地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)生命周期CO2排放量研究*

秦 驁 袁艷平 蔣福建

(西南交通大學機械工程學院，610031，成都∥第一作者，碩士研究生)

準確地計算和評估地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)生命周期的CO2排放量，是實現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)節(jié)能減排的重點工作之一。地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)的運營時間、設備類型、施工工藝等都與常規(guī)公共建筑存在許多差異，其能耗特征亦有很大不同［1］，致使現(xiàn)有研究成果無法直接應用至地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)中。因此，本文結合生命周期評價理論，建立基于地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)結構特點的CO2排放量計算流程和評估方法，并對實際案例中的CO2排放特征進行了分析。

1 地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)構成

目前，我國常見的地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)制式有開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)、屏蔽門系統(tǒng)。無論何種制式的系統(tǒng)都可以認為是由車站公共區(qū)空調(diào)通風系統(tǒng)、車站設備管理房通風空調(diào)系統(tǒng)、區(qū)間隧道通風系統(tǒng)、冷源水系統(tǒng)［2］等4個子系統(tǒng)構成。文獻［3］顯示，國內(nèi)新建與改建的地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)制式主要為屏蔽門系統(tǒng)。故本文以國內(nèi)典型的屏蔽門式車站為例，根據(jù)生命周期理論，將地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)生命周期劃分為生產(chǎn)、運輸和安裝、運行、拆除和回收等4個階段，從而對系統(tǒng)生命周期各階段的CO2排放量進行研究。

本文根據(jù)地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)(見圖1)的結構特點，構建了生命周期各階段的CO2排放量計算模型。對于該系統(tǒng)中的每個子系統(tǒng)，都將其視為機組設備、管道等單元構件的集合。對地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)生命周期各階段的CO2排放量進行計算時，都應結合車站所采用的具體通風空調(diào)系統(tǒng)制式，按照總系統(tǒng)-子系統(tǒng)-元構件的順序分解，計算出各單元構件的CO2排放量而后集成，進而得到該系統(tǒng)的CO2總排放量。

圖1 地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)構成Fig.1 Composition of ventilation and air conditioning system at metro station

2 地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)生命周期CO2排放量計算模型

地鐵車站規(guī)模不一，所采用的通風空調(diào)系統(tǒng)形式各異。為使不同類型的系統(tǒng)之間能夠進行CO2排放強度比較，本文選取通風空調(diào)系統(tǒng)每年單位制冷量所產(chǎn)生的CO2排放量CL作為CO2排放評價指標:

式中:

Cs——地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)生命周期產(chǎn)生的CO2排放總量;

Q——地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)主機額定制冷量;

y——地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)的運行壽命。

2.1 生產(chǎn)階段CO2排放量計算模型

生產(chǎn)階段CO2排放量Cpr的計算公式為:

式中:

k——地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)中的子系統(tǒng)種類;

i——子系統(tǒng)中的單元構件種類;

n——材料種類;

l——能耗種類;

Mk，i，n——第k種子系統(tǒng)、第i種單元構件中第n種材料的使用量;

Wk，i，n——第k種子系統(tǒng)、第i種單元構件中第n種材料的CO2排放系數(shù);

Ek，i，l——第k種子系統(tǒng)、第i種單元構件在生產(chǎn)階段的第l種能源的消耗量;

Uk，i，l——第k種子系統(tǒng)、第l種能源的CO2排放系數(shù)。

由于地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)中設備眾多，且各類設備中的具體材料種類及所占比例也各異，因此，對其生產(chǎn)階段的資源、能源消耗等基礎數(shù)據(jù)的搜集和整理是一項對時間和人力耗費都極大的工作［4］。本文在國內(nèi)學者對相關設備及構件生產(chǎn)階段資源、能源消耗研究的基礎上，對基礎的清單數(shù)據(jù)進行遴選和整理，將材料、能源的CO2排放系數(shù)代入，換算得到各種設備生產(chǎn)階段的CO2排放數(shù)據(jù)并進行總結，進而提出單位質量設備生產(chǎn)階段綜合CO2排放量。其計算公式為:

式中:

pi——單位質量的第i種單元構件生產(chǎn)階段綜合CO2排放量;

mn——單位質量的第i種單元構件中第n種材料的質量;

el——生產(chǎn)單位質量的第i種單元構件所需的第l種能源的消耗量。

將式(3)代入式(2)，則生產(chǎn)階段的CO2排放量計算公式簡化為:

式中:

mi——第k種子系統(tǒng)中第i種單元構件的質量。

2.2 運輸階段CO2排放量計算模型

運輸階段CO2排放量的計算公式為:

式中:

Ctr——運輸階段CO2排放量;

t——運輸方式的種類;

Mk，i，t——第k種子系統(tǒng)中以第t種方式運輸?shù)膯卧獦嫾的質量;

Lk，i，t——第k種子系統(tǒng)中以第t種方式運輸?shù)膯卧獦嫾的運輸距離;

Uk，t——第k種子系統(tǒng)中第t種運輸方式的CO2排放系數(shù)。

2.3 安裝階段CO2排放量計算模型

安裝階段CO2排放量的計算公式為:

式中:

Cct——安裝階段的CO2排放量;

c——安裝工藝的種類;

Qk，c——第k項子系統(tǒng)中第c種安裝施工工藝的工程量;

Ek，c——第k項子系統(tǒng)中第c種安裝施工工藝的單位工程量所產(chǎn)生的能耗;

Uc——第c種安裝施工工藝所消耗能源的CO2排放系數(shù)。

2.4 運行階段CO2排放量計算模型

運行階段的年CO2排放量Cop計算公式為:

式中:

f——能耗設備的種類;

Nk，f——第k種子系統(tǒng)中第f種耗能設備的數(shù)量;

Uk，f——第k種子系統(tǒng)中第f種耗能設備的CO2排放系數(shù);

Pa——空調(diào)季節(jié)第k種子系統(tǒng)中第f種耗能設備以模式a運行的功率;

Pv——非空調(diào)季節(jié)第k種子系統(tǒng)中第f種耗能設備以模式v運行的功率;

Ta——空調(diào)季節(jié)第k種子系統(tǒng)中第f種耗能設備每天以模式a運行的時間;

Tv——非空調(diào)季節(jié)第k種子系統(tǒng)中第f種耗能設備每天以模式v運行的時間;

Dk，a——每年地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)第k種子系統(tǒng)空調(diào)季節(jié);

Dk，v——每年車站通風空調(diào)系統(tǒng)第k種子系統(tǒng)非空調(diào)季節(jié)。

2.5 計算模型中CO2排放系數(shù)的選擇

CO2排放系數(shù)是指消耗單位質量的能量或原材料所產(chǎn)生的CO2氣體的質量。本文依據(jù)文獻［5-10］，整理了CO2排放量計算模型中基于能源、材料和運輸方式的CO2排放系數(shù)，見表1。

表1 基于能源、材料、運輸方式的CO2排放系數(shù)Tab.1 CO2 emission coefficients of materials，energy sources and transportation methods

2.6 計算模型中生產(chǎn)階段CO2排放基礎數(shù)據(jù)的確定

本文基于對實際地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)設備類型的調(diào)研，根據(jù)文獻［6，10-11］中所記錄的建筑設備生產(chǎn)階段資源與能源消耗數(shù)據(jù)，將各類能源與材料的CO2排放系數(shù)代入，換算得到生產(chǎn)階段單位質量主要設備的綜合CO2排放量pi，見表2。

表2 地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)單位質量的主要設備生產(chǎn)階段綜合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 地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)CO2排放量計算案例分析

