郭 浩 王偉晗 尹守遷 常福躍 陳志春 曹 斌 王清成

1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué);2.上海鐵路局;3.上海蕊云電子科技有限公司

0 前言

近年來，我國(guó)鐵路建設(shè)處于高速發(fā)展時(shí)期，新站處于建設(shè)過程的同時(shí)既有客站也在改造過程中。根據(jù)交通運(yùn)輸部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2016年中國(guó)鐵路總里程達(dá)到12.4萬公里，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到20萬公里。據(jù)統(tǒng)計(jì)，公共建筑的全年電耗是居住建筑的10～15倍，而交通樞紐類建筑用能強(qiáng)度在公共建筑中位列第二，僅次于商業(yè)建筑。鐵路客運(yùn)站作為交通樞紐的重要組成部分,具有建筑面積大、窗墻比高、人員流動(dòng)性大、照明系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn)。上述特點(diǎn)都會(huì)在一定程度上增加候車室內(nèi)的空調(diào)供暖負(fù)荷,由此進(jìn)一步增加了對(duì)電能、天然氣、水等能源的消耗。因此，研究客運(yùn)站中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)對(duì)鐵路系統(tǒng)節(jié)能降耗具有重要意義。

近年來，新建的大中型鐵路客運(yùn)站呈現(xiàn)出單體面積越來越大、部分新建車站人員密度少及單位面積能耗大的特征。本文通過中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的現(xiàn)狀及部分客運(yùn)站實(shí)地調(diào)研，選取溫州南站分析中央空調(diào)智能節(jié)電系統(tǒng)在客運(yùn)站中的應(yīng)用及節(jié)能效益的分析。

1 系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

中央空調(diào)控制系統(tǒng)在夏季由于外界氣溫較高,需要進(jìn)行制冷,因此使用夏季制冷回路對(duì)管道回水通過蒸發(fā)器冷卻塔等設(shè)備進(jìn)行降溫。而在冬季,由于外界氣溫較低,需要加熱,因此使用采暖回路對(duì)水溫進(jìn)行加熱以提高室內(nèi)溫度。通常的中央空調(diào)系統(tǒng)使用水作為傳遞溫度的媒介,以空調(diào)水泵提供動(dòng)力,通過提高水壓來調(diào)節(jié)水循環(huán)速度,將管道水流推送至分水器,再由分水器將冷水或者熱水分送至各個(gè)房屋或者負(fù)載。經(jīng)過房屋或者負(fù)載已使用過的管道水再次通過集水器進(jìn)行統(tǒng)一回收至主送水管道,最終流經(jīng)冷卻或者加熱端,完成一次水循環(huán)。

2 中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀分析

對(duì)于中央空調(diào)而言，目前普遍情況下的使用是預(yù)先設(shè)置好主機(jī)的工作狀態(tài)后讓其自主運(yùn)行。首先，對(duì)于預(yù)先設(shè)置的狀態(tài)是否合理僅靠人為經(jīng)驗(yàn)或主觀判斷。在運(yùn)行過程中，若用戶感覺冷或熱的時(shí)候通常去調(diào)節(jié)末端設(shè)備（如風(fēng)機(jī)盤管）的工作狀態(tài)，來達(dá)到理想效果，而此操作對(duì)于主機(jī)的運(yùn)行狀況絲毫沒有影響；如：空調(diào)主機(jī)在設(shè)置好的狀態(tài)下運(yùn)行，用戶覺得溫度較低就把風(fēng)量關(guān)小或溫度調(diào)高，而這只是改變了末端的熱量交換的設(shè)置，并不能讓主機(jī)輸出功率降低，主機(jī)仍然在正常制冷輸出，這就造成了能量的浪費(fèi)。

