中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 檀妹靜 王麗燕 高揚(yáng) 程響

       【摘  要】冷熱負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)及運(yùn)行的關(guān)鍵。本研究以廣州地鐵2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站為例，利用TRNSYS仿真平臺(tái)，搭建地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型。分別對(duì)連續(xù)運(yùn)行及間歇運(yùn)行兩種模式下的地鐵車(chē)站站臺(tái)區(qū)室內(nèi)溫度，站臺(tái)、站廳及車(chē)站公共區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷峰值及全年累計(jì)負(fù)荷進(jìn)行了分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在兩種運(yùn)行模式下，站廳區(qū)冷負(fù)荷均遠(yuǎn)小于站臺(tái)區(qū)，其峰值僅為站臺(tái)區(qū)的57%；連續(xù)運(yùn)行模式計(jì)入了非空調(diào)時(shí)段及非空調(diào)季節(jié)的冷負(fù)荷，引起全年累計(jì)負(fù)荷的高估；根據(jù)實(shí)際使用時(shí)間表進(jìn)行間歇負(fù)荷模式設(shè)定，有利于空調(diào)啟動(dòng)負(fù)荷的精確模擬，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)累計(jì)負(fù)荷的高精度預(yù)測(cè)。本研究能夠?yàn)榈罔F車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供參考。

       【關(guān)鍵詞】負(fù)荷預(yù)測(cè)、TRNSYS、地鐵車(chē)站、間歇運(yùn)行、節(jié)能

Abstract: Accurate prediction of heating and cooling load has significant influence on energy efficiency design and operation of subway air-conditioning system. In this study, a thermal load prediction model based on a standard subway station of Metro Line 2 in Guangzhou is built by Transient System Simulation Program (TRNSYS) platform. Air temperature, peak value of hourly cooling load, and accumulated cooling load for platform area and station hall are analyzed, respectively. The numerical results demonstrate that the cooling load of station hall is much less than that of the platform area. The peak value of hourly cooling load of station hall is only 57% of the platform one’s. The traditional continuous operation assumption could induce overestimate of the annual accumulated cooling load. The intermittent operation assumption based on actual operating schedule is suggested for the accurate simulation of startup cooling load. The new findings of this work could benefit not only the energy saving design but also high efficiency operation of subway air-conditioning system.

Key words:  load prediction; TRNSYS; Subway station; intermittent operation; Energy saving

0  引言

       目前，地鐵車(chē)站通常采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)對(duì)站廳、站臺(tái)等公共區(qū)域進(jìn)行空氣環(huán)境的熱濕調(diào)控^[1]。地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)運(yùn)行能耗遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型公共建筑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)置有屏蔽門(mén)系統(tǒng)的地鐵車(chē)站環(huán)控系統(tǒng)能耗占比最高可達(dá)40~60%^[2,3]。

       在地鐵車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，冷熱負(fù)荷是系統(tǒng)及設(shè)備選型的核心依據(jù)，是地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為基礎(chǔ)的一環(huán)^[4]，將直接影響系統(tǒng)能耗水平，同時(shí)還將對(duì)其經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行效果產(chǎn)生顯著作用^[5,6]。因此，準(zhǔn)確、合理的負(fù)荷預(yù)測(cè)，對(duì)于合理控制裝機(jī)容量、節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本具有重要意義，是地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵^[7,8]。

       與地面上的其他公共建筑相比，地鐵車(chē)站具有以下環(huán)境特征：1）地鐵站廳、站臺(tái)、隧道以及管理用房等人員活動(dòng)區(qū)不與外界環(huán)境直接連通，均沒(méi)有能夠接受室外太陽(yáng)輻射的外墻、外窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部環(huán)境不會(huì)直接受到外界氣候條件的影響。2）地鐵內(nèi)部空間通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接與地下土壤等相連，其熱濕傳遞過(guò)程與地面建筑存在較大差異。巖石、土壤等地下地質(zhì)情況對(duì)于地鐵車(chē)站的冷熱負(fù)荷具有較大影響。3）地鐵內(nèi)部空間通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接與地下土壤等相連，其熱濕傳遞過(guò)程與地面建筑存在較大差異。巖石、土壤等地下地質(zhì)情況對(duì)于地鐵車(chē)站的冷熱負(fù)荷具有較大影響。4）由于與外界相對(duì)隔絕，地鐵空間的熱濕負(fù)荷主要來(lái)自內(nèi)部的熱源和濕源，其包括：列車(chē)、人員、設(shè)備、照明設(shè)施等^[9,10]。目前，地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷計(jì)算通常采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法^[11]。近年來(lái)，隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展出了基于全年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)的地鐵空調(diào)系統(tǒng)的全年瞬態(tài)預(yù)測(cè)方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)逐時(shí)非穩(wěn)態(tài)負(fù)荷的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，能夠?yàn)榈罔F空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持，具有良好的推廣前景^[12,13]。

