地铁站水冷空调机组IPLV计算方法讨论

王怡臻，李晓锋

（清华大学建筑学院，北京 100084）

地铁通风空调系统，也称为地铁环控系统，是地铁车站内营造乘客正常乘车舒适环境和保证地铁系统正常运行的必不可少的一部分[1]。地铁车站负荷大、能耗高，环控系统能耗占比高[2]。《中国建筑节能发展报告》指出，中国北方地区，地铁站通风空调系统占地铁系统总能耗的约30%，而这一数字在南方地区达到了 50%[3]。中国地铁车站环控系统通常使用水冷式冷水机组进行制冷，其中冷机能耗在环控系统总体能耗中占比较大。对北京市地铁线路的调研显示，北京市地铁环控系统冷机能耗达到 40%[4]。根据《冷水机组能效限定值及能源效率等级》国家标准规定，地铁站通常使用的水冷式机组的一级能效值需要达到5.6[5]，而在实际运行过程中，很多地铁站冷机的COP难以达到甚至远低于这一水平[4]。因此，提高地铁站冷机的能效比在环控系统节能控制中显得尤为重要。

地铁建筑处于地下，出入口开放，列车运行导致的活塞风从出入口和隧道引入了大量无组织渗风负荷[2]，其中出入口渗风负荷受外界环境参数影响较为显著，不同季节室外环境的变换将对车站公区空调负荷产生巨大影响，同时一天内不同时段的发车对数变化也会严重影响渗风负荷的大小[6]。

测试数据表现出，地铁站运行时环控系统长期处于部分负荷状态[7]。其原因是地铁公区空调负荷受到发车对数、室外环境参数、地铁车站设计参数、活塞风模式等因素的影响，相较普通商业建筑负荷变动更大。大量冷机性能测试实测表明，螺杆冷水机组在低于50%负荷率时，COP显著下降。因此在对地铁站冷机进行选型时，应着重评判其部分负荷性能，不能仅比较额定能效比。

地铁建筑负荷特点与典型办公建筑的负荷特点[8]有很大区别，目前通常采用 IPLV(综合部分性能负荷系数)值来评判水冷式冷水机组部分负荷性能。中国目前使用的 IPLV计算方法是某一区域内典型建筑类型的平均，并不适用于具有独特能耗特点的地铁车站水冷机组[9]。文献[9]通过计算并分析地铁车站空调季逐时负荷，首次提出了针对地铁水冷机组计算 IPLV的方法，并应用于《水冷直接制冷式地铁车站用空调机组性能检测方法》中。但是其计算过程较为简化，首先固定发热量取值偏大，例如照明功率密度取值偏大，电梯计算使用额定功率；其次是无组织渗风量取为定值，而实际上无组织渗风量会随着发车对数而变化。这两点都造成了逐时负荷曲线趋于平稳，波动较小，与实际情况有一定出入。

现采用一种依据建筑参数、发车对数和车站活塞风形式等设计参数计算地铁标准站空调季逐时负荷的计算方法、计算寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区的典型城市空调季的逐时空调负荷，给出 IPLV系数的取值，并与《水冷直接直冷式地铁车站用空调机组性能检测方法》中规定的 IPLV计算公式进行比较，分析差异及其原因，并讨论考虑地铁站使用两台冷机时对IPLV系数取值的影响。

1 地铁站公区空调季逐时负荷模拟

研究对象为地下两层岛式标准站，使用屏蔽门系统，其中站厅建筑面积为1 842 m2，站台建筑面积为1 210 m2。

1.1 计算方法介绍

地铁环控系统分为大系统和小系统，分别负责站厅站台等公共区域环境控制和设备管理用房的环境控制[8]。计算的地铁车站冷机只负责大系统负荷，因此以大系统为研究对象计算。

地铁车站公区逐时总负荷可由如下公式算出[6]：

其中Qperson，Qinfiltration，QPSD，Qenve，Qfan，Qeq分别为人员热湿负荷、无组织渗风负荷、屏蔽门传热量、外围护结构得热、风机温升负荷、照明设备散热量、机械新风负荷。

1.1.1 人员热湿负荷

人员热湿负荷的计算公式为

式中Qperson为人员散热量，qperson为一个正常成年男子的全热散热，Gc和Gp分别为站厅和站台的人数，Ain、Aout为地铁站逐时进出站人数，a1、a2为进站时台平均停留时间，b1、b2为出站时站厅站台平均停留时间，min。

a1、a2为乘客进站时在站厅站台的平均停留时间，a1一般为2 min，a2取列车发车间隔时间的1/2，min；b1、b2一般可以取1.5 min。qperson的取值可以根据《实用供热空调设计手册》确定，这里将其定为0.182 kW/人[11]。Ain、Aout的值通过以往测试过的地铁站的实测数据中获得，远期的逐时客流量取值如表1所示。