其次，即使有部分空調(diào)會(huì)根據(jù)回水溫度與設(shè)置的回水溫度做比對(duì)，從而去調(diào)節(jié)出水溫度，但大型中央空調(diào)水系統(tǒng)循環(huán)的周期是比較長(zhǎng)的。周期較?？赡墉h(huán)境所需溫度已經(jīng)發(fā)生了多次改變，主機(jī)接收到的是滯后調(diào)節(jié)需求信息，而且水溫在運(yùn)行過程中的損耗更是無從計(jì)量的，因此主機(jī)無法高效工作，存在大量浪費(fèi)。即使有管理人員進(jìn)行管理，根據(jù)環(huán)境溫度需求的改變?nèi)フ{(diào)節(jié)主機(jī)工作狀態(tài)，但也多憑主觀判斷去調(diào)節(jié)。另外，外部環(huán)境是動(dòng)態(tài)的，要靠主觀了解各個(gè)環(huán)節(jié)的溫度動(dòng)態(tài)變化，難以做到及時(shí)性和準(zhǔn)確性，而主觀的調(diào)節(jié)更缺乏合理性。因此，中央空調(diào)主機(jī)能耗節(jié)能存在較大的節(jié)能潛力。

3 中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)能系統(tǒng)介紹

基于中央空調(diào)主機(jī)是主要的耗電設(shè)備，由于人為管理的不及時(shí)可能造成電能的浪費(fèi)。中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)電系統(tǒng)提供了很好的節(jié)電解決辦法：智能管理系統(tǒng)。中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)電系統(tǒng)的基本原理是把空調(diào)主機(jī)以往的工作方式，改變成根據(jù)使用環(huán)境的需要來進(jìn)行合理匹配調(diào)節(jié)工作的方式，讓所有供給都反映為實(shí)際需求，從而不浪費(fèi)供給，達(dá)到節(jié)能的目的。

3.1 中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)電系統(tǒng)原理

以用戶末端溫度需求為主機(jī)功率輸出依據(jù)。用戶末端所需溫度設(shè)定后，室內(nèi)末端會(huì)因人流量增減而產(chǎn)生熱源變化、出/回水管線長(zhǎng)短、水管保溫是否良好、水的流速和室外天氣溫度變化等因素，均會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)多種變量而造成負(fù)荷的不同。智能節(jié)電管理系統(tǒng)根據(jù)各種變量的變化，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)主機(jī)負(fù)載，以滿足末端負(fù)荷的需求。使主機(jī)的能耗可以快速、準(zhǔn)確、合理、適度加減載，直接與末端需求相適應(yīng)。通過對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)末端的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并參考室外溫濕度，室內(nèi)環(huán)境溫度需求，實(shí)現(xiàn)空調(diào)主機(jī)負(fù)載率跟隨末端負(fù)荷需求而同步變化。從單純生產(chǎn)變成以需定產(chǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。智能節(jié)電管理系統(tǒng)平臺(tái)管理模式如圖1所示。

圖1 智能節(jié)電管理系統(tǒng)平臺(tái)管理模式示意圖

3.2 中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式

運(yùn)用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)計(jì)算工具對(duì)內(nèi)、外部環(huán)境溫度變化值、終端溫度需求值和空調(diào)主機(jī)運(yùn)行方式的輸出值進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，在滿足需求的同時(shí)從能耗最低的角度建立相匹配的數(shù)據(jù)模型。（該系統(tǒng)有自學(xué)習(xí)的能力，通過每一個(gè)項(xiàng)目在不停地進(jìn)行，在新的模型建立過程中，對(duì)于已存在的模型進(jìn)行修正，目前已達(dá)數(shù)百種模型。）形成數(shù)據(jù)模型庫。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過各個(gè)傳感器采集所需的一切環(huán)境溫、濕度變化情況，結(jié)合設(shè)定的溫度需求，從數(shù)據(jù)模型庫里快速匹配出最佳運(yùn)行方案，直接將最合理的運(yùn)行參數(shù)給主機(jī)，主機(jī)按此調(diào)節(jié)負(fù)載，確?？照{(diào)主機(jī)始終處于最優(yōu)化、最合理、最節(jié)能的運(yùn)行狀態(tài)，始終以最小的能耗滿足使用需求。從而達(dá)到節(jié)能目的。

