火车站能源供应优化方案

彭 涛,屈 茹

(西安交通工程学院,西安 710300)

火车站是一个高度集约化的场所,其能源消耗主要集中在照明、空调、供暖、列车运行等方面。能源供应主要依赖于传统的化石能源,如煤炭、石油等,不仅存在能源资源有限、价格波动大的问题,还会带来大量的排放及环境污染[1],因此寻求一种更加可持续、高效的火车站能源供应方案尤为迫切。太阳能、风能等可再生能源具有资源丰富、清洁等特点,可有效减少能源消耗,降低对环境的影响[2]。借助能源储存技术可更好地解决可再生能源的间歇性和不稳定性问题,保障火车站能源供应的稳定性和可靠性。但目前针对火车站能源供应的优化方案研究有限,尤其是对实际应用的探索和实践相对较少[3],本研究可为火车站能源供应的优化提供理论支持和实践指导,为推动城市能源转型及可持续发展奠定基础。

1 火车站能源供应框架建模

1.1 建筑特点

火车站是城市的交通枢纽,包括候车大厅、售票大厅、站台等与列车运行相关的功能区域,还可能包括商业设施、办公区域、停车场等配套设施,以满足广泛的服务需求[4]。为了容纳大量的旅客和列车,在空间设计方面,采用大空间设计,候车大厅、站台等区域设有高大的天花板及宽敞的空间,为旅客提供舒适的候车及乘车体验。火车站建筑往往设有多个出入口及通道,与周边的地铁、公交、出租车等交通工具衔接紧密,方便旅客进出。具体内部结构以火车站一层和二层为例,如图1、图2所示[5]。

图1 车站一层平面图Fig.1 Plan of the ground floor of the station

图2 车站二层平面图Fig.2 Plan of the second floor of the station

可以看出,在火车站能源供应和负载消耗方面主要分为集散大厅和办公区等部分,需对其进行研究,以优化改进能耗及能源利用。

1.2 能量供应系统

火车站的电能供应流程复杂精密,旨在确保各个区域及设备的正常运行,其能量供应系统框架如图3所示[6]。

图3 火车站能量供应系统Fig.3 Station energy supply system

由图3可知,能量供应系统主要分为天然气、冷能、热能、电能等方面。天然气主要向燃气轮机和燃气锅炉进行能量供应。电网电能的主要供应对象为电锅炉、电热泵、电制冷机、冰蓄冷和蓄电池,并通过相关电能变换器直接向车站供能。冷能供应主要由吸收式制冷机、电制冷机和冰蓄冷等部分组成,用于火车站的温度控制。热能则由燃气轮机通过余热回收后向换热器、电热泵进行热量供应,电锅炉、燃气锅炉也可提供相应的能量。故此,在火车站能源供应优化方案设计中,可针对相应负载消耗及能源来源进行分析。

2 火车站能源消耗

2.1 用电量分析

火车站用电量分析主要通过绘制日负荷曲线或根据供电公司的电费缴费单来进行,前者需要的计算量和工作量非常大,故采用后者对近一年的车站用电情况进行分析。我国某车站的各月份用电量数据如表1所示[7]。

表1 各月份分时段的用电量

从表1可知,火车站用电总量为395 000 kWh,平均日用电量为1082.19 kWh,用电量最大的时间段为高峰时段和平段。

2.2 燃气轮机热力模型

燃气轮机是火车站常用的能源供应设备之一,其性能直接影响着能源的利用效率。通过研究燃气轮机热力模型可以优化燃气轮机的设计和运行参数,提高其能源利用率,从而降低能源的消耗成本。热力模型推导式为(1)～(8)。

Wmax=Co0+Co1·t+Co2·t2+Co3·t3

(1)

(2)

texh,1=a1·plr+b1

(3)

mexh=a2·plr+b2

(4)

B=a3·plr+b3

(5)

Qexh=(texh,1-texh,2)·mexh·Cp,exh

(6)

W=Wmax·plr

(7)

(8)

其中,Wmax为最大发电量,Co为环境温度系数,t为环境温度,plr为部分负荷率,Wload为建筑电负荷,texh,1为烟气温度,a1和b1为排烟流量系数,mexh为烟气流量,a2和b2为耗气量系数,B为耗气量,a3和b3为排烟温度系数,Qexh为烟气余热,texh,2为余热利用后的排烟温度,Cp,exh为烟气比热容,W为发电量,eff为发电效率,QL为天然气低位热值。从推导过程可以看出,燃气轮机的热力模型主要与环境温度、烟气余热利用量及发电效率有关。要想对能源供应进行优化设计,需对燃气轮机的发电和耗量进行研究。

2.3 以电定热的能源优化策略

以电定热模式是将电能作为主要的能源供应方式,包括电能供应、加热设备运行、温度调节及能源利用效率等,通过电力供应系统从城市电网或专用电网中获取电能,利用电能驱动加热设备,如电暖气、电热水器等,将电能转化为热能,为建筑内部提供供暖和热水服务,通过控制加热设备的运行状态调节室内温度,达到舒适水平。为了提高能源的利用效率,通常采取节能措施,如优化加热设备的设计、改善建筑保温性能等。其对应的热电需求比和能耗数据如表2所示。

表2 以电定热模式下能源系统的消耗

2.4 以热定电的能源优化策略

以热定电模式基于热能驱动供热设备,将热能转化为电能,利用热泵、余热回收系统等供热设备将环境中的热能提取并转化为供暖或热水,再将热能通过热电转换技术转化为电能,供火车站内部设施及设备的使用。该模式的运行主要分为热能提取与转化、热能利用、热能转换及电能回馈等部分。在热能提取中,设备可从空气、水源或地下地热等温度较高的介质中吸收热能,将其转化为高温热水或热气体,满足火车站内部的供暖和热水需求。在供电方面,通过热电转换技术、热电偶、热电发电机设备等将热能转化为电能,利用温差效应将热能转化为电能,并将转化得到的电能馈回到电力系统中用于供电设备、照明、电子设备等,其消耗数据如表3所示。

表3 以热定电模式下能源系统的消耗

2.5 能源优化策略评价

以电定热和以热定电两种模式都有各自适用的情况,但随着热电需求比的变化,能源系统的消耗会随之改变,模式性能也会受到影响。经过对比发现,在大多数情况下尤其是热电需求比大于1.3的情况下,以电定热的模式能够更好地提高一次能源利用效率及节约率,走势图如图4所示。

图4 不同模式下一次能源节约率分析Fig.4 Analysis of the primary energy saving rate under different modes

3 结束语

对火车站的地理位置及结构进行研究,以火车站一层和二层作为内部结构的研究对象,针对供应和输送方式展开能源供应方案分析,将以电定热和以热定电方式进行数据对比。结果表明,以电定热模式能够在大多数情况下提高一次能源效率及节约率,尤其是热点需求比大于1.3时,以电定热模式的性能更为突出。结合火车站的实际情况,考虑到电能和天然气的消耗,以电定热模式更适合火车站的能源供应优化。