蔡珊瑜 高文佳
(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,200092,上?!蔚谝蛔髡?高級(jí)工程師)
近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入了新一輪快速增長(zhǎng)期,各地都建設(shè)了一批綜合交通樞紐工程,如已建成的北京南站和目前正在新建的上海虹橋樞紐。這些大型綜合交通樞紐工程無(wú)一例外地將鐵路、城市地鐵、公路客運(yùn)、道路公交等各種交通功能合理整合成一體,從而發(fā)揮其最大的交通功能,滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)交通的需要。結(jié)合長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的某個(gè)大型交通樞紐中的鐵路客站設(shè)計(jì),針對(duì)車(chē)站的工程建造特點(diǎn),通過(guò)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)全年逐時(shí)運(yùn)行工況的模擬預(yù)測(cè)分析,對(duì)空調(diào)系統(tǒng)冷熱源的組合形式從可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性、環(huán)保性等方面來(lái)進(jìn)行分析和比選,得出合理方案,從而確定空調(diào)系統(tǒng)冷熱源形式的選用。
集中空調(diào)系統(tǒng)在建筑能耗中占很大比例,約為40%~50%,而其中冷熱源主機(jī)部分的所占運(yùn)行能耗高達(dá)50%~60%[1]??照{(diào)系統(tǒng)冷熱源形式的設(shè)計(jì)選用將直接影響車(chē)站的全年運(yùn)行能耗。因此,對(duì)車(chē)站空調(diào)冷熱源設(shè)計(jì)方案的比選分析和合理選用,就顯得十分必要。
本文所介紹的大型綜合城市交通樞紐采用“一心、兩軸、四區(qū)”的總體規(guī)劃格局。其核心區(qū)以鐵路客站為中心,在車(chē)站出站通廊下為地下三層島式地鐵車(chē)站,與鐵路站房呈十字交叉;國(guó)鐵出站通廊連接南北廣場(chǎng);南北站場(chǎng)區(qū)域綜合了長(zhǎng)途汽車(chē)站、道路公交車(chē)站、社會(huì)車(chē)場(chǎng)、出租車(chē)站的多種功能換乘交通體系,綜合形成了大型交通樞紐(見(jiàn)圖1、2)。本文中所研究的車(chē)站即為樞紐中心的鐵路站房部分。車(chē)站規(guī)模為14站臺(tái)面16線,旅客流線采用地上進(jìn)站、高架候車(chē)、地下出站,樞紐車(chē)站設(shè)置南北站房,為高架線側(cè)站。站房南北跨度為180 m,東西長(zhǎng)約230 m,總建筑面積約 62 500 m2。其2030遠(yuǎn)景年車(chē)站高峰小時(shí)客流集散總量將達(dá)到15 750人次/h。
圖1 某交通樞紐總平面圖
根據(jù)站房功能要求,車(chē)站空調(diào)末端系統(tǒng)組成如下:高架候車(chē)區(qū)采用分層空調(diào)系統(tǒng),其他大空間區(qū)域以一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)為主,辦公管理用房為空氣-水系統(tǒng),部分設(shè)備工藝用房采用變制冷劑流量系統(tǒng)。
圖2 某車(chē)站橫剖面圖
工程所處地區(qū)在建筑熱工分區(qū)上屬于典型夏熱冬冷地區(qū)。最冷月平均溫度為 0~10℃,最熱月平均溫度在25~30℃;日平均氣溫≤5℃天數(shù)少于90 d,日平均氣溫≥25℃的天數(shù)在40~110 d之間。這個(gè)地區(qū)建筑物的空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)是冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷。由于車(chē)站建筑為高大空間,建筑外立面材料通透性高,因此其圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差、蓄熱能力弱,自然通風(fēng)及采光對(duì)室內(nèi)溫濕度場(chǎng)影響度大,站房?jī)?nèi)客流的時(shí)段不平衡性強(qiáng)。這些特性使得室內(nèi)冷負(fù)荷加大,同時(shí)也加大了冷熱負(fù)荷差異性。
由于南北站房建筑平面具有對(duì)稱(chēng)性的特點(diǎn),且南北站房的跨度長(zhǎng)達(dá)近180 m,為了減少空調(diào)介質(zhì)的輸送能耗,設(shè)計(jì)分析考慮在南北站房分別設(shè)置冷熱源中心。本文的比選僅以北站房作為目標(biāo)。
