能效管控一體化系統(tǒng)在大型鐵路站房中的設計與應用

馮 濤， 李 蔚， 白建光

(中信建筑設計研究總院有限公司，武漢 430014)

0 引言

在我國，國家實施節(jié)約與開發(fā)并舉，且節(jié)約是能源發(fā)展戰(zhàn)略的首位。JGJ 243-2011《交通建筑電氣設計規(guī)范》第17.4.6條要求“單體建筑面積20000m2及以上的交通建筑應采用能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，實現(xiàn)分項能耗數(shù)據的實時采集、計量、準確傳輸、科學處理及有效存儲”；TB 10008-2015《鐵路電力設計規(guī)范》第12.1.4.7要求“大型、特大型旅客站房等建筑物的機電設備監(jiān)控系統(tǒng)應具備能源管理功能”；GB 50189-2015《公共建筑節(jié)能設計標準》第6.4.1條要求“公共建筑宜設置用電能耗監(jiān)測與計量系統(tǒng)并進行能效分析和管理”。

不難看出，公共交通建筑對節(jié)能降耗的要求尤為重視?，F(xiàn)代化大型高鐵站房具有站房面積大、功能集成度高、人員流量大，空調、照明、動力、電梯等設備對電能、水、天然氣等能源的消耗量大等特點。因此在大型鐵路站房實施能效管理系統(tǒng)，對節(jié)能增效、提高經濟效益都具有重要意義。

目前國內能源設施的單項節(jié)能技術在大型鐵路站房的節(jié)能中得到了較為普遍的應用，但由于自成系統(tǒng)節(jié)能空間有限，站房缺乏綜合管理用能設施設備的統(tǒng)一調度平臺，無法挖掘節(jié)能潛力和降低無效能耗，未能從根本上解決系統(tǒng)整體能耗損失。根據鐵路大型客站能源消耗現(xiàn)狀的專項調查統(tǒng)計，大型客站的能耗約為160kWh/(a·m2)，部分客站甚至超過250 kWh/(a·m2)。

因此，建立基于“監(jiān)測-分析-管控”閉環(huán)能源管理理念的能效綜合管理平臺，是提升大型鐵路站房能效的關鍵。本文即以某特大型鐵路站房為例，論述能效管控一體化系統(tǒng)的關鍵技術要點，包括其特點、功能、架構、組成等，并測試該系統(tǒng)的節(jié)能效果。

1 能效管控一體化系統(tǒng)的關鍵技術要點

南寧東站總建筑面積26.7萬m2，其中站房建筑面積12萬m2，為特大型鐵路客運樞紐站。站房設置能效管控系統(tǒng)對站房內各機電設備系統(tǒng)用能進行綜合管控。

1.1 系統(tǒng)特點及功能

本能效管控系統(tǒng)通過深度集成技術，將變配電系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、中央空調機電設備與設施能效管控系統(tǒng)深度集成機電設備及能效管控系統(tǒng)，并進行統(tǒng)一設計，采用相同的應用軟件，以實現(xiàn)被集成子系統(tǒng)的全部功能，完全滿足日常運行管理要求。

機電設備與設施能效管控系統(tǒng)具備模式控制、群控以及手動控制等功能，可實現(xiàn)：數(shù)據采集自動化；能耗可視化水平和可追溯能力的提高；能耗信息指標化；綜合能效分析。

1.2 系統(tǒng)架構

在系統(tǒng)架構設計上，本站房機電能效管控系統(tǒng)遵循分散采集、集中分析管控、網頁監(jiān)視、資源與信息共享的原則，采用分層分布式的體系架構。主要分為系統(tǒng)主站層、網絡通訊層、現(xiàn)場測控層。

(1)主站系統(tǒng)

以運行服務器和數(shù)據庫服務器為核心，采用分層分布式系統(tǒng)體系架構，對客站設施內的用能設備進行分項數(shù)據采集、信息在線分析和自動能效管控。

為了保障通訊的快速與可靠，系統(tǒng)在站房各個區(qū)域分散布置了多個數(shù)據通訊子站，匯集站房內所有負載回路或設備的能耗與能效監(jiān)控智能單元，構建星形結構的光纖主干網絡，用于連接主站系統(tǒng)與各數(shù)據通訊子站，實現(xiàn)客站能效管控一體化系統(tǒng)的硬件網絡體系。

