韩 松,张 苏,李金冬,王 兵

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司建筑工程设计研究院,北京 100055；2.中国国家铁路集团有限公司工程管理中心,北京 100844；3.成都四为电子信息股份有限公司(济南分公司),济南 250001)

引言

在公共建筑中，采暖通风的能耗占建筑物运行能耗的45%～60%，照明能耗占总运行能耗的20%～25%，电梯能耗占8%～10%[1]。占比随着气候区域和公共建筑类型的不同而不同。高铁站房能耗情况与公共建筑相同，以上海虹桥站为例，能耗大户依次为冷热源、空调、照明、电梯[2]，具体能耗占比如图1所示。

图1 上海虹桥站主要用电设备能耗分布图

寒冷地区的高铁站房，电热风幕在空调系统能耗占比较大[3]。根据调研，既有高铁站房的电热风幕，从设计到实际使用，均为人工就地控制，能源浪费较大[4-5]。在京张高铁清河站的设计中，对电热风幕节能措施进行比较研究，使电热风幕达到最优控制。

1 电热风幕节能措施研究

1.1 高铁站房电热风幕现状

电热风幕是将通过高速电机带动贯流或离心风轮产生的强大气流，形成一面无形的门帘[6-7]，有阻挡冷热风交替，阻挡灰尘的作用。寒冷地区高铁站房在进门处一般采用的节能措施为设置门斗及在门斗内侧大门顶部设置电热风幕[8]。一般控制原则为铁路工作人员就地控制，哪扇门打开，则开启这扇门上的电热风幕，热风幕满负荷工作。热风幕一般是低于5 ℃开启。

1.2 清河站电热风幕设计

清河站总共设置了111台电热风幕。每台功率均为20 kW，共计为2 220 kW。

在初步设计阶段，设计选用常规电热风幕，即只有0和20 kW两档。夏季时不开启电加热器，通过风幕吹风隔绝室外热空气进入室内；冬季时开启电加热器，隔绝室外冷空气进入室内。在施工图设计阶段，通过市场调研，设计选用了节能型电热风幕，功率为0，5，15，20 kW四个档位，并将电热风幕控制纳入BAS系统。

拟对电热风幕采用自动控制。根据室内外温度开启热风幕来阻隔室外渗透气流[4]。同时认为热风幕的开启与客流量也存在一定的关系。

1.3 电热风幕控制与室内外温度的关系

电热风幕加热功率(即电功率)按照计算公式

P=CρV(T1-T2)

式中，C为空气比热容常数(1.01 kJ/kg·℃)；为空气密度常数(1.205 kg/)；V为电热风幕单位时间出风量(0.53 m3/s)；T1为热风幕送风温度(不宜高于50 ℃[3]，冬季站房内室内温度按16～18 ℃考虑，不高于5 m的门，舒适性空调的送风温差为人体感觉适宜温度5～10 ℃，因此T1取值范围为21～28 ℃)；T2为热风幕回风温度。由此可知C、ρ、V均为定值；T1为确定的范围值；T2为影响P的唯一因素。则有

设定室外温度T3，可以认为回风温度T2与室内温度T1及室外温度T3有关，α为室内温度的权重，β为室外温度的权重，则有

1.4 电热风幕控制与客流量的关系

当客流量大时，旅客排队从门斗进入车站，此时电热风幕阻挡冷热风交替效果差，按极端假定门斗温度与室外温度相同，则有α取0，β取1，即回风温度为室外温度，则有

T3=T1-1.55P

本次暖通专业设计的节能型电热风幕功率为0，5，15，20 kW四个档位。电热风幕功率对应的室外温度范围如表1所示。

表1 电热风幕功率与室外温度范围(客流量大)

以上为假定回风温度为门斗温度计算结果。当客流量小时，旅客间断从门斗进入车站，此时电热风幕阻挡冷热风交替效果好，回风温度应高于门斗温度，α取1，β取3，则有

T3=T1-2.07P

电热风幕功率对应的室外温度范围如表2所示。

表2 电热风幕功率与室外温度范围(客流量小)

通过表1和表2的结果对比，可以得知，室外温度一定时，当客流量大时，电热风幕开启的档位应该更高；客流量较小时，电热风幕开启的档位可适当调低。

1.5 清河站电热风幕节能措施模拟

北京市冬季供暖时间为当年的11月15日至次年3月15日。本次模拟采用2016～2017年北京市采暖季的每日最高气温，最低气温。设定每日分为凌晨(3点～6点)、上午(7点～10点)、中午(11点～14点)、下午(15点～18点)、夜晚(19～22点)、午夜(23点～次日2点)六个时段，每个时段的平均温度由当日的最高与最低温度取不同的权重得到(实际应用中，电热风幕开启档位由室外温度传感器实时控制，如1h调整1次工作状态)，如表3所示。

表3 2016～2017年北京供暖季，模拟每日分时段温度 ℃

假定凌晨、午夜客流量小，其余时间段客流量大；客流量小时，车站开启的门数也同样减小，总用电量按凌晨、午夜权重为0.25，上午、中午、下午、晚上权重为1.00统计，则根据每日时段平均温度，得到单台电热风幕开启功率及节能前后能耗，如表4、表5所示。

表4 模拟单台热风幕耗电(采用节能措施前) kW·h

表5 模拟单台热风幕耗电(采用节能措施后) kW·h

2 清河站电热风幕节能效果评价

考虑到人工管理电热风幕，不一定能严格按照温度变化控制电热风幕，表4单台电热风幕能

耗，乘以0.9的系数。清河站总共设置111台电热风幕，按照25%的热风幕处于正常工作状态，依据表4及表5，采用节能型电热风幕，并采取相应的控制策略后，每年可节约电能16.9万kW·h，按1 kW·h电0.9元计算，粗略估计每年节约15.2万元。电热风幕控制部分投资如表6所示，预计总投资37万元。根据运营单位热风幕的运维情况，预计每年维护费用暂估为8万元[10-13]，则投资回报率为

表6 清河站电热风幕节能投资

3 结语

在既有的车站节能措施研究中，空调系统的节能策略一直为研究的重点[9]。寒冷地区的高铁站房，冬季的能耗大户热风幕控制研究一直处于空白。在以往的设计及使用中，热风幕均为人工控制，能源浪费较大。本文探讨一种通过测定室内外温度的变化，自动控制热风幕工作状态的节能控制策略。通过不同气温下节能型电热风幕可对应的工作状态，依据2016～2017年北京市供暖季的日气温，模拟比较采取节能措施前后，清河站一个采暖季的电热风幕能耗状态。根据模拟结果，京张高铁清河站采用节能型电热风幕及相应控制策略后，节能效果显著，投资回报率可达20%。该项节能措施作为《高铁站房基于 BAS 能源管理系统研究》科研课题的研究内容之一，已在京张高铁全线各站中设计并准备安装实施，具体节能效果待站房安装调试及投入使用后进一步验证。