高鐵客運站空調系統節能設計指標研究

盧 君 雷 波 余 濤

（西南交通大學機械工程學院 成都 6100031）

0 引言

高鐵客運站作為公共建筑重要而特殊的分支，具有空間跨度大、人員密度高、空調系統運行時間長、建筑能耗高等特點。空調系統能耗占高鐵客運站總能耗的30-60%[1]，因此空調系統節能是高鐵客運站建筑節能的工作重點。高鐵客運站空調系統節能設計指標作為設計空調系統的用能基準線，對于合理控制空調系統能耗水平具有重要意義。

近些年很多學者對高鐵客運站空調系統能耗進行了研究。劉小燕[2]和楊秀娥[3]通過實地調研分析了不同規模高鐵客運站的空調系統供冷、供熱能耗值及能耗占比。宋歌[4]、劉小燕[5]和韓婕[6]等人通過模擬計算分析的方式得到不同氣候區高鐵客運站的空調系統能耗值及不同空調系統對能耗值的影響。現有研究主要針對高鐵客運站空調系統能耗值、能耗占比及能耗影響因素，尚未見有關高鐵客運站空調系統冷熱源、輸配、末端節能設計指標的研究。

本文通過理論分析與模擬計算的方式，結合高鐵客運站空調系統能耗限值的要求，研究我國不同氣候區大型高鐵客運站建筑典型的全空氣系統冷熱源、輸配及末端各分項節能設計指標。

1 空調系統節能設計指標

確定能耗水平的方法包括專家咨詢法、統計分析法及技術測算法[7]。專家咨詢法是指利用專家的經驗和現有的相關信息提出定量能耗值的方法，此方法易受到主觀因素影響，出現片面性和盲目性。統計分析法是通過一定的數據分析，確定合理的能耗指標值的方法，此方法需要對實際能耗進行大規模普查，實際操作難度大。技術測算法是指基于現有的計算軟件，通過建立模型對合理能耗進行計算，從而確定能耗指標的方法。

本文采用技術測算法，通過對現有高鐵客運站空調能耗進行分析和模擬計算，從而確定高鐵客運站全空調系統冷熱源、輸配和末端三部分的節能設計指標。

1.1 節能設計指標的確定方法

確定高鐵客運站冷熱源、輸配、末端節能設計指標的具體步驟如下：

（1）空調系統總能耗限值的確定。

能耗限值是指為實現使用功能所允許消耗的能耗指標上限值[8]。本文根據實地調研情況，將高鐵客運站空調能耗現狀的平均值作為空調系統能耗值，根據節能設計的要求，取能耗現狀平均值的80%作為空調系統總能耗的節能設計限值。

（2）各部分能耗值的計算。

在高鐵客運站全空氣系統中，冷源能耗是指冷水機組的能耗，熱源能耗是指鍋爐或城市熱網的能耗，計算冷熱源能耗需要知道建筑的逐時冷、熱負荷。采用Energyplus 軟件模擬計算出典型高鐵客運站建筑模型的全年逐時冷、熱負荷。冷水機組按照負荷率大小分為0%-25%、25%-50%、50%-75%和75%-100%四個負荷區間，整理各廠家的設備參數及建筑節能設計標準，統計不同負荷率下的冷水機組COP 并計算該區段內COP 的平均值。根據逐時冷、熱負荷及冷源COP 平均值、熱源效率計算得出冷熱源能耗值。

輸配主要指水系統，其中供冷系統輸配由冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔構成，供熱系統輸配為供熱循環泵。冷凍水泵及供熱循環泵流量最小值根據單臺水泵的變頻范圍和水泵臺數來確定，當水泵流量低于最小值時，按照流量最小值進行計算，當水泵流量超過最小值時，水泵開度按照逐時負荷率進行計算；冷卻水泵和冷卻塔采用全開模式。計算得出輸配能耗值。

末端是指組合空調箱，采用全空氣系統時，主要用能設備為風機，空調箱風機按變頻運行，當部分負荷率低于風機開啟度最小值時，按照最小值進行計算。當風機流量超過最小值時，按照逐時負荷率進行計算。通過逐時負荷及風機風壓等參數計算得到末端能耗值。

（3）確定節能設計指標。

通過計算出的冷熱源、輸配、末端的能耗值得出冷熱源、輸配、末端占空調系統總能耗的占比，與空調系統總能耗限值相乘得到不同氣候區高鐵客運站空調系統冷熱源、輸配、末端的節能設計指標。

1.2 建筑和空調系統計算參數

在五個氣候區選擇典型城市，嚴寒地區選擇長春，寒冷地區選擇天津，溫和地區選擇昆明，夏熱冬冷地區選擇上海，夏熱冬暖地區選擇廣州。分別根據不同氣候區公共建筑節能設計規范的要求設定圍護結構熱工參數。車站建筑面積為61100m2，分為上下兩層，下部分為進站廳和集散廳，上部分為候車廳，一層層高為8.1m，二層層高為13m。上下層分層空調高度均為4m，最高聚集人數為6000 人。

高鐵客運站空調形式為常用的全空氣系統。冷凍水泵與冷卻水泵臺數均3 臺，揚程分別為32m與26m，最低開啟度為30%；熱水循環泵選用一臺揚程32m 的水泵，最低開啟度為60%。冷卻塔風機風壓為200Pa；空調箱風機風壓為700Pa，最低負荷率為60%。

