第３６卷第３期 ２０１７年３月 建筑热能通风空调 Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２０１７．７２～７５ 文章编号：１００３．０３４４（２０１７）０３．０７２—４ 变频控制的地铁站通风空调系统能耗研究 任志刚卢振斌邓勤犁王乾坤 武汉理工大学土木工程与建筑学院 摘要：本文采用ＥｎｅｒｇｙＰｌｕｓ能耗模拟软件，建立地铁车站物理模型以及通风空调系统模型，分别在非变频和变 频条件下模拟了屏蔽门内地铁车站空调系统全年能耗情况，对比分析了全年空调系统、风机、水泵的逐月能耗。分 析结果显示，无论是否采取变频空调系统，通风空调系统能耗占地铁车站能耗总量的２０％～３０％左右，是节能的重 点之一；风机能耗是通风空调系统能耗的重要组成部分，是节能的重点；水泵能耗相比于风机能耗较少，但也是节 能的主要组成部分。 关键词：地铁站能耗模拟分析变频控制ＥｎｅｒｇｙＰｌｕｓ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｓｕｂｗａｙ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ＲＥＮ Ｚｈｉ—ｇａｎｇ，ＬＵ Ｚｈｅｎ—ｂｉｎ，ＤＥＮＧ Ｑｉｎ—ｌｉ，ＷＡＮＧ Ｑｉａｎ－ｋｕｎ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｕｓｅｓ ＥｎｅｒｇｙＰｌｕｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ＨＶＡＣ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ａｎｎｕａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｔ ｉｎｖｅｒｔｅｒ－ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｒａｔｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｎｔｈｌｙ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ＨＶＡＣ，ｆａｎ ａｎｄ ｐｕｍｐ，ｉｔ ｗａｓ ｇｏｔｔｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＨＶＡＣ ｓｙｓｔｅｍ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｈｅ ｔｏｔａｌｔ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｅ，ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇ ｆｏｒ ２０％３０％．Ｆａｎ ｐｌａｙｓ ａ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｔｈａｎ ｐｕｍｐ ｆｏｒ ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ ｐｕｒｐｏｓｅ，ｂｕｔ ｂｏｔｈ ａｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｅｎｅｒｇｙ ｇｏａｌｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ，ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＥｎｅｒｇｙＰｌｕｓ 变频空调在各个领域逐渐得到发展和应用，在地 武汉（北纬３０．