在分析中利用 HDY-SMAD暖通空調(diào)負(fù)荷計(jì)算及分析軟件進(jìn)行模擬計(jì)算預(yù)測(cè)。圖3、圖4為設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷熱負(fù)荷數(shù)據(jù)。從圖中可見(jiàn):北站房夏季設(shè)計(jì)日的逐時(shí)冷負(fù)荷最大綜合值為5 957.4 k W,出現(xiàn)在16:00;北站房冬季設(shè)計(jì)日的逐時(shí)熱負(fù)荷最大綜合值為3 575 k W,出現(xiàn)在6:00。
圖3 設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷
圖4 設(shè)計(jì)日逐時(shí)熱負(fù)荷
分析圖3、圖4的計(jì)算數(shù)據(jù)可見(jiàn):該站房的冷熱負(fù)荷具有明顯的不均衡性,冬季空調(diào)負(fù)荷遠(yuǎn)小于夏季冷負(fù)荷。經(jīng)調(diào)研,長(zhǎng)三角地區(qū)鐵路客站供冷季約為180 d,供熱季約為90 d;全年供冷平均日冷負(fù)荷約為設(shè)計(jì)日冷負(fù)荷的60%,全年供熱平均日熱負(fù)荷約為設(shè)計(jì)日熱負(fù)荷的 79%[2]。為此,計(jì)算分析得出:該鐵路客站的北站房全年空調(diào)總冷負(fù)荷約為10 367×103kWh,全年總熱負(fù)荷約為3 675×103k Wh??梢钥闯?全年冷熱負(fù)荷差異極大,冷負(fù)荷占到全年負(fù)荷的74%,熱負(fù)荷只占到全年負(fù)荷的26%。
空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源方式,應(yīng)根據(jù)站房規(guī)模,結(jié)合當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)及其價(jià)格政策、氣候特點(diǎn)、水文地質(zhì)資料、環(huán)保要求等多方面比選分析后確定[3]。本工程所處地區(qū)的主要能源產(chǎn)品是電和天燃?xì)?項(xiàng)目周邊有可利用的熱電廠的余熱——飽和蒸汽(1.0 MPa,180℃)。
考慮到本工程地處典型的夏熱冬冷的氣候地區(qū),空調(diào)系統(tǒng)以供冷為主,但同時(shí)也需兼顧冬季供暖這一特點(diǎn),經(jīng)過(guò)初步比選分析,篩選出以下三種方案作進(jìn)一步的比較。
夏季采用冷水機(jī)組+冷卻塔系統(tǒng)制冷,冬季采用市政蒸汽+汽水換熱器制熱。
冷水機(jī)組可根據(jù)夏季最大冷負(fù)荷選型,宜配置大小機(jī)組,2臺(tái)大機(jī)組選用離心式,1臺(tái)小機(jī)組選用螺桿式。這種配置可以達(dá)到較高的COP值。一一對(duì)應(yīng)配置冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔,并增加冷凍小泵、冷卻小泵備用泵各1臺(tái),且2臺(tái)小泵亦可分別作為一臺(tái)大泵的備用。冬季制熱根據(jù)冬季最大熱負(fù)荷選型,配置2臺(tái)相同容量的汽水熱交換器,制備60℃空調(diào)熱水,對(duì)應(yīng)配置3臺(tái)熱水泵。表1為方案 一的主要設(shè)備配置表。
表1 方案一主要設(shè)備配置表
夏季采用蒸汽雙效吸收式冷水機(jī)+冷卻塔系統(tǒng)制冷,冬季采用市政蒸汽+汽水換熱器制熱。
由于有可利用的蒸汽,故在考慮吸收式機(jī)組時(shí)本著優(yōu)先利用市政能源的原則,擬采用2臺(tái)蒸汽雙效型吸收式機(jī)組取代方案一中的2臺(tái)離心式冷水機(jī)組,夏季由這2臺(tái)蒸汽雙效型冷水機(jī)組與1臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組共同制冷。冬季的制熱方式由于市政蒸汽的存在,為保證最高的能源利用率,故直接采用與方案一的相同方案,即利用市政蒸汽進(jìn)行汽水換熱提供空調(diào)熱水。表2為方案二的主要設(shè)備配置表。
表2 方案二主要設(shè)備配置表
夏季采用地源熱泵+冷卻塔+冷水機(jī)組制冷,冬季采用地源熱泵制熱。
地源熱泵系統(tǒng)是以土壤或地下水、地表水為低溫?zé)嵩?由水源熱泵機(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng),根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同,分為地埋管地源熱泵、地下水地源熱泵及地表水地源熱泵三種[4]。在本項(xiàng)目中,由于周邊無(wú)可利用的江湖等水域,也無(wú)可利用的地下水,故排除水源地源熱泵的可能性,僅分析地埋管地源熱泵系統(tǒng)。
