中国运载火箭技术研究院空间物理重点实验室 檀妹静 王丽燕 高扬 程响

       【摘  要】冷热负荷的准确预测是地铁车站空调系统节能设计及运行的关键。本研究以广州地铁2号线某标准站为例，利用TRNSYS仿真平台，搭建地铁车站空调系统负荷预测模型。分别对连续运行及间歇运行两种模式下的地铁车站站台区室内温度，站台、站厅及车站公共区逐时冷负荷峰值及全年累计负荷进行了分析。数值模拟结果表明，在两种运行模式下，站厅区冷负荷均远小于站台区，其峰值仅为站台区的57%；连续运行模式计入了非空调时段及非空调季节的冷负荷，引起全年累计负荷的高估；根据实际使用时间表进行间歇负荷模式设定，有利于空调启动负荷的精确模拟，从而实现系统累计负荷的高精度预测。本研究能够为地铁车站空调系统设计及运行提供参考。

       【关键词】负荷预测、TRNSYS、地铁车站、间歇运行、节能

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，地铁车站通常采用全空气空调系统对站厅、站台等公共区域进行空气环境的热湿调控^[1]。地铁环境控制系统运行能耗远高于其他类型公共建筑。据统计，设置有屏蔽门系统的地铁车站环控系统能耗占比最高可达40~60%^[2,3]。

       在地铁车站通风空调系统设计中，冷热负荷是系统及设备选型的核心依据，是地铁车站空调系统设计中最为基础的一环^[4]，将直接影响系统能耗水平，同时还将对其经济性及运行效果产生显著作用^[5,6]。因此，准确、合理的负荷预测，对于合理控制装机容量、节约运营成本具有重要意义，是地铁车站空调系统节能的关键^[7,8]。

       与地面上的其他公共建筑相比，地铁车站具有以下环境特征：1）地铁站厅、站台、隧道以及管理用房等人员活动区不与外界环境直接连通，均没有能够接受室外太阳辐射的外墙、外窗等围护结构。其内部环境不会直接受到外界气候条件的影响。2）地铁内部空间通过外围护结构直接与地下土壤等相连，其热湿传递过程与地面建筑存在较大差异。岩石、土壤等地下地质情况对于地铁车站的冷热负荷具有较大影响。3）地铁内部空间通过外围护结构直接与地下土壤等相连，其热湿传递过程与地面建筑存在较大差异。岩石、土壤等地下地质情况对于地铁车站的冷热负荷具有较大影响。4）由于与外界相对隔绝，地铁空间的热湿负荷主要来自内部的热源和湿源，其包括：列车、人员、设备、照明设施等^[9,10]。目前，地铁车站空调系统设计负荷计算通常采用稳态计算方法^[11]。近年来，随着数值计算技术的进步，发展出了基于全年逐时气象数据的地铁空调系统的全年瞬态预测方法，其能够实现逐时非稳态负荷的精准预测，能够为地铁空调系统节能设计及运行提供数据支持，具有良好的推广前景^[12,13]。

1 广州地铁2号线某标准站TRNSYS 动态负荷预测模型

       TRNSYS(Transient System Simulation Program)，亦称为瞬时系统模拟程序，由美国政府资助，美国威斯康星--麦迪逊大学太阳能实验室(SEL)开发，适用于建筑负荷、各类空气调节系统、太阳能系统及冷热电联产系统进行动态仿真。

       本研究基于TRNSYS17平台，结合Google Sketchup构建广州地铁2号线某标准站的车站三维建筑模型，进而建立该车站的空调系统数值仿真算例，对其公共区空调负荷进行全年逐时预测。

       1.1 车站建筑布局

       该站为地下二层岛式非换乘标准站，地下一层为站厅区，地下二层为站台区，车站起点里程YDK10+748.2，终点里程YDK10+912.3，总长度164.1m。 车站建筑布局如下图所示：

图1 广州2号线某标准站地下车站站厅平面图

图2 广州2号线某标准站地下车站站台平面图

       1.2 计算参数设置

       本研究使用Meteonorm软件数据库中提供的基于中国广州地区气象站近20年实测数据的典型气象年TMY（Typical Meteorologic Year）数据作为全年动态负荷模拟的计算数据。

图3 广州典型气象年室外干球温度

图4 广州典型气象年室外湿球温度

       站厅夏季空调设计参数：干球温度29℃，相对湿度45~65%；站台夏季空调设计参数：干球温度27℃，相对湿度45~65%。列车车厢内夏季空调设计参数：干球温度27℃。按远期2032年夏季晚高峰计算，预测客流3780人，其中上行上车人数2210人，上行下车人数153人；下行上车人数220人，下行下车人数1197人，超高峰系数取1.3。照明负荷按照单位面积指标法进行计算，取20W/m2。车站侧墙、顶板、底板均取2 g/（m2h）。屏蔽门漏风量取10 m3/s，对出入口渗透风负荷则基于出入口通道截面积，按照200 W/m2计算。屏蔽门漏风量取10 m3/s，对出入口渗透风负荷则基于出入口通道截面积，按照200 W/m2计算。