系統(tǒng)主要配置包括：中央管理主站、光纖主干以太網絡、就地功能操作分站、系統(tǒng)通訊子站和就地控制箱、智能驅動裝置單元、智能儀表數(shù)據采集等部分。其中，中央管理主站由服務器、工作站和主站通訊成套裝置構成，集中放置于消防控制室內。

主站是系統(tǒng)的監(jiān)視與控制中心，用于集中處理和存儲現(xiàn)場各監(jiān)測和控制設備上傳的數(shù)據，同時下達自動控制命令。

(2)通訊網絡

采用光纖以太網絡(單模多芯光纜組成)作為整個系統(tǒng)的主干數(shù)據傳輸通道，實現(xiàn)中央管理主站和分區(qū)通訊子站之間的數(shù)據互聯(lián)，所有能耗數(shù)據和環(huán)境參數(shù)由此傳輸。

主干網絡通過專用的弱電線槽和鍍鋅穿線管敷設，路徑由中央管控主站到各個子系統(tǒng)主站，子系統(tǒng)主站到區(qū)域通訊設備，采用星形網絡拓撲結構。

(3)現(xiàn)場通訊

設備采用帶光口、網口的上行端口和帶8個RS485的下行端口的通訊子站，可對下行總線擴展到16端口，按照“就近集中”原則，在出站層、出站夾層、站臺層、站臺夾層、高架層、高架夾層等不同區(qū)域分別配置。

為充分實現(xiàn)對站內所有主要負載設備運行能耗和能效參數(shù)監(jiān)測，對主要能耗設備的負載回路裝設就地監(jiān)測單元，并使用RS485現(xiàn)場總線連接網絡，物理層介質主要采用低煙無鹵阻燃的屏蔽雙絞線，無線傳輸作為補充，以便實現(xiàn)靈活的布線。

1.3 系統(tǒng)組成

本客運站房機電設備能效管控系統(tǒng)通過深度集成技術，將變配電子系統(tǒng)、中央空調子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)深度集成機電設備能效管控系統(tǒng)，并進行統(tǒng)一設計。機電設備能效管控系統(tǒng)由以下5個部分共同組成。

(1)中央管控主站系統(tǒng)

中央管控主站系統(tǒng)是車站機電設備能效管控系統(tǒng)的數(shù)據中心和能效管理中心，設置在站臺層北區(qū)建筑設備監(jiān)控中心，對站房內的設備進行集中監(jiān)控，對能耗進行集中管理，采用模塊化設計，易于擴展，并預留與其他管理系統(tǒng)的連接條件。

(2)變配電子系統(tǒng)

圖1 變配電子系統(tǒng)拓撲圖

本子系統(tǒng)采用智能配電系統(tǒng)，利用現(xiàn)代測控技術和通訊技術，對車站變電所低壓配電系統(tǒng)低壓側回路能耗和狀態(tài)進行采集分析，對部分開關進行遠程分合閘控制，并預留接口給遠動控制系統(tǒng)和鐵路綜合調度系統(tǒng)。本子系統(tǒng)能自動記錄和分析電能耗使用趨勢，對總量進行數(shù)據和成本分析，自動優(yōu)化電能使用模型，提出合理化建議。如圖1所示，為變配電子系統(tǒng)拓撲圖。

(3)中央空調子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)采用中央空調能效智能管控系統(tǒng)，實現(xiàn)對站房冷凍機房內管路工藝參數(shù)、設備的運行、故障狀態(tài)、全電量參數(shù)進行監(jiān)測，并根據計算出的末端負荷調整設備的運行臺數(shù)和運行頻率，來滿足站房末端舒適度的要求。如圖2所示，為中央空調子系統(tǒng)拓撲圖。

圖2 中央空調子系統(tǒng)拓撲圖

(4)照明子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)采用智能照明管控系統(tǒng)，對站房的站臺、站臺雨棚、出站廳、南北換乘廳、東西聯(lián)系通廊、大空間候車廳、建筑物景觀照明等場所的照明配電回路配置開關模塊、智能監(jiān)測裝置，區(qū)域配置場景面板來實現(xiàn)按照客戶需求驅動開關模塊控制回路通斷，進而調節(jié)站房內的照度，達到鐵路站房照度要求。如圖3所示，為智能照明子系統(tǒng)拓撲圖。