1 廣州地鐵2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站TRNSYS 動(dòng)態(tài)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型

       TRNSYS(Transient System Simulation Program)，亦稱為瞬時(shí)系統(tǒng)模擬程序，由美國(guó)政府資助，美國(guó)威斯康星--麥迪遜大學(xué)太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)室(SEL)開(kāi)發(fā)，適用于建筑負(fù)荷、各類(lèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、太陽(yáng)能系統(tǒng)及冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。

       本研究基于TRNSYS17平臺(tái)，結(jié)合Google Sketchup構(gòu)建廣州地鐵2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站的車(chē)站三維建筑模型，進(jìn)而建立該車(chē)站的空調(diào)系統(tǒng)數(shù)值仿真算例，對(duì)其公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行全年逐時(shí)預(yù)測(cè)。

       1.1 車(chē)站建筑布局

       該站為地下二層島式非換乘標(biāo)準(zhǔn)站，地下一層為站廳區(qū)，地下二層為站臺(tái)區(qū)，車(chē)站起點(diǎn)里程YDK10+748.2，終點(diǎn)里程YDK10+912.3，總長(zhǎng)度164.1m。 車(chē)站建筑布局如下圖所示：

圖1 廣州2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站地下車(chē)站站廳平面圖

圖2 廣州2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站地下車(chē)站站臺(tái)平面圖

       1.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

       本研究使用Meteonorm軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中提供的基于中國(guó)廣州地區(qū)氣象站近20年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的典型氣象年TMY（Typical Meteorologic Year）數(shù)據(jù)作為全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬的計(jì)算數(shù)據(jù)。

圖3 廣州典型氣象年室外干球溫度

圖4 廣州典型氣象年室外濕球溫度

       站廳夏季空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)：干球溫度29℃，相對(duì)濕度45~65%；站臺(tái)夏季空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)：干球溫度27℃，相對(duì)濕度45~65%。列車(chē)車(chē)廂內(nèi)夏季空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)：干球溫度27℃。按遠(yuǎn)期2032年夏季晚高峰計(jì)算，預(yù)測(cè)客流3780人，其中上行上車(chē)人數(shù)2210人，上行下車(chē)人數(shù)153人；下行上車(chē)人數(shù)220人，下行下車(chē)人數(shù)1197人，超高峰系數(shù)取1.3。照明負(fù)荷按照單位面積指標(biāo)法進(jìn)行計(jì)算，取20W/m2。車(chē)站側(cè)墻、頂板、底板均取2 g/（m2h）。屏蔽門(mén)漏風(fēng)量取10 m3/s，對(duì)出入口滲透風(fēng)負(fù)荷則基于出入口通道截面積，按照200 W/m2計(jì)算。屏蔽門(mén)漏風(fēng)量取10 m3/s，對(duì)出入口滲透風(fēng)負(fù)荷則基于出入口通道截面積，按照200 W/m2計(jì)算。

       1.3 連續(xù)與間歇運(yùn)行模式

       連續(xù)運(yùn)行模式指，全年室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為一恒定值，當(dāng)室內(nèi)自然室溫高于該設(shè)計(jì)溫度時(shí)，即對(duì)冷負(fù)荷進(jìn)行模擬，基于全年8760小時(shí)連續(xù)逐時(shí)計(jì)算，獲得全年冷負(fù)荷波動(dòng)、峰值負(fù)荷及累計(jì)負(fù)荷。該模式所獲得的計(jì)算結(jié)果是以空調(diào)系統(tǒng)連續(xù)24小時(shí)運(yùn)行為前提的。