       1.3 连续与间歇运行模式

       连续运行模式指，全年室内设计温度为一恒定值，当室内自然室温高于该设计温度时，即对冷负荷进行模拟，基于全年8760小时连续逐时计算，获得全年冷负荷波动、峰值负荷及累计负荷。该模式所获得的计算结果是以空调系统连续24小时运行为前提的。

       间歇运行模式指，空调系统在地铁列车运行时段内启动，地铁列车停运阶段停止的运行方式。与连续运行工况不同，在间歇运行情况下，室内冷量及热量存在一定的积累效应，将会导致室内温度在空调启动及停机后延迟变化，进而影响空调系统负荷。如果能够根据空调系统的实际使用情况对空调系统负荷进行精细化模拟，将可能获得更加精准的负荷计算结果。本研究中，根据广州地铁2号线列车运行情况，设每日空调时段为早晨4:30至次日凌晨0:30。空调季节依据广州市建筑节能季节划分并做适当延长，取3月1日~11月1日，其他时段为非空调时段。

2 动态负荷预测结果分析

       2.1 地铁车站空调系统TRNSYS模型

       为实现地铁车站空调系统间歇运行模式下的负荷精确预测，在TRNSYS仿真平台中增加基于每日运行时间表的空调系统动态启停控制模块。将地铁车站冷热负荷与空调系统运行时间表相结合，实现连续及间歇运行模式下的地铁车站空调系统动态负荷预测。模型结构如下图所示：

图5 负荷动态预测的TRNSYS模型图

       2.2 两种运行模式下的站台区温度对比

       连续及间歇运行模式下站台区全年室内温度变化曲线如图6、图7所示。可以看出，两种运行模式下的站台区温度存在显著差异，间歇运行模拟下，站台区室内温度存在显著的日波动，在非空调时段内，因热量累计，自然室温升高，并超过设计温度27℃，空调启动后，室内温度迅速下降并最终维持在设计温度。由此可知，间歇运行负荷模拟能够有效的模拟出由于空调系统非连续运行所导致的室温升高，从而有利于空调启动负荷的准确预测。

图6 连续运行模式下站台温度

图7 间歇运行模式下站台温度

       2.3 两种运行模式下的峰值冷负荷及全年累计冷负荷对比

       全年8760小时连续动态冷负荷模拟结果如图8、图9所示。

       在连续运行模式下，站台区峰值冷负为326 kW，出现在第4554小时；站厅区峰值冷负为186 kW，出现在第4554小时；公共区总冷负荷峰值512 kW，亦出现在第4554小时；站厅区冷负荷远小于站台区，其峰值仅为站台区的57%。站台区及站厅区峰值负荷出现时间点一致，表明车站冷负荷中新风负荷比例较高，峰值负荷由室外温度峰值决定。

       两种运行模式下的总冷负荷对于如表1所示。可以看出，连续运行模式计入了非空调时段及非空调季节的冷负荷，引起全年累计负荷的高估。即使仅对空调季的冷负荷数据进行统计分析，仍可看出，连续模式由于计入了非空调时段冷负荷，其结果略高于间歇模式。由于间歇运行情况下的预测结果中包含了启动负荷引起的增量，使得两类方法之间的差值有所减小。

图8 连续运行模式下车站总冷负荷

图9 间歇运行模式下车站总冷负荷
表1 两种运行模式下的总负荷对比

3 结 论

       本研究通过TRNSYS系统仿真平台，对广州地铁2号线某标准站车站空调系统在连续运行及间歇运行模式下的室内环境温度及冷负荷情况进行了分析，研究结果表明：1）传统的基于稳态算法的负荷计算过于粗放，无法展示出全年的负荷变化及各季节、各月、各日的部分负荷率，不利于系统精细化设计及运行控制；2）基于全年8760小时连续运行模式的负荷预测，无法体现启动负荷，并可能引起累计负荷高估等问题；3）在工程设计中，应依据实际项目所在地区的空调季节及其每日具体运行时间进行间歇运行模式设置，进而实现负荷预测的精细化。采用基于空调时段的间歇运行负荷预测取代连续逐时负荷预测，有利于空调系统节能设计与运行；4）采用TRNSYS过程化控制软件对地铁工程空调系统进行负荷计算时，根据实际使用时间表进行负荷计算，将能够实现空调启动负荷的精确模拟，从而实现系统逐日、逐月、逐季节、以及全年累计负荷的高精度预测。

参考文献

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       [13] 段皖秦, 城市轨道交通地下车站通风空调系统与能源管理优化, 2019, 西安理工大学.

       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。