６。，东１１４．１。），该车站属于地铁２号线， 是典型地下岛式站台车站，地下一层为站厅层，地下二 铁领域的应用有待得到进一步的改进和完善。本研究 以武汉街道口地铁站的站厅和站台等公共空间为研 究对象，通过建立地铁车站公共区间的通风空调系统 模型，导入ＥｎｅｒｇｙＰｌｕｓ能耗模拟软件，分别设置非变 频和变频的风机、水泵，模拟站厅和站台空调系统全 层为站台层，车站主体由东向西设０．２％的纵向坡度； 站厅层净高４．５ ｍ，站台层净高４．２５ ｍ，车站部分总高 １３．６６ｍ。 年能耗。通过比较，分析地铁车站空调能耗的特点和 分布，分析变频技术对于降低空调能耗的优势。 一为方便模型的建立，在建模时对地铁的结构做了 定简化，简化原则如下： １）三维物理模型中，地铁车站的站厅和站台简化 １ 模型的建立 １．１地铁车站模型的建立 为矩形，忽略广告灯箱、指示牌等附属物。 ２）由于屏蔽门开启的时间较短，而且开门时站台 环境主要与车内环境相通，为计算方便，把屏蔽门等效 为门窗系统，通过热传导影响站台内的冷负荷。 同时稍作改动车站尺寸。如图１所示，地铁站厅尺 本课题所选取的地铁车站位于夏热冬冷地区的 收稿日期：２０１６．３．２５ 作者简介：任志刚（１９７５－），男，博士，教授；武汉理工大学土木馆（４３ｏ０７０）；Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｈｕｔ．ｒｅｎ＠１６３．ｃｏｍ 第３６卷第３期 任志刚等：变频控制的地铁站通风空调系统能耗研究 ・７３・ 寸为１０６ ｍｘｌ９ ｒｎ，站台为ｌ０６ ｍｘｌ３ １１３，站厅和站台高 ４ １ＴＩ。简化的屏蔽门在站台两侧，尺寸为１０６ ｍ× ＿ｆ｛ｆ＝ｉ设备的实际功率计算其冷负荷。相关设备及其功率 见表４。 ３ ｍ。 图１地铁车站建筑结构简化模型 １．２围护结构及参数 地铁车站 护结构数据：地铁丰体建筑位于地 下，同护结构 一般的地面建筑不同（如不设门窗，没 有日照和室外风环境影响）。为方便建模与计算对建 筑模型做一定简化，模型巾罔护结构材料为混凝土、 土壤和屏蔽门，卡Ｈ应的热Ｉ 参数见表１ 表１地铁围护结构材料热工参数表 材＃ 密度／ ｍ’传 曩量，ｗ，Ｉｎｌ Ｋ ｛壤 ２６５（Ｉ Ｉ ６２８ 钢筋混凝ｆ ２５００ Ｉ ７４ 胖敲ｆｊ ２８００ ２ １．３客流量的确定 根据武汉市地铁２号线Ｔ程客流预测，乍站设计 客流星以远期客流量控制，预汁早高峰７：３０￣８：３０客 流：ｌ：车人数５４１９人／｝１，下车人数为６４０５人／１１；晚高 峰期客流１７：３０～ｌ８：３０：Ｊ 车人数４６１０人／ｈ，下车人数 为３９００人／ｈ。超高峰系数按ｌ－３计算 表２全日客流时段分布表 时 占全夭比一 时 占垒天比倒 ￣ｌ＇Ｊｌ 占垒天Ｉｔ；ｔｌｔ 根据武汉市地铁公 的预测．伞¨客流量时段分 布情况见表２．根据表２推算冉每Ｈ不问时段地铁站 内人员分布情况，得到表３。 １．４其他热扰 １）地铁公共区间设备负荷：地铁公共区间设备按 表３全日客流预测表 时捌 人ｔ 时 人曩 时捌 人量 ０ ００—６：００ ０ １】００一Ｉ ２：００ Ｉ（１７６０ １ ７：００一Ｉ ８．００ Ｉ ５３７２ ６．００ ７ ００ ７６ ６ ｌ ２：ｔ）０ Ｉ ００ ｌ ０７６（】】８【）Ｉ｝－Ｉ ９：００ １ ３７２ ７：００－８：００ 】５ ３ ７１ １ ３：Ｏ０．１ ４．００ ７６８６】９。００．２ｆ１：００ １ ５３７２ ８ｌ【】（） ９：００ Ｉ５ ３ ７２】４・００．１ ５．０Ｏ ７６８６ ２０：００．２Ｉ．００ ７６８６ ９Ⅲ０－ｌ ０ ００ ７６８６ １ ５：００－Ｉ ６．００ ７６８６ ２１．００—２２ ３０ ４６１１ ０：Ｏｎ—ＩＩ。