       間歇運(yùn)行模式指，空調(diào)系統(tǒng)在地鐵列車(chē)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)啟動(dòng)，地鐵列車(chē)停運(yùn)階段停止的運(yùn)行方式。與連續(xù)運(yùn)行工況不同，在間歇運(yùn)行情況下，室內(nèi)冷量及熱量存在一定的積累效應(yīng)，將會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)溫度在空調(diào)啟動(dòng)及停機(jī)后延遲變化，進(jìn)而影響空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷。如果能夠根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況對(duì)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行精細(xì)化模擬，將可能獲得更加精準(zhǔn)的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果。本研究中，根據(jù)廣州地鐵2號(hào)線列車(chē)運(yùn)行情況，設(shè)每日空調(diào)時(shí)段為早晨4:30至次日凌晨0:30。空調(diào)季節(jié)依據(jù)廣州市建筑節(jié)能季節(jié)劃分并做適當(dāng)延長(zhǎng)，取3月1日~11月1日，其他時(shí)段為非空調(diào)時(shí)段。

2 動(dòng)態(tài)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果分析

       2.1 地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)TRNSYS模型

       為實(shí)現(xiàn)地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)間歇運(yùn)行模式下的負(fù)荷精確預(yù)測(cè)，在TRNSYS仿真平臺(tái)中增加基于每日運(yùn)行時(shí)間表的空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)啟停控制模塊。將地鐵車(chē)站冷熱負(fù)荷與空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間表相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)連續(xù)及間歇運(yùn)行模式下的地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)荷預(yù)測(cè)。模型結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖5 負(fù)荷動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的TRNSYS模型圖

       2.2 兩種運(yùn)行模式下的站臺(tái)區(qū)溫度對(duì)比

       連續(xù)及間歇運(yùn)行模式下站臺(tái)區(qū)全年室內(nèi)溫度變化曲線如圖6、圖7所示。可以看出，兩種運(yùn)行模式下的站臺(tái)區(qū)溫度存在顯著差異，間歇運(yùn)行模擬下，站臺(tái)區(qū)室內(nèi)溫度存在顯著的日波動(dòng)，在非空調(diào)時(shí)段內(nèi)，因熱量累計(jì)，自然室溫升高，并超過(guò)設(shè)計(jì)溫度27℃，空調(diào)啟動(dòng)后，室內(nèi)溫度迅速下降并最終維持在設(shè)計(jì)溫度。由此可知，間歇運(yùn)行負(fù)荷模擬能夠有效的模擬出由于空調(diào)系統(tǒng)非連續(xù)運(yùn)行所導(dǎo)致的室溫升高，從而有利于空調(diào)啟動(dòng)負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

圖6 連續(xù)運(yùn)行模式下站臺(tái)溫度

圖7 間歇運(yùn)行模式下站臺(tái)溫度

       2.3 兩種運(yùn)行模式下的峰值冷負(fù)荷及全年累計(jì)冷負(fù)荷對(duì)比

       全年8760小時(shí)連續(xù)動(dòng)態(tài)冷負(fù)荷模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。

       在連續(xù)運(yùn)行模式下，站臺(tái)區(qū)峰值冷負(fù)為326 kW，出現(xiàn)在第4554小時(shí)；站廳區(qū)峰值冷負(fù)為186 kW，出現(xiàn)在第4554小時(shí)；公共區(qū)總冷負(fù)荷峰值512 kW，亦出現(xiàn)在第4554小時(shí)；站廳區(qū)冷負(fù)荷遠(yuǎn)小于站臺(tái)區(qū)，其峰值僅為站臺(tái)區(qū)的57%。站臺(tái)區(qū)及站廳區(qū)峰值負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)一致，表明車(chē)站冷負(fù)荷中新風(fēng)負(fù)荷比例較高，峰值負(fù)荷由室外溫度峰值決定。

       兩種運(yùn)行模式下的總冷負(fù)荷對(duì)于如表1所示。可以看出，連續(xù)運(yùn)行模式計(jì)入了非空調(diào)時(shí)段及非空調(diào)季節(jié)的冷負(fù)荷，引起全年累計(jì)負(fù)荷的高估。即使僅對(duì)空調(diào)季的冷負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，仍可看出，連續(xù)模式由于計(jì)入了非空調(diào)時(shí)段冷負(fù)荷，其結(jié)果略高于間歇模式。由于間歇運(yùn)行情況下的預(yù)測(cè)結(jié)果中包含了啟動(dòng)負(fù)荷引起的增量，使得兩類(lèi)方法之間的差值有所減小。