本項(xiàng)目中冷熱負(fù)荷差異極大,若只使用地源熱泵系統(tǒng),由于全年釋熱量和取熱量的極不平衡,若干年后土壤熱失衡的問(wèn)題會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重,導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行,故需另設(shè)冷水機(jī)組系統(tǒng)來(lái)有效緩解土壤熱失衡問(wèn)題。地源熱泵機(jī)組根據(jù)冬季最大熱負(fù)荷選型,宜配置2臺(tái)相同容量的地源熱泵主機(jī),并對(duì)應(yīng)配置用戶側(cè)循環(huán)水泵、土壤側(cè)循環(huán)水泵各2臺(tái)。夏季制冷工況時(shí)另行增配1臺(tái)離心式冷水機(jī)來(lái)補(bǔ)充不足部分的冷量,同時(shí)需配置冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔各1臺(tái)。夏季空調(diào)供冷,由冷水機(jī)組提供空調(diào)冷水,地源熱泵作為補(bǔ)充。冬季空調(diào)供熱,由地源熱泵提供空調(diào)熱水。表3為方案三的主要設(shè)備配置表。
表3 方案三主要設(shè)備配置表
由于方案一、方案二屬于已具有成熟度的系統(tǒng),因此,主機(jī)房的設(shè)置較為常規(guī)。而方案三則需要解決地源熱泵系統(tǒng)所需的大面積埋管場(chǎng)地,根據(jù)初步估算大約需要14 100 m2。而車(chē)站屬于線側(cè)上式站房,站房候車(chē)廳下部為列車(chē)股道,由于地埋管需連通,故較難在股道之間進(jìn)行地埋管敷設(shè)。若在站場(chǎng)外另尋埋管場(chǎng)地,由于本項(xiàng)目位于老城區(qū),地下有眾多周邊市政管線,進(jìn)行大面積的地埋管敷設(shè)時(shí)也存在相當(dāng)難度,因此方案三的可實(shí)施性差于方案一、方案二。
比較前提:
1)根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)市政部門(mén)的征詢價(jià)格,電價(jià)暫按0.8元/k W·h計(jì),蒸汽暫按193元/t計(jì)(2009年6月價(jià)),蒸汽增容費(fèi)約35萬(wàn)元/t;
2)表4中的主機(jī)年運(yùn)行費(fèi)用按供冷期180 d,供熱期90 d進(jìn)行估算;
3)由于是對(duì)冷熱源方案進(jìn)行比較,故只對(duì)冷熱源主機(jī)部分進(jìn)行設(shè)備初投資及運(yùn)行費(fèi)用的比較,不包括空調(diào)末端設(shè)備部分。
表4 各方案經(jīng)濟(jì)性比較
通過(guò)表4可見(jiàn):方案二的主機(jī)設(shè)備初投資較高,年運(yùn)行費(fèi)用最貴,因此相對(duì)于方案一無(wú)投資回收期,經(jīng)濟(jì)性最差;方案一的初投資最低;方案三年運(yùn)行費(fèi)用最低,但由于初投資過(guò)高,其設(shè)備投資回收期近11年,加之設(shè)備折舊,方案中所節(jié)省的年運(yùn)行費(fèi)用就失去經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。
機(jī)組性能系數(shù)是機(jī)組的產(chǎn)冷量或產(chǎn)熱量與所耗能量之比,這個(gè)參數(shù)是反映主機(jī)設(shè)備是否節(jié)能的重要指標(biāo)。
方案一、方案二采用板式熱交換器直接制備熱水,效率高達(dá)90%~95%;方案三的地源熱泵的制冷系數(shù)約為4.0~4.6,見(jiàn)表5。
表5 各種機(jī)組制冷性能系數(shù)
各種機(jī)組直接消耗的能源種類(lèi)不同,有直接消耗一次能源天然氣的,也有直接消耗二次能源電能的,還有的消耗高溫蒸汽的。
對(duì)于采用電能作動(dòng)力的機(jī)組,其能源利用率以消耗一次能源指標(biāo)來(lái)比較更為合理。
從圖5可見(jiàn):消耗1 MJ的天然氣,冷水機(jī)組制冷量為2.65~2.90 MJ,地源熱泵可產(chǎn)生2.00~2.25 MJ冷量,或生產(chǎn)2.00~2.3 MJ熱量。
由于方案一和方案二中可利用熱電廠一次能源發(fā)電后的附屬產(chǎn)品——余熱高溫蒸汽,因此,從能源的利用率角度來(lái)說(shuō)是最高的。
圖5 一次能源消耗表