表1 远期逐时客流量取值Table 1 Long-term hourly passenger number 人次

1.1.2 无组织渗风带来的冷负荷

与其他建筑不同，地铁站有直接与外界环境连接的出入口，由于列车运行导致的无组织新风大量进入车站，外界热湿空气进入站厅、站台成为系统冷负荷。其值可以用如下公式进行计算：

式中，Qinfiltration为车站出入口无组织渗风得热量，kW；G1为出入口到站厅无组织渗风量，m3/h；G2为经过屏蔽门进入站台区域的无组织渗风量。Δh1、Δh2分别为室外空气和站厅、隧道空气和站台的焓差。ρ为空气密度，kg/m3。

G1取值根据实际地铁线路运行远期实测数据给出、G2的值通过STESS软件模拟确定，随发车对数的变化而变化，计算案例中排热风机关闭，远期发车对数下出入口渗风量和屏蔽门渗风量的取值如表2所示。

表2 远期渗风量取值Table 2 Long-term unorganized infiltration air volume

1.1.3 围护结构传热和屏蔽门系统传热

围护结构传热量可由下式计算得出

式中，Qenvelop代表围护结构传热量，kW；Fenvelop代表围护结构传热面积，m2；t0、ta代表室外和站内温度，℃；∂代表隧道内壁对流传热系数，W/(m2·℃)；δ1、δ2代表隧道混凝土厚度和土壤层厚度，m；λ1、λ2为导热系数，λ1代表混凝土的导热系数，λ2代表土壤的导热系数，W/(m2·℃)；

式中，QPSD代表屏蔽门传热量，kW；FPSD代表围护结构传热面积，m2；ttune代表隧道空气温度，℃；KPSD代表屏蔽门传热系数，这里我们认为屏蔽门为玻璃材质，W/(m2·℃)。

获得了上海市和广州市全年隧道温度模拟结果，以及北京市近期和远期空调季隧道温度的取值[13]，在计算逐时负荷时对隧道温度的取值如图1、图2所示。

图1 上海市全年隧道温度Figure 1 Tunnel air temperature in Shanghai

图2 广州市全年隧道温度Figure 2 Tunnel air temperature in Guangzhou

北京市地铁隧道温度根据工程经验取值为近期隧道空气温度22℃，远期隧道空气温度28℃。

1.1.4 站内照明、电梯设备发热量

照明系统逐时能耗为

式中，Qlight为照明系统逐时能耗，kWh；Plight是照明功率密度，W/m2；F是照明面积，m2；τlight是日照明时间，h。

Plight的取值从 GB50034-2013《建筑照明设计标准》中获得，高档地铁站的现行值 9 W/m2，目标值8 W/m2；普通地铁站的现行值 5 W/m2，目标值4.5 W/m2[11]。

垂直交通能耗的计算方法采用了文献[14]中的方法，其他设备的发热量使用其功率近似计算。

1.1.5 机械新风负荷

机械新风负荷为

式中，Gmech_air为机械新风量，m3/h，Δh1为新风与室内空气的焓差。

机械新风是为了保证站内人员健康需求引入的新风，为尽可能减少新风引入带来的能耗增加，地铁公区通风空调系统在小新风模式下的机械新风量Gmech_air取值由总新风需求量与无组织渗风量的差值确定。全新风和通风模式下的机械新风量根据室内冷负荷确定。

1.2 逐时负荷模拟结果

选取夏热冬暖、夏热冬冷地区、寒冷地区的3个代表城市：广州、上海、 北京，根据3地地铁运营方提供的数据，3个城市空调季的具体时间如表3所示。

表3 不同城市空调季时间Table 3 Refrigeration season in different cities

利用逐时能耗计算模型分别计算了3个城市远期空调季的逐时冷负荷。图3、图4、图5为北京、上海、广州运行远期的逐时负荷计算结果。通过逐时空调负荷模拟，计算出北京市远期逐时负荷的最大值162 kW；上海市远期逐时负荷的最大值为175 kW；广州市远期逐时负荷的最大值为215 kW。由于客流量和发车对数规律变化，3个城市的远期逐时负荷均表现出以天或星期为周期的周期性变化，同时也有随着室外气象参数导致的变化。

图3 北京市远期空调季逐时负荷曲线Figure 3 Long-term hourly load curve of refrigeration season in Beijing

图4 上海市远期空调季逐时负荷曲线Figure 4 Long-term hourly load curve of refrigeration season in Shanghai

图5 广州市远期空调季逐时负荷曲线Figure 5 Long-term hourly load curve of refrigeration season in Guangzhou