3.3 中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)電系統(tǒng)（專家系統(tǒng)）

智能節(jié)電管理系統(tǒng)是一套可遠(yuǎn)端也可近端操控的“專家系統(tǒng)”，有別于市場(chǎng)上多數(shù)以設(shè)備為中心的解決方案，此平臺(tái)是以用戶為中心，隨時(shí)調(diào)控空調(diào)主機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，讓空調(diào)主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)保持在最有效率且節(jié)能的狀態(tài)，該系統(tǒng)的精細(xì)化管理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的精細(xì)化管理結(jié)構(gòu)

3.4 中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)能系統(tǒng)優(yōu)化管理的使用

中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)電系統(tǒng)利用云技術(shù)建立云平臺(tái)集中統(tǒng)一管理。管理平臺(tái)設(shè)定密碼供被授權(quán)人員登入。系統(tǒng)的控制器和數(shù)字電表等可支持RS485接口，統(tǒng)一于網(wǎng)路環(huán)境下進(jìn)行管理。系統(tǒng)管理人員可以通過各種網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備（包括移動(dòng)終端設(shè)備）即時(shí)掌握空調(diào)主機(jī)運(yùn)行狀況的所有信息。

各設(shè)備管控設(shè)定皆經(jīng)由服務(wù)器下載至各設(shè)備控制器，當(dāng)服務(wù)器離線時(shí)，已設(shè)定的設(shè)備皆可自行運(yùn)作，不受系統(tǒng)離線影響。若當(dāng)服務(wù)器與控制器連線后，服務(wù)器可立即將待派送之指令自動(dòng)傳送，不需再由管理者再次手動(dòng)執(zhí)行。各設(shè)備和環(huán)境狀態(tài)等相關(guān)信息，均透過網(wǎng)絡(luò)上傳至系統(tǒng)平臺(tái)。當(dāng)空調(diào)主機(jī)工作狀態(tài)設(shè)定超出合理范圍時(shí)，提供管理人員手機(jī)短信報(bào)警功能。

“中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)電管理系統(tǒng)”是通過采集末端和室外的溫、濕度變化信號(hào)，經(jīng)過服務(wù)器AS4N分析和運(yùn)算，給出控制信號(hào)到控制器GCRE，控制器控制主機(jī)按原廠自有的邏輯調(diào)節(jié)空調(diào)負(fù)載。把空調(diào)主機(jī)和末端直接、統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)了中央空調(diào)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、即時(shí)運(yùn)行和綜合性能優(yōu)化。智能節(jié)電管理系統(tǒng)的核心就是數(shù)據(jù)庫和策略庫。如圖3所示。

圖3 智能節(jié)電管理系統(tǒng)模型框圖

4 中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)電系統(tǒng)架構(gòu)與功能說明

中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)能系統(tǒng)利用云端網(wǎng)絡(luò)建立管理平臺(tái)，控制器與管理服務(wù)器雙向傳輸。系統(tǒng)的控制器和數(shù)字電表等可支持RS485接口，接到主機(jī)加/卸載控制柜。系統(tǒng)管理人員可以通過各種網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備（包括移動(dòng)終端設(shè)備）即時(shí)掌握空調(diào)主機(jī)運(yùn)行狀況的所有信息，示意圖如4所示(注：此圖僅供參考與示意，實(shí)際架構(gòu)以設(shè)備數(shù)量為主)。

圖4 空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)介接架構(gòu)（示意圖）

（1）空調(diào)用電盤數(shù)字電表之安裝、測(cè)試及建置。（2）空調(diào)主機(jī)控制器之安裝、測(cè)試及建置。（3）空調(diào)主機(jī)出/回水溫度傳感器之安裝、測(cè)試及建置。（4）智能節(jié)電管理系統(tǒng)平臺(tái)之安裝、測(cè)試及建置。（5）智能節(jié)電管理系統(tǒng)平臺(tái)使用、管理之教育訓(xùn)練。（6）系統(tǒng)之升級(jí)、維護(hù)及保固。