方案二中的直燃機(jī)都是直接消耗一次能源天然氣的設(shè)備,均會(huì)有煙氣產(chǎn)生。煙氣的主要成份為高溫水蒸氣及NO x,對(duì)大氣環(huán)境會(huì)造成一定的污染。直燃機(jī)在夏季的煙氣排放會(huì)加劇城市的熱島效應(yīng)。方案一中不存在尾氣的排放。方案三也不存在廢氣排放的問(wèn)題,同時(shí)方案三中冷卻塔的容量也是三個(gè)方案中最小的,因此,對(duì)夏季大氣環(huán)境的熱污染也是相對(duì)最小的。但是由于大規(guī)模的地源熱泵在長(zhǎng)期運(yùn)行之后,會(huì)對(duì)這一區(qū)域的水文地質(zhì)中的水溫、土壤溫度、生物環(huán)境等造成一定的影響,而目前國(guó)內(nèi)對(duì)已運(yùn)行工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集較少,因此,對(duì)環(huán)境的影響也缺乏研究。
根據(jù)工程所處地區(qū)氣候特點(diǎn)、建筑形態(tài)、使用業(yè)態(tài)等特點(diǎn),預(yù)測(cè)分析空調(diào)冷熱負(fù)荷,提出三種不同冷熱源形式,并從經(jīng)濟(jì)型,節(jié)能型,環(huán)保型等不同角度來(lái)進(jìn)行比較研究,得出:
1)從經(jīng)濟(jì)性角度,方案一的設(shè)備初投資最低,其年運(yùn)行成本略高于方案三;方案三的設(shè)備初投資過(guò)高,導(dǎo)致回收期太長(zhǎng),在經(jīng)濟(jì)性上沒(méi)有優(yōu)勢(shì);方案二的初投資和運(yùn)行費(fèi)均高于方案一,也沒(méi)有優(yōu)勢(shì) 。
2)從節(jié)能型角度,由于項(xiàng)目周邊有可被利用的熱電廠余熱,故盡量利用余熱的方案是對(duì)一次能源利用率的最大化;若在沒(méi)有可利用的廢熱時(shí),制冷工況消耗相同的一次能源,方案一的冷水機(jī)所提供的冷量高于地源熱泵,地源熱泵在制熱工況可突顯其節(jié)能優(yōu)勢(shì)。
3)從環(huán)保角度,由于方案二中吸收式直燃機(jī)在制冷工況要排放高溫?zé)煔?這方案的冷卻塔配置也最大,需消耗最多的水源,加劇了城市熱島效應(yīng)。方案一中冷水機(jī)組的制冷工況沒(méi)有尾氣排放,冷卻塔也小于方案二。方案三的地源熱泵目前對(duì)大氣的環(huán)境影響是最小的,由于目前缺乏對(duì)地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行后影響監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),因此對(duì)水文地質(zhì)的影響還無(wú)法評(píng)估。
4)在方案的可操作性上,方案三地源熱泵系統(tǒng)所需的大面積地管埋區(qū)域較難實(shí)現(xiàn)。
故經(jīng)過(guò)綜上比選及研究,最終推薦方案一。
綜合考慮長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的鐵路站房空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷差異性大,并兼顧該地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)及其現(xiàn)行價(jià)格,采用方案一在實(shí)施性上可行,經(jīng)濟(jì)性上最優(yōu);加之項(xiàng)目周邊有熱電廠的余熱高溫蒸氣可利用,因此對(duì)一次能源的利用率也盡合理,故對(duì)此方案可進(jìn)行深化實(shí)施。
[1]GB 50189—2005 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].
[2]孫兆軍.上海虹橋高鐵站房冷熱源方案比選介紹[C]∥鐵路暖通空調(diào)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京:中國(guó)勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)建筑環(huán)境與設(shè)備分會(huì)鐵道專(zhuān)業(yè)委員會(huì),2008.
[3]馬友才,張銀安,劉華,等.新建鐵路客運(yùn)站房暖通空調(diào)設(shè)計(jì)綜述[J].暖通空調(diào),2009(3):1.
[4]蔣能照,劉道平.水源·地源·水環(huán)熱泵空調(diào)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.
[5]王靜偉,賀利工,涂旭煒.地鐵車(chē)站通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)[J].城市軌道交通研究,2009(5):38.