地铁车站空调设备分期配置与实施方案的经济性分析

刘晓亮 杨 卓 黄龙鑫 吴曈凌 阙阿燕 温敏健 李晓锋

(1.厦门轨道交通集团有限公司,厦门;2.北京清华同衡规划设计研究院有限公司,北京;3.清华大学,北京)

0 引言

地铁车站空调系统负荷存在近期、远期的差异,而车站空调系统一般根据远期负荷设计,导致近期设备容量冗余,从而造成初投资浪费和运行能耗增加。余龙清模拟了典型地铁车站空调季的逐时负荷,发现远期晚高峰负荷比初期高30%[1]。杨巨澜提出,车站负荷按远期客流量计算,但初近期客流量仅为远期的1/3～1/2,所选的设备容量远大于初近期负荷,初近期若不采取措施则会产生较大能耗[2]。王丽慧等人对上海地铁不同运行年限的环控设备进行了测试,发现由于冷水机组按远期最大负荷选型,初期运行时负荷率偏低,从而COP也偏低,机组能效较差[3]。

不少学者设计了针对性的空调系统方案,以适应地铁车站的近期、远期负荷差异。王静伟等人提出大系统的小新风机、回排风机应按近期、远期分别配置,避免近期产生无效的新风负荷[4]。董书芸设计哈尔滨地铁空调系统时,公共区两端分别配置多台排风机,以便于根据负荷进行台数控制,近期开启1台风机,远期开启多台风机,从而提高设备与负荷匹配性,提高风机效率[5]。当前国内已有部分城市的地铁车站空调系统采用了设备分期配置与实施方案,且已开通运营,如洛阳地铁1号线,对地铁车站的冷水机组、水泵、风机等均分别按近期、远期负荷选型,先采用近期设备,为远期预留设备安装位置即可,到远期时再更换为远期设备,节省了初投资和运行费用。

然而,采用空调设备分期配置与实施方案(以下简称分期方案)时,若地铁开通运行后迅速到达远期,会造成按近期负荷选型的设备的初投资浪费。因此,有必要考虑空调负荷高于近期负荷的年份的影响,从全寿命周期的角度对分期方案的经济性进行定量分析。

因此,本文以夏热冬暖地区某城市的典型地铁车站为例,针对空调系统的分期方案,建模进行定量分析,计算分期方案与传统方案全寿命周期的费用,分析分期方案的经济性。

1 研究对象简介

一个城市的地铁线路在未成网之前,客流增长较为缓慢,直到线路成网,客流会迅速增长。根据《城市轨道交通2020年度统计和分析报告》[6],目前国内存在大量的城市地铁线路建设不到4条,长期会处于未成网的状态。本文以此为研究对象,选择1个典型的地下2层标准站,车站基本信息如表1所示,为地下2层岛式车站,列车6节编组,站台长度120 m。其中,设备用房发热量根据实测结果取值,低于常规的设计值。根据文献[7-9]实测的设备用房发热量也一般小于设计冷负荷,大部分偏差超过50%。文献[7,9]中实测的设备用房发热量均约为100 kW,本文的设备用房发热量取值为97.9 kW,与文献中的实测结果接近。

2 近期/远期空调负荷分析

我国南方地区气候较热,空调冷负荷较大,南方地区地铁车站的环控系统能耗占总能耗的50%[10]。因此,空调系统方案的合理性对南方城市地铁车站的影响更大,本文选取夏热冬暖地区的气候条件进行空调负荷的分析。

根据GB 50157—2013《地铁设计规范》,地铁设计年限的初期、近期、远期分别对应运行后的第3、10、25年。由于初期时间较短,仅有3年,且初期与近期负荷相差较小,故仅考虑近期与远期的负荷差异,对空调设备进行分期配置与实施。

地铁车站通风空调系统根据服务区域不同进行划分,公共区通风空调系统称为“大系统”,设备管理用房区通风空调系统称为“小系统”。分别计算地铁车站近期、远期的全年逐时负荷,计算方法参考文献[11]中的计算公式。

地铁车站的总冷负荷分为大系统冷负荷和小系统冷负荷,计算公式如下:

QV=QVp+QVe

(1)

式中QV为地铁车站总冷负荷,kW;QVp为大系统冷负荷,kW;QVe为小系统冷负荷,kW。

大系统冷负荷计算公式如下:

QVp=Qpe+Qi+Qps+Qfp+Qmp+Qdp

(2)

式中Qpe为人员散热量,kW;Qi为无组织渗风得热量,kW;Qps为屏蔽门传热量,kW;Qfp为大系统风机温升散热量,kW;Qmp为大系统机械新风负荷,kW;Qdp为大系统设备散热量,kW。

小系统冷负荷计算公式如下:

QVe=Qfe+Qme+Qde

(3)

式中Qfe为小系统风机温升散热量,kW;Qme为小系统机械新风负荷,kW;Qde为小系统设备散热和设备用房照明散热量,kW。

由于近期、远期的客流量和发车对数等不同,公共区大系统的冷负荷在近期、远期存在差异,相关参数取值如表2所示。对于设备区小系统,根据笔者所在单位对广州地铁新、旧线路的现场测试结果,设备用房发热量在近期、远期相差较小,因此本文采取保守的计算方法,小系统的近期冷负荷等于远期冷负荷。

表2 模拟参数取值

计算车站的全年逐时冷负荷,得到近期、远期的峰值冷负荷分别为520、770 kW,近期、远期的全年累计负荷分别为54.3万、72.7万kW·h。车站全年逐时冷负荷分布如图1所示,0～200 kW的负荷主要为夜间只有设备区小系统运行时的负荷;公共区大系统运行时,远期负荷主要集中在300～500 kW之间,近期负荷主要集中在200～400 kW之间。因此,若按照远期设计负荷来选型,近期时空调系统设备会长期运行在相对低负载率的状态。

图1 车站全年逐时冷负荷分布

3 分期配置与实施方案设计

本文选择的典型地铁车站的空调方案是目前国内地铁普遍采用的通风空调系统方案[12-14],即公共区、设备用房共用1套常规螺杆式冷水机组,末端风系统采用组合式空调机组。因此,在此基础上设计了1套分期方案,具体设备选型见表3。

表3 分期方案与传统方案的空调系统设备选型

分期方案设计和设备选型的主要原则如下:

1) 空调水管、风管均按远期水量、远期风量设计选取;

2) 冷水机组、水泵、冷却塔、空调风机、回排风机等设备按照近期、远期负荷分别选取;

3) 设备性能按照国家相关标准的性能要求限值,统一设备性能的对比基准,如冷水机组性能按照满足GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》中的性能要求限值选取。

这样设计的优势为:从设备更换和改造的角度,远期只需更换机房设备,无需拆改管线,对公共区装修和正常运营造成的影响较小;从风机水泵功率配置的角度,由于管网按远期选型,近期在水泵低流量、风机低风量的情况下,水系统和风系统阻力均较小,风机水泵类设备的额定功率相较于远期降低了50%～70%。

4 能耗计算

4.1 计算方法

根据全年逐时负荷计算地铁车站空调系统全年逐时能耗,最后求和获得全年总能耗。地铁车站空调系统能耗包括冷水机组能耗、冷水泵能耗、冷却水泵能耗、冷却塔能耗、空调末端风机能耗。

冷水机组能耗Ech的计算公式如下:

(4)

ηi=ηIηD

(5)

式(4)、(5)中QVi为车站空调系统第ih的冷负荷,kW;ηi为冷水机组第ih的性能系数,将冷水机组的性能系数拆分为外部性能系数和内部性能系数,拆分方法参考文献[15];τchi为冷水机组第ih的运行时间,h;ηI为外部性能系数,与室外湿球温度、冷水出水温度相关;ηD为内部性能系数,与冷水机组负载率相关,通过检测报告中冷水机组负载率分别为25%、50%、75%、100%时的4个ηD的数值,拟合出ηD与冷水机组负载率的关系曲线。

按照设计方案,冷水泵定频运行,开启台数由冷水机组开启台数决定。冷却水泵的计算方法与冷水泵相同。冷水泵能耗Ecp的计算公式如下:

(6)

式中Pcp为冷水泵的额定功率,kW;ncpi为冷水泵第ih的开启台数,根据逐时冷负荷与冷水机组额定冷量决定;τcpi为冷水泵第ih的运行时间,h。

按照设计方案,冷却塔定频运行,冷却塔能耗Ect的计算公式如下:

(7)

式中Pct为冷却塔的额定功率,kW;ncti为冷却塔第ih的开启台数;τcti为冷却塔第ih的运行时间,h。

公共区大系统空调箱送风机和回排风机变频运行,空调工况小新风机定频运行,它们的总能耗Etp的计算公式如下:

(8)

式中Pts、Pth、Ptx分别为大系统空调箱送风机、回排风机、小新风机的额定功率,kW;fi为第ih空调箱风机的频率,根据逐时冷负荷和空调箱额定冷量确定;α为风机功率与频率的次方关系,结合测试经验数据取2.3;τtsi、τthi、τtxi分别为空调箱送风机、回排风机、小新风机第ih的运行时间,h。

空调箱送风机、回排风机的变频下限为30 Hz。

设备区小系统空调箱送风机和回排风机定频运行,计算方法同冷却塔。

4.2 计算结果

根据近期的全年逐时负荷,计算传统方案与分期方案的全年逐时能耗及全年总运行能耗。

由于地铁车站空调系统日间(地铁运行时间06:00—24:00)运行情况和夜间(地铁停运时间00:00—06:00)运行情况有较大区别,因此对比了2种方案日间和夜间的能耗差异。图2显示了2种方案在典型日(室外温度和室内条件接近设计工况)的日间和夜间的各分项能耗拆分结果。分期方案与传统方案相比,日间节能率为34.1%,夜间的节能率为40.9%。可以看出:日间的主要节能量是由冷水机组、冷水泵/冷却水泵、大系统风机产生的;而在夜间仅有小系统运行时,主要节能量则是由冷水机组、冷水泵/冷却水泵产生的。冷水机组的节能主要是由于分期方案的冷水机组容量更小,缓解了冷水机组的“大马拉小车”问题。冷水泵/冷却水泵的节能主要是由于分期方案的设计额定功率更小。大系统风机的节能主要是由于分期方案的风机可以变频到更小的风量。

图2 近期时传统方案和分期方案车站 空调季典型日能耗拆分对比

图3显示了全年逐月能耗,可以看出,分期方案的月能耗均低于传统方案,且空调季节能潜力较大。图4显示了2种方案在通风季(1—4、11—12月)和空调季(5—10月)的累计能耗拆分,可以看出:空调季主要节能量是由冷水机组、冷水泵/冷却水泵、大系统风机产生的,总节能率为20.4%;而通风季由于小系统风机未分期配置,仅有大系统风机由于分期方案的选型较小而提供了少许节能量,总节能率为10.1%。

图3 近期时传统方案和分期方案车站全年逐月能耗对比

图4 近期时传统方案和分期方案车站在通风季 与空调季累计能耗拆分对比

在近期负荷下,传统方案全年总能耗为39.3万kW·h,分期方案全年总能耗为31.8万kW·h,比传统方案减少了7.5万kW·h能耗,节能率约19.1%。根据中国区域电网基准线排放因子,本文的地铁车站位于南方区域,排放因子为0.804 2 t/(MW·h),计算得到采用分期方案近期运行第1年可减少60.2 t的CO2排放。

5 全寿命周期经济性分析

5.1 初投资

根据调研,空调设备初投资估算如表4所示。初投资包括设备费和人工费。人工费包含安装、调试、拆改费用等。风系统、水系统的管网均按远期配置,因此其造价部分完全相同,不纳入计算。设备价格参考文献[4,16-19]中的设备初投资数据,如表4所示。

表4 空调设备造价概算

空调设备初投资估算结果如表5所示,由于冷水机组、水泵、冷却塔等设备的初投资均按照近期、远期的设备容量估算,近期设备容量相对于远期设备较小,因此近期设备的初投资节约了36.52万元(31.2%)。

表5 空调设备初投资估算 万元

5.2 全寿命周期费用

图5为传统方案与分期方案的设备投放示意图。空调设备的寿命一般为15 a,按照每15 a必须更换一次设备计算。传统方案采用远期设备,每15 a更换一次远期设备。分期方案先采用近期设备,在空调负荷高于近期负荷时更换成远期设备,后续同样是每15 a更换一次远期设备。无论是分期方案还是直接按远期设计的方案,每次更换设备的费用是接近的,因此主要的差别聚焦在第1次使用期间。