【Ｉｔ）７＾８６ Ｉ ６ｍ（１ Ｉ ７：００ ７６８６ ２２：３【１－２４ ００ ０ 表４设备及功率 功搴／Ｗ／台 ｔ鲁名露 驹事 ７２０ 脚年¨指小料 １ ００ ｌ ２（１０ 电梯 ５０００ ５００ ｌ ｉ动执梯４８００ ２）照明：由于地铁建筑无法使用自然光照明，照明 设备处于常开状态，其负荷町南式（１）估算。 Ｑ＝ｎＡ （１） 式中：Ａ为照明面积，共３３９２ ｉｎ。；ｎ为单位面积照明功 率，取２０Ｗ／ｍ 。 ３） 护结构传热负荷：同护结构负荷包括车站外 护结构与土壤问的传热和屏蔽门传热。土壤传热是 一个 稳态的传热工程，土壤具有一定的蓄热作用，可 考虑采用国外地铁已有的数据，按夏季吸热６．３～１２．６ Ｗｈｎ 的指标计算，纬度低，埋深较浅取下限，反之可加 大该指标的取值 通过屏蔽¨传热带来的负荷，是整 个屏蔽门负荷的丰要组成部分，一般作一维稳态导热 过程处理。Ｈ；Ｉ护结构的散湿量是指外罔护结构与土壤 『ｈ】的散湿量，通常按照经验数据，单位面积２ （ｍ ・ｈ） 进行计算 。 ４）其他不确定负荷：地铁车站的规模、周边环境并 不相同，其ｍ入门通道的数鲢、长度也有所不同，通常 按 入｜］通道截面面积，以２００ Ｗ／ｍ 考虑渗透负荷， 通道较长时，当通道较长时，也需要按照其面积考虑 适 负荷例 １．５运行时间 地铁车站运营时间按照地铁运行时间设定为周 一至问Ｈ每天 卜６：００至晚卜２２：３０，忽略偶尔发生 的地铁运营延时的情况。 １．６计算参数 依据《地铁设计规范））（￣Ｂ５ｏ１５７，２ｏｏ３）￣武汉地 建筑热能通风空调 铁２号线某地下车站的室内设计参数如下： ３．１９２￣１０”Ｊ和２．４９￣１０”Ｊ），８月后能耗开始逐渐降低＋ 直到ｌ０月达到空调制冷季节能耗的低峰；１０月进入 过渡季节，全新风运行可以满足室内要求，通风空凋能 １）室外设计参数。武汉夏季空调室外计算干球温 度３２．２ｏＣ；空调室外计算湿球温度２６．５℃；夏季通风室 外计算温度３２．Ｉ ＣＥ；冬季室外空气计算温度３℃。 ２）室内设计参数。５月．１０月：ｔ＝３０℃，ｑｂ＝５５％ ～耗显著降低，在１１月份到达能耗的低点。１２月份进人 空调采暖季节，能耗再次升高，１２月至３月能耗趋于 平稳，到了过渡季节４月份，能耗再度下降。 ６５％；１１月．４月：ｔ＝ｌ２℃，ｑｂ＝５５％～６５％。 ３）站厅、站台公共区人员新风标准。空调制冷季 节新风取下面三者最大值：每个计算人员按１２．６ ｍ３／ （人・ｈ１计；按总送风量的ｌ０％计；屏蔽门漏风量，屏蔽 门漏风量均取６．１ ｍ。／ｓ。空调采暖季节每个计算人员按 不少于３０ ｍ ／（人．ｈ１计，且换气次数不小于５次／ｈ。 ｜ １ ２模拟结果分析 ２．１全年空调能耗 图３变频前后空调系统能耗逐月变化对比分析图 对于车站屏蔽门全年的空调系统进行能耗模拟， 如图２所示： 非变频空调能耗曲线（上边）在空调制冷季节（５ 月一１０月）和空调季采暖季节（１２月一３月）变化都比较 平稳，在过渡季节（１１月、４月）波动较大，特别的，在１ 月和２月空调能耗不增反降，出现了局部的能耗低点。 相比于非变频空调，变频空调的能耗曲线波动较大。 在空调制冷季节，变频空调能耗从５月到８月迅速上 升，之后又迅速降低，最高能耗和最低能耗相差 ７６ ＧＪ。而在空调采暖季节，变频空调与非变频空调能 耗的变化趋势相似。 图２变频前后空调系统全年总能耗对比图 图３中所示的现象，其原因分析如下： １）由于空调系统在非变频的条件下，只能按照设 由图２显示，变频控制前比变频控制后的空调能 计工况运行，系统的不能随负荷的变化而调整出力，因 耗约多１０９１ ＧＪ，体现出变频空调的优势。变频前，空 调全年的能耗约为３４９１ ＧＪ，其中夏季空调制冷能耗 约为２４４４ ＧＪ，占比约为７０％；冬季空调采暖能耗约为 １０４７ ＧＪ，占比约为３０％。