圖8 連續(xù)運(yùn)行模式下車(chē)站總冷負(fù)荷

圖9 間歇運(yùn)行模式下車(chē)站總冷負(fù)荷
表1 兩種運(yùn)行模式下的總負(fù)荷對(duì)比

3 結(jié) 論

       本研究通過(guò)TRNSYS系統(tǒng)仿真平臺(tái)，對(duì)廣州地鐵2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行及間歇運(yùn)行模式下的室內(nèi)環(huán)境溫度及冷負(fù)荷情況進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：1）傳統(tǒng)的基于穩(wěn)態(tài)算法的負(fù)荷計(jì)算過(guò)于粗放，無(wú)法展示出全年的負(fù)荷變化及各季節(jié)、各月、各日的部分負(fù)荷率，不利于系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制；2）基于全年8760小時(shí)連續(xù)運(yùn)行模式的負(fù)荷預(yù)測(cè)，無(wú)法體現(xiàn)啟動(dòng)負(fù)荷，并可能引起累計(jì)負(fù)荷高估等問(wèn)題；3）在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)依據(jù)實(shí)際項(xiàng)目所在地區(qū)的空調(diào)季節(jié)及其每日具體運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行間歇運(yùn)行模式設(shè)置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)的精細(xì)化。采用基于空調(diào)時(shí)段的間歇運(yùn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)取代連續(xù)逐時(shí)負(fù)荷預(yù)測(cè)，有利于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)與運(yùn)行；4）采用TRNSYS過(guò)程化控制軟件對(duì)地鐵工程空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，根據(jù)實(shí)際使用時(shí)間表進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，將能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)啟動(dòng)負(fù)荷的精確模擬，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)逐日、逐月、逐季節(jié)、以及全年累計(jì)負(fù)荷的高精度預(yù)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

       [1] 帥品格, 地鐵車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能模式探討. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2020. 39(05): p. 66-68.
       [2] 曹瀚, 淺析地鐵節(jié)能的措施與推進(jìn). 信息系統(tǒng)工程, 2019. 04(4): p. 80-82.
       [3] 王峰, 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能研究, 2007, 西南交通大學(xué).
       [4] 李婷婷, et al., 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地鐵站廳空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè). 計(jì)算機(jī)科學(xué), 2019. 46(S2): p. 590-594.
       [5] 蘇子怡 and 李曉鋒, 夏熱冬冷地區(qū)全高站臺(tái)門(mén)地鐵站環(huán)控負(fù)荷分析. 都市快軌交通, 2020. 33(05): p. 123-129.
       [6] 王志毅, 鐘加晨, and 李建軍, 基于負(fù)荷率的地鐵車(chē)站冷水機(jī)組性能分析. 制冷技術(shù), 2020. 40(05): p. 68-72.
       [7] 徐國(guó)強(qiáng), 基于客流特征的地鐵車(chē)站動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法研究, 2020, 西安建筑科技大學(xué).
       [8] 倉(cāng)青懷, 基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方案. 中國(guó)科技信息, 2020(Z1): p. 97-98+101+13.
       [9] 李婷婷, 畢海權(quán), and 王宏林, 地鐵車(chē)站站廳空調(diào)冷負(fù)荷影響因素分析. 制冷與空調(diào)(四川), 2019. 33(06): p. 684-690.
       [10] 張喬, 關(guān)于地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的有效策略探討. 北方建筑, 2019. 4(06): p. 43-46.
       [11] 盧海洋, 尹華, and 郭華芳, 地鐵車(chē)站節(jié)能研究現(xiàn)狀. 新能源進(jìn)展, 2019. 7(04): p. 333-345.
       [12] 安碩, 基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的地鐵站臺(tái)空調(diào)末端預(yù)測(cè)控制方法研究, 2020, 北京建筑大學(xué).
       [13] 段皖秦, 城市軌道交通地下車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與能源管理優(yōu)化, 2019, 西安理工大學(xué).

       備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2021年4月刊 總第42期（第二十屆全國(guó)暖通空調(diào)模擬學(xué)術(shù)年會(huì)論文集）。版權(quán)歸論文作者所有，任何形式轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者。