图5 传统方案与分期方案的设备投放示意图

若空调负荷高于近期负荷的年份超过15 a,则分期方案的近期设备使用15 a后,直接更换为远期设备,此时,分期方案的初投资和运行能耗均小于传统方案,分期方案的经济性更优。若空调负荷高于近期负荷的年份短于等于15 a,则分期方案的近期设备在尚未到使用寿命就被更换,造成了初投资的浪费,此时则有必要对分期方案的经济性进行分析。

经济性分析需要计算对比分期方案和传统方案的总费用。总费用的计算方法应为每年的设备折旧费加上每年的运行能耗费用,计算公式如下:

(9)

式中C为分期方案全寿命周期的总费用,元;n为临界年份(空调负荷高于近期负荷的年份),a,则n-1为分期方案的近期设备使用年限;Csi为第i年的设备折旧费,元,为了简化,考虑设备到达年限后直接拆除,没有残值,按照初投资除以设备使用年限计算;CEi为第i年的全年运行能耗,kW·h,根据本文第4章计算,考虑设备能效的衰减,认为设备投入运行的第1年为高效,按照往后每年由于设备效率衰减导致的年运行能耗上升为2%～5%,取3%估算;pE为当地电价,元/(kW·h),取0.57元/(kW·h)。

按照本文计算方法,计算不同临界年份下,分期方案的全寿命周期总费用,传统方案采用相同的计算方法可以得到相同运行年限下的总费用,如图6所示。该计算方法考虑了设备使用年限不同的因素,比过去相关研究仅考虑总初投资和运行能耗费用差异的分析方法更全面。

图6 不同临界年份下分期方案和传统方案总费用对比

图7显示了不同临界年份下分期方案比传统方案节约费用的对比。可以看出:当临界年份为第8年或更长时,分期方案的经济性更优;当临界年份为第16年或更长时,分期方案节约的费用最高,分期方案的总费用为417.9万元(见图6),传统方案的总费用为533.8万元,分期方案比传统方案节约了115.9万元(21.7%)。

图7 不同临界年份下分期方案比传统方案节约费用的对比

上述计算选取的是夏热冬暖地区的典型车站。在空调设备选型相同,即初投资相同的前提下,相比于国内其他气候区,由于夏热冬暖地区空调季最长,因此采用分期方案的节能率最高。即综合来看,相比于国内其他气候区,夏热冬暖地区采用分期方案的经济性最优。夏热冬暖地区的典型地铁车站,临界年份为第8年或更长时才适合采用分期方案。对于国内其他气候区,则需要临界年份更长才适合采用分期方案。

6 结论

国内地铁车站空调系统普遍根据远期负荷设计,导致近期时设备容量冗余、能耗偏高。因此,可采用近期、远期设备分期配置与实施的方案。而采用该方案时若地铁开通后迅速到达远期,会造成近期设备的初投资浪费。因此,有必要考虑空调负荷高于近期负荷的年份的影响,从全寿命周期的角度对分期方案的经济性进行定量分析。本文针对常规螺杆机组的空调方案,建模计算对比了分期方案和传统方案全寿命周期的费用,结论如下:

1) 近期时,分期方案全年总能耗为31.8万kW·h,比传统方案减少了7.5万kW·h,节能率达到19.1%,折合碳排放可减排CO260.2 t。

2) 分期方案与传统方案相比,主要节能量由冷水机组、冷水泵/冷却水泵、大系统风机产生,且空调季节能率为20.4%,高于通风季。

3) 分期方案的近期设备比传统方案的远期设备节约初投资36.52万元,主要由于近期设备容量选型较小。

4) 对于夏热冬暖地区的地铁标准车站,当空调负荷高于近期负荷的年份为第8年或更长时,分期方案的经济性更优;对于国内其他气候区,则需要空调负荷高于近期负荷的年份更长,才适合采用分期方案。

综上,本文考虑了空调负荷高于近期负荷的年份因素,将设备初投资按照实际使用时间折旧的方式考虑到总成本中,比过去相关研究仅考虑总初投资和运行能耗费用差异的分析方法更全面。研究结果可以为同类气候区标准地铁车站是否采用分期方案提供参考,国内其他气候区的地铁车站也可以采用该计算方法来定量分析采用分期方案的经济性。