3.1 案例基本概況

本文選取的案例為貴陽軌道交通1號線(以下簡為“1號線”)某典型屏蔽門系統(tǒng)車站的通風空調(diào)系統(tǒng)(見圖2)。其中，公共區(qū)空調(diào)通風系統(tǒng)采用一次回風全空氣系統(tǒng)，設備管理房通風空調(diào)系統(tǒng)采用一次回風全空氣系統(tǒng)和空氣-水系統(tǒng)，冷源水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)，區(qū)間隧道通風系統(tǒng)設置隧道風機。

圖2 1號線某典型屏蔽門系統(tǒng)車站通風空調(diào)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of ventilation and airconditioning system at Line 1 station

生產(chǎn)階段CO2排放量的計算輸入?yún)?shù)取自本文第2節(jié)的地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)生產(chǎn)階段的CO2排放量數(shù)據(jù)。案例車站通風空調(diào)系統(tǒng)主要設備各階段的CO2排放量，如表3所示。運輸階段的運輸方式假設為全部采用公路運輸，運輸距離根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒2016》［12］，取案例機電工程施工時(2016年)的中國公路貨物運輸平均運距182.81 km。安裝階段根據(jù)《城市軌道交通工程概算定額》［13］確定地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)安裝工程的項目種類，以及各項目所需的施工機械種類;依照《鐵路工程施工機具臺班費用定額》［14］確定各種施工機械工作每臺班所使用的能源類型和用量，代入能源的CO2排放系數(shù)換算得到施工機械每臺班的CO2排放量;最后將施工機械每臺班的CO2排放量代入各安裝工程項目，換算得到該項目的CO2排放量。地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)使用壽命依據(jù)工程資料設為15年，每日運營時間為06:00—23:00，每年空調(diào)季節(jié)為150 d。

表3 案例車站通風空調(diào)系統(tǒng)主要設備各階段的CO2排放量Tab.3 CO2 emission parameters of station main equipment ventilation and air conditioning system at various stages

3.2 地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)與普通建筑通風空調(diào)系統(tǒng)CO2排放量對比分析

對比文獻［8，10］中的8個普通建筑通風空調(diào)系統(tǒng)案例中的CO2排放數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)普通建筑通風空調(diào)系統(tǒng)的CL取值范圍為424.18～809.54 kg/(kW·年)，平均值為553.12 kg/(kW·年)。本文案例中的CL為917.39 kg/(kW·年)，比普通建筑通風空調(diào)系統(tǒng)CL的極大值高出13.32%，比平均值高出65.86%。由此可見，案例地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)的CO2排放強度明顯高于普通建筑。主要原因在于:地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)運行強度極高，公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)設備在車站運營時間內(nèi)始終開啟，設備及管理用房中大部分房間的通風空調(diào)設備在全日24 h內(nèi)均處于運行狀態(tài);地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)中設備容量一般按照運營遠期峰值負荷進行選型。

3.3 地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)生命周期各階段CO2排放量分析

當?shù)罔F車站通風空調(diào)系統(tǒng)使用壽命為15年時，生命周期各階段CO2排放量所占比例分別為:生產(chǎn)階段1.4%，運輸和安裝階段0.73%，運行階段97.87%。案例車站生命周期各階段CO2排放量，如表4所示。由表4可知，運行階段是CO2排放量最多的階段，生產(chǎn)階段和運輸安裝階段所產(chǎn)生的CO2排放量所占比例較小。因此，應重點針對運行階段進行CO2減排。

表4 案例車站生命周期各階段CO2排放量Tab.4 CO2 emissions at the life cycle stages of the case station

4 結語

本文建立了適用于地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)的生命周期各階段CO2排放量計算模型。遴選和整理了常用設備生產(chǎn)階段的資源、能源消耗清單，通過換算得到生產(chǎn)階段的CO2排放數(shù)據(jù)，在此基礎上提出以生產(chǎn)階段單位質量的綜合CO2排放量作為地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)設備生產(chǎn)階段的CO2排放單位。基于對實例的計算和分析，發(fā)現(xiàn)地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)的CO2排放強度遠高于普通建筑通風空調(diào)系統(tǒng)，其低碳評價和CO2減排應受到更多重視。