2 空調系統能耗計算

本文通過建立不同氣候區高鐵客運站模型，得到建筑的逐時冷、熱負荷，將負荷及設備參數帶入冷熱源、輸配和末端能耗計算公式得到空調系統各部分能耗值。

2.1 冷源能耗

冷源能耗是指冷水機組的能耗。冷水機組通常是處于部分負荷工況下工作，將所有部分負荷情況的耗電量累加，便可得到冷水機組的累計耗電量。

冷水機組Pc的能耗按照公式（1）進行計算。

式中：Pc為冷源的能耗，kWh；Qci為在c值所在部分負荷率范圍內i小時的冷負荷，kW，其中c=1 時表示部分負荷率位于0%-25%，c=2 時表示部分負荷率位于25%-50%，c=3 時表示部分負荷率位于50%-75%，c=4 時表示部分負荷率位于7 5%-100%；COPc為機組在c值所對應的負荷區間內COP 平均值；Ti為部分負荷率對應的小時數，h。

2.2 熱源能耗

熱源能耗將所有部分負荷情況的耗電量累加，可得到熱源的累計耗電量。在高鐵客運站中，熱源能耗由鍋爐或城市熱網構成，為了統一計算，將鍋爐或城市熱望的能耗均折算為等效電耗。嚴寒地區和寒冷地區采用城市熱網供熱，在夏熱冬冷地區采用燃氣鍋爐作為熱源。熱源的能耗按公式（2）計算。

式中：Ph為熱源的能耗，kWh；Qhi為熱源的i時刻的熱負荷，kW；ηh為折電力系數，標準煤ηh=2.6，天然氣ηh=2。

2.3 輸配能耗

輸配系統能耗指水系統能耗，供冷系統包括冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔風機三部分，供熱系統為供熱循環泵。冷凍水泵及供熱循環泵能耗依據公式（3）[9]計算，由于冷卻水泵采用全開的模式，所以冷卻水泵xi取1。

式中：Pp為泵的能耗，kWh；k為電機放大系數，一般取1.1；ρw為水的密度，kg/m3；Qp為泵的水流量，m3/h；g為重力加速度，取9.8m/s2；H為水泵揚程，m；ηp為水泵的效率，取ηp=0.7；xi為i時刻的部分負荷率，根據公式（4）計算。

式中：Qi為i時刻的負荷，kW；Qmax為逐時最大負荷，kW。

輸配系統中，冷卻塔能耗為冷卻塔風機能耗，風機的能耗可根據公式（5）、公式（6）計算。

式中：Pt為冷卻塔的能耗，kWh；p為風機的全壓，Pa；Qt為空調箱風機風量，m3/h；ηt為冷卻塔的效率，取ηt=0.8；ρa為空氣密度，kg/m3；ht1為室外點的焓值，kJ/kg；ht2為進水溫度對應飽和空氣焓值，kJ/kg。

2.4 末端能耗

在高鐵客運站中，末端主要指空調箱，主要設備為風機，其能耗計算由公式（7）、（8）計算。

式中：Pe為風機的能耗，kWh；Qe為空調箱風量，m3/h；he2為送風狀態點焓值，kJ/kg；he1為室內狀態點焓值，kJ/kg。

3 結果與分析

根據所建立的高鐵客運站模型及空調模型，不同氣候區大型高鐵客運站逐時負荷情況如圖1所示。

圖1 不同氣候區逐時負荷值/kWFig.1 Hourly load values in different climatic regions/kW

根據對不同氣候區大型高鐵客運站能耗現狀的調研情況和節能要求，確定空調系統總能耗的節能設計限值，如表1所示。

表1 空調系統總能耗的節能設計限值/kWh/(m2·a)Table 1 Energy-saving design limits for total energy consumption of air-conditioning systems/kWh/(m2·a)

根據不同氣候區典型城市冷熱源、輸配、末端的能耗值所占比例，確定各部分能耗指標值。不同氣候區冷熱源、輸配、末端的節能設計指標如表2所示。

表2 空調系統各部分節能設計指標/kWh/(m2·a)Table 2 Energy-saving design indicators of air-conditioning systems in different climate zones/kWh/(m2·a)

不同氣候區的單位面積空調系統冷熱源、輸配、末端節能設計指標值差異較大，這是因為不同氣候區的氣象條件不同使得冷、熱負荷的差距較大，所以能耗值差異較大。

不同地區總熱負荷從大到小分別為：嚴寒地區，寒冷地區，夏熱冬冷地區。不同地區總冷負荷從大到小分別為：夏熱冬暖地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、嚴寒地區、溫和地區。由于冷水機組的COP值大于熱源的熱效率，所以供冷的能效比EERc高于供暖能效比EERh，所以嚴寒地區冷熱源占比最大，寒冷地區次之，夏熱冬冷地區最小。由于溫和地區總冷負荷小于夏熱冬暖地區，所以溫和地區冷源占比小于夏熱冬暖地區。輸配與末端能耗占比與部分負荷率呈正相關，所以輸配、末端占比均增加。

4 結論

本文采用理論分析與模擬計算方法，研究得到我國不同氣候區大型高鐵客運站建筑典型全空氣系統冷熱源、輸配、末端的節能設計指標，可為高鐵客運站的空調設計提供參考。