5 溫州南站概況及空調(diào)改造必要性分析

溫州南站位于浙江省溫州市甌海區(qū)潘橋街道。隸屬中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司寧波車務(wù)段管轄，現(xiàn)為一等站。溫州南站是一座現(xiàn)代化的綜合交通樞紐，外形大氣美觀。總用地面積190 368m2，其中鐵路站房71 209 m2，綠地面積60280平方米，公交及輔助管理用房5 500 m2，公交站和地下車庫36 115 m2，公交用地17 264 m2。

5.1 溫州南站中央空調(diào)設(shè)備及運(yùn)行情況

溫州南站共有9臺(tái)開利螺桿式風(fēng)冷熱泵機(jī)組，服務(wù)對(duì)象為1號(hào)候車室的一樓候車區(qū)、二樓候車區(qū)、休息區(qū)、貴賓區(qū)、辦公區(qū)及站內(nèi)商鋪等。中央空調(diào)主機(jī)位于站房南側(cè)地面平臺(tái)（距站房約60m）位置。該站中央空調(diào)系統(tǒng)主要能耗設(shè)備及其主機(jī)參數(shù)見表5-1和表5-2。

5.2 目前使用情況

平峰期(5-6月）：中央空調(diào)會(huì)開4～5臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組，配合一次泵開啟3臺(tái)，二次泵開啟4臺(tái)，投入運(yùn)行的空調(diào)箱4～5臺(tái)，同時(shí)根據(jù)1號(hào)候車區(qū)溫度的高低適當(dāng)增減投入運(yùn)行的臺(tái)數(shù)。

高峰期（7月-9月）：中央空調(diào)會(huì)開6～7臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組，配合一次泵開啟4臺(tái)，二次泵開啟8臺(tái)，空調(diào)箱9臺(tái)全部投入運(yùn)轉(zhuǎn)。站內(nèi)維保人員依靠經(jīng)驗(yàn)值來保證候車區(qū)溫度控制在25℃～30℃范圍內(nèi)。為達(dá)到候車區(qū)溫度要求，維保人員工作量很大，每過段時(shí)間就要測(cè)各區(qū)域環(huán)境溫度，再對(duì)設(shè)備做適當(dāng)調(diào)整。

預(yù)估主機(jī)年用電量見表5-3所示。

表5-1 溫州南站中央空調(diào)設(shè)備情況

表5-2 空調(diào)主機(jī)參數(shù)

表5-3 溫州南站耗電量統(tǒng)計(jì)表

6 改造方案及布置圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，提出改造所需設(shè)備及平面布置圖，如表6-1及圖6-1所示。

7 結(jié)論

本文對(duì)溫州南站中央空調(diào)主機(jī)進(jìn)行智能節(jié)電系統(tǒng)改造，使用環(huán)境溫度保持與原來進(jìn)行節(jié)能改造前完全一致的情況下，改造后可以獲得收益：

直接效益：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地綜合勘查，中央空調(diào)主機(jī)的平均節(jié)電率約為15%，根據(jù)用電量估算可節(jié)約70萬元/年；系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用壽命15年，共節(jié)電費(fèi)約1 050萬元。

間接效益：(1)進(jìn)行智能節(jié)電系統(tǒng)改造后，可節(jié)省管理人員約2人左右，今后15年時(shí)間，工資、社保等以10萬/人年估算，共節(jié)省人力成本300萬元。第二，空調(diào)系統(tǒng)在智能運(yùn)行的同時(shí)，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)有詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄，節(jié)省了運(yùn)維人員的精力；系統(tǒng)依據(jù)環(huán)境需求而工作，可以減少不必要的工作強(qiáng)度，間接的減少了故障率，延長(zhǎng)空調(diào)使用壽命。與此同時(shí)每年可減少生產(chǎn)電力所發(fā)生的二氧化碳、二氧化硫的排放，降低空調(diào)制冷設(shè)備消耗臭氧層的物質(zhì)排放，為資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

表6-1 改造所需設(shè)備表

圖6-1 改造布置圖