空调能耗是采暖能耗的两倍 多。变频后，空调全年能耗约为２４００ ＧＪ，其中夏季空 调制冷能耗约为１７６０ ＧＪ，占比约为７３％；冬季空调采 暖能耗约为６４１ ＧＪ，占比约为２７％。空调能耗是采暖 此各月的空调系统能耗基本保持不变，呈现出平稳的 变化趋势。对于变频空调，系统在部分负荷下能够根 据负荷的变化，自动调整空调系统的冷冻水泵转速和 风机转速，从而使系统大大降低了能耗。呈现出较大 的波动。 ２）在１、２月，由于客运高峰的到来，人流量增加， 车站的人员冷负荷增加，降低了采暖热负荷，使空调 能耗相对减少。同时，变频空调在部分负荷有更好的 效率和节能效果；而非变频空调一旦开启．就会持续运 能耗的三倍左右。 综上可得：夏季空调能耗是冬季空调能耗的２～３ 倍，所以夏季空调是节能的重点；对空调实施变频控 制能有效的降低能耗。 行增加能耗，因此空调能耗不增反降。 ２．３变频前后风机逐月能耗对比分析 ２．２变频前后逐月能耗对比分析 车站空调系统风机逐月能耗变化如图４所示。总 车站各个月份通风空调系统逐月能耗变化情况 如图３所示。总体上，５月份起室外空气温度明显升 高，地铁进入空调制冷季节，地铁车站能耗也逐渐增 加，变频前后的空调能耗均在８月到达峰值（分别为 体上，５月地铁进入空调制冷季节，风机能耗逐渐增 加，在８月到达峰值（约１．１６￣１０“Ｊ），８月之后能耗开 始逐渐降低，到１０月能耗最低；１０月进入过渡季节， 风机能耗迅速降低，ｌ１月份到达能耗的低点。进入１２ 第３６卷第３期 任志刚等：变频控制的地铁站通风空调系统能耗研究 ・７５・ 月份，空调开始采暖，能耗再次增长，ｌ２月至３月能耗 趋于平稳，４月份进入过渡季节，能耗下降。可以看出， 风机能耗跟空调能耗的变化趋于一致。 图４变频前后风机能耗逐月变化对比分析图 对比图４和图３可得，风机能耗约为系统能耗的 ３３％，说明风机能耗是空调系统能耗的重要组成部分， 对空调系统的能耗产生很大的影响。因此，对空调风 机实行变频控制能有效降低空调系统的能耗。也正是 因为风机在变频控制后的节能表现，使得空调能耗显 著降低。 ２．４变频前后水泵逐月能耗对比分析 车站通风空调系统水泵逐月能耗变化情况如图５ 所示。总体看，水泵能耗变化趋势与空调能耗变化相 似。施行变频控制后，随着冷冻水泵在部分负荷下自 动调节冷冻水流量，其效率得以提高，降低了能耗。 图５变频前后水泵能耗逐月变化对比分析图 对比图４和图３可得，水泵能耗约为系统能耗的 １０％，说明水泵能耗占空调系统能耗的比重小于风机， 但也是重要的一个环节。同时也说明，为了实现室内 的设计环境，风机发挥着主要的调节作用。 ３ 总结 通过对地铁站能耗的计算分析，表明： １）通过地铁车站空调系统模型进行变频控制，将 变频空调系统全年能耗模拟结果与非变频空调系统 进行对比，说明了采用变频控制能达到３１．３％左右的 节能效果。 ２）变频控制前，风机能耗占空调能耗的３３％；水 泵能耗占空调能耗的１０％。变频控制后，风机能耗占 空调能耗的３０．５％；水泵能耗占空调能耗的１２．７％。说 明：风机是空调系统能耗的主要设备，风机能耗的降低 为空调节能带来显著的成效；水泵能耗相对于风机能 耗较少。因此，风机变频是节能的重点。 致谢 感谢武汉地铁集团“地铁运营领域能效改善技术 及政策（ＷＨＲＴＫＹ２０１０１６）”项目的大力支持。 参考文献 ［１】 朱培根．地铁通风空调系统节能分析［Ｊ］＿解放军理工大学学报， ２０１２，１３（５）：５８９—５９２ ［２ ２］余光华．地铁通风空调系统节能研究［Ｊ］．制冷与空调，２００８，２２ （２）：１４—１７ ［３】 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