1.3 部分负荷情况计算

根据上述计算结果，绘制出将3个城市远期逐时负荷按大小顺序排序的柱状图，如图6、图7、图8，并以不保证50 h的逐时负荷最大值作为100%负荷，分别统计0～25%，25%～50%，50%～75%，75%～100%负荷的小时数以计算不同负荷率占比情况，见表4。

表4 负荷率区间占比统计Table 4 Load rate section in three cities %

图6 北京市负荷延时曲线图Figure 6 Load duration curve in Beijing

图7 上海市负荷延时曲线图Figure 7 Load duration curve in Shanghai

图8 广州市负荷延时曲线图Figure 8 Load duration curve in Guangzhou

2 IPLV计算

2.1 IPLV系数计算结果

文献[9]通过计算得到的《水冷直接制冷式地铁车站用空调机组性能检测方法》中规定的寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区的IPLV计算公式分别为：

将计算结果与文献[9]进行对比。绘制图 9。根据图表可以看出，文献虽然考虑到了冷机实际运行中的部分负荷工况，计算了空调季逐时负荷，但是由于负荷计算取值较为简化，计算结果与实际情况有所出入。标准计算结果中 0～25%负荷率区间占比计算结果过小，3个气候区的计算结果均不到10%，而本文计算值接近或超过30%。分析其原因，首先，在进行负荷计算时，文献计算的固定发热量取值过大，例如单位面积照明功率取值偏大、认为电梯时刻处于满负荷运行状态等，因此文献计算结果中 0～25%负荷率区间占比计算结果很小。其次，在计算渗风负荷和新风负荷时，取渗风量为固定值，而实际上车站出入口渗风量与屏蔽门渗风量是跟发车对数有相关关系的，一天中发车对数是逐时变化的，取定值会减少负荷的波动，从而使处于25%～75%负荷率区间的情况增加，除了早晚高峰之外，其他时刻发车对数较小，渗风量较小，因此除早晚高峰之外大部分时间车站公区负荷很小。这两个原因导致地铁车站空调季低负荷情况占比很大。

图9 不同负荷率占比情况对比Figure 9 Comparison of load rate section of three cities

2.2 同时开启多台冷机情况

现有的 IPLV计算方法通常默认建筑物的负荷由单一冷机承担，实际情况下，普通公共建筑冷机配置情况较为复杂，冷机群控方式也没有统一规定，IPLV计算法则不适用于多台冷水机组同时承担系统冷负荷的情况[15]。地铁站的公区负荷通常使用2台冷量相同的冷机承担。针对2台冷机共同承担公区负荷的情况，选取两台相同冷量的冷机，冷量为峰值负荷的1/2，定义如下运行模式：

当系统负荷率＜50%时，开启1台冷机，此时机组负荷率为系统负荷率的两倍；系统负荷率＞50%时，开启2台冷机，各负责一半系统负荷，2台冷机的机组负荷率相同，此时均与系统负荷率相等。根据以上运行模式，以广州市远期负荷计算结果为例，统计机组负荷率，结果如表5，将结果绘制成图10。

表5 不同冷机台数下负荷率占比统计Table 5 Load rate section under the condition of using one chiller or two chillers %

图10 不同冷机台数下负荷率占比对比Figure 10 Comparison of load rate section under the condition of using one chiller or two chillers

使用两台冷机的情况下，低于25%负荷率的情况变为15%，但是还是高于团体标准值1.5%；50%以上负荷率区间从40%增加到77%，与团体标准值接近。

3 结论

采用了一种依据建筑参数、发车对数和车站活塞风形式等设计参数计算地铁标准站全年逐时负荷的计算方法，计算了寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区的典型城市全年(空调季)的逐时空调负荷，并计算不同负荷率的小时数占比与《水冷直接直冷式地铁车站用空调机组性能检测方法》中规定的 IPLV计算公式进行比较。

计算结果与团体标准《水冷直接制冷式地铁车站用空调机组性能检测方法》的规定值有一定不同，主要原因在于负荷计算方法的以下几点不同：①在计算地铁车站负荷时，固定发热量的取值对负荷率区间占比的计算结果有较大影响，应采用更为精确的垂直交通计算模型和符合实际的照明功率密度；②计算出入口渗风负荷和屏蔽门渗风负荷时，应考虑由于逐时发车对数变化而导致的渗风量变化，机械新风量的确定应考虑两种情况，当室外焓值高于室内焓值时，应由总新风需求量与无组织渗风量的差值确定，当室外焓值低于室内焓值时，应开启全新风模式。

计算结果显示，地铁站空调季部分负荷情况占比很高，低于25%负荷率的情况占空调季运行时间的接近1/3，低于50%负荷率占比超过运行时间的50%。即使考虑实际使用2台冷机的情况，低负荷率占比有所降低，但是仍高于团体标准值，因此在地铁用水冷机组选型时要格外重视冷机的部分负荷性能。