的CO2排放系数。
2.3 安装阶段CO2排放量计算模型
安装阶段CO2排放量的计算公式为:
式中:
Cct——安装阶段的CO2排放量;
c——安装工艺的种类;
Qk，c——第k项子系统中第c种安装施工工艺的工程量;
Ek，c——第k项子系统中第c种安装施工工艺的单位工程量所产生的能耗;
Uc——第c种安装施工工艺所消耗能源的CO2排放系数。
2.4 运行阶段CO2排放量计算模型
运行阶段的年CO2排放量Cop计算公式为:
式中:
f——能耗设备的种类;
Nk，f——第k种子系统中第f种耗能设备的数量;
Uk，f——第k种子系统中第f种耗能设备的CO2排放系数;
Pa——空调季节第k种子系统中第f种耗能设备以模式a运行的功率;
Pv——非空调季节第k种子系统中第f种耗能设备以模式v运行的功率;
Ta——空调季节第k种子系统中第f种耗能设备每天以模式a运行的时间;
Tv——非空调季节第k种子系统中第f种耗能设备每天以模式v运行的时间;
Dk，a——每年地铁车站通风空调系统第k种子系统空调季节;
Dk，v——每年车站通风空调系统第k种子系统非空调季节。
2.5 计算模型中CO2排放系数的选择
CO2排放系数是指消耗单位质量的能量或原材料所产生的CO2气体的质量。本文依据文献［5-10］，整理了CO2排放量计算模型中基于能源、材料和运输方式的CO2排放系数，见表1。
表1 基于能源、材料、运输方式的CO2排放系数Tab.1 CO2 emission coefficients of materials，energy sources and transportation methods
2.6 计算模型中生产阶段CO2排放基础数据的确定
本文基于对实际地铁车站通风空调系统设备类型的调研，根据文献［6，10-11］中所记录的建筑设备生产阶段资源与能源消耗数据，将各类能源与材料的CO2排放系数代入，换算得到生产阶段单位质量主要设备的综合CO2排放量pi，见表2。
表2 地铁车站通风空调系统单位质量的主要设备生产阶段综合CO2排放量Tab.2 Comprehensive CO 2 emission per unit weight of ventilation and air-conditioning system main equipment at subway stations in the production process
3 地铁车站通风空调系统CO2排放量计算案例分析
3.1 案例基本概况
本文选取的案例为贵阳轨道交通1号线(以下简为“1号线”)某典型屏蔽门系统车站的通风空调系统(见图2)。其中，公共区空调通风系统采用一次回风全空气系统，设备管理房通风空调系统采用一次回风全空气系统和空气-水系统，冷源水系统采用一次泵变流量系统，区间隧道通风系统设置隧道风机。
图2 1号线某典型屏蔽门系统车站通风空调系统原理图Fig.2 Schematic diagram of ventilation and airconditioning system at Line 1 station
生产阶段CO2排放量的计算输入参数取自本文第2节的地铁车站通风空调系统生产阶段的CO2排放量数据。案例车站通风空调系统主要设备各阶段的CO2排放量，如表3所示。运输阶段的运输方式假设为全部采用公路运输，运输距离根据《中国统计年鉴2016》［12］，取案例机电工程施工时(2016年)的中国公路货物运输平均运距182.81 km。安装阶段根据《城市轨道交通工程概算定额》［13］确定地铁车站通风空调系统安装工程的项目种类，以及各项目所需的施工机械种类;依照《铁路工程施工机具台班费用定额》［14］确定各种施工机械工作每台班所使用的能源类型和用量，代入能源的CO2排放系数换算得到施工机械每台班的CO2排放量;最后将施工机械每台班的CO2排放量代入各安装工程项目，换算得到该项目的CO2排放量。地铁车站通风空调系统使用寿命依据工程资料设为15年，每日运营时间为06:00—23:00，每年空调季节为150 d。
表3 案例车站通风空调系统主要设备各阶段的CO2排放量Tab.3 CO2 emission parameters of station main equipment ventilation and air conditioning system at various stages
3.2 地铁车站通风空调系统与普通建筑通风空调系统CO2排放量对比分析
对比文献［8，10］中的8个普通建筑通风空调系统案例中的CO2排放数据，发现普通建筑通风空调系统的CL取值范围为424.18～809.54 kg/(kW·年)，平均值为553.12 kg/(kW·年)。本文案例中的CL为917.39 kg/(kW·年)，比普通建筑通风空调系统CL的极大值高出13.32%，比平均值高出65.86%。由此可见，案例地铁车站通风空调系统的CO2排放强度明显高于普通建筑。主要原因在于:地铁车站通风空调系统运行强度极高，公共区通风空调系统设备在车站运营时间内始终开启，设备及管理用房中大部分房间的通风空调设备在全日24 h内均处于运行状态;地铁车站通风空调系统中设备容量一般按照运营远期峰值负荷进行选型。
3.3 地铁车站通风空调系统生命周期各阶段CO2排放量分析
当地铁车站通风空调系统使用寿命为15年时，生命周期各阶段CO2排放量所占比例分别为:生产阶段1.4%，运输和安装阶段0.73%，运行阶段97.87%。案例车站生命周期各阶段CO2排放量，如表4所示。由表4可知，运行阶段是CO2排放量最多的阶段，生产阶段和运输安装阶段所产生的CO2排放量所占比例较小。因此，应重点针对运行阶段进行CO2减排。
表4 案例车站生命周期各阶段CO2排放量Tab.4 CO2 emissions at the life cycle stages of the case station
4 结语
本文建立了适用于地铁车站通风空调系统的生命周期各阶段CO2排放量计算模型。遴选和整理了常用设备生产阶段的资源、能源消耗清单，通过换算得到生产阶段的CO2排放数据，在此基础上提出以生产阶段单位质量的综合CO2排放量作为地铁车站通风空调系统设备生产阶段的CO2排放单位。基于对实例的计算和分析，发现地铁车站通风空调系统的CO2排放强度远高于普通建筑通风空调系统，其低碳评价和CO2减排应受到更多重视。