圖3 智能照明子系統(tǒng)拓撲圖

(5)動力子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)主要是對車站高架夾層、高架層、站臺層、出站層、站臺夾層、南北換乘廳的動力設備、環(huán)境參數(shù)進行集中監(jiān)測、智能管理與控制。通過對高鐵站房的環(huán)境參數(shù)進行測量，對動力設備用能明細、用能過程進行監(jiān)測和分析，在滿足機電設備控制功能的前提下加入能效調節(jié)的閉環(huán)調節(jié)，不僅提升了設備的能效水平，在管理手段上也實現(xiàn)了節(jié)能運行，進而保障及時預警、告警，減少或避免動力設備使用故障。如圖4所示，為動力子系統(tǒng)拓撲圖。

圖4 動力子系統(tǒng)拓撲圖

2 照明及空調子系統(tǒng)節(jié)能效果分析

根據用能對比分析，空調年用電量占整個站房用電量的39.22%，照明用電占20.78%?？照{用電分為制冷站用電、末端空調用電、室外機等3大用電部分，其中制冷站與末端空調具有節(jié)能控制裝置約占總空調用電量的87.99%。照明用電分為公共區(qū)照明、景觀照明、應急照明、廣告照明4大部分，其中公共區(qū)照明與景觀照明具有節(jié)能控制裝置，約占總照明用電量的82.71%。因此在項目中，以智能照明子系統(tǒng)、中央空調子系統(tǒng)為例分析節(jié)能效果。

2.1 智能照明系統(tǒng)節(jié)能分析

對站房的站臺、站臺雨棚、出站廳、南北換乘廳、東西聯(lián)系通廊、高架層候車廳、建筑物景觀照明等場所的照明進行智能管控。為了測試站房智能照明系統(tǒng)的節(jié)能效果，選取高架層區(qū)域的照明設備作為節(jié)能測試的對象，并根據照明系統(tǒng)不斷完善過程，在每一個階段隨機挑選某一天進行24h照明能耗記錄。

(1)節(jié)能方案比選

測試基準日：此時照明系統(tǒng)后臺控制關閉，采用人工控制高架層的照明。

節(jié)能模式一：后臺定時開啟照明，實現(xiàn)后臺定時群控。

節(jié)能模式二：分區(qū)分項開啟照明，實現(xiàn)分區(qū)分項，實現(xiàn)景觀照明按需開關。

節(jié)能模式三：按需開啟照明，加入了高架層1/2開，1/4開控制方式，按需操作。

(2)照明系統(tǒng)節(jié)能測試總結與分析

根據測試記錄表，對比節(jié)能測試基準日，則不同照明模式下效果如表1所示。

綜上所述，本站房在運用智能照明系統(tǒng)后，照明節(jié)能效果明顯，為站房節(jié)約了大量照明用電。綜合比較各種節(jié)電方案，每年可以產生的經濟效益如表2所示。

在實際應用過程中，考慮到實際情況的復雜多變性，不可能僅僅固定采用某一種節(jié)電方案，故實際產生的經濟效益會小于單一節(jié)電方案下計算產生的效益。

照明系統(tǒng)節(jié)能測試分析表 表1

智能照明測試點節(jié)電方案經濟效益分析表 表2

2.2 空調能耗數(shù)據分析

本站房中央空調系統(tǒng)主要包括水系統(tǒng)和風系統(tǒng)2個部分。水系統(tǒng)的主要設備包括：冷水機組、冷凍泵、冷卻泵與冷卻塔；風系統(tǒng)主要包括混合式空調機組與新風機組。

中央空調能效管控系統(tǒng)是中央空調設備的驅動與控制系統(tǒng)，通過合理的調節(jié)中央空調設備運行參數(shù)，既可以改善用戶舒適度，又可以提高系統(tǒng)能效，降低設備能耗。為了驗證評估中央空調管控系統(tǒng)的節(jié)能效果，分3種模式對站房中央空調設備節(jié)能效果做了測試。

(1)僅對空調風系統(tǒng)控制節(jié)能測試

空調風系統(tǒng)在2個時段分為2種模式進行測試。

節(jié)能模式測試：通過末端對空調冷量的需求計算，得出最節(jié)能的運行參數(shù)，并協(xié)同調整風機運行頻率和冷凍水表冷閥的開度大小來滿足末端對于空調冷量的需求。

常規(guī)模式測試：空調機組風機以固定的頻率運行，僅通過調節(jié)冷凍水表冷閥的開度大小來滿足末端對于空調冷量的需求。

根據測試記錄結果，對數(shù)據進行匯總分析，結果如表3所示。

空調風系統(tǒng)節(jié)能測試結果分析 表3

(2)僅對空調水系統(tǒng)進行控制節(jié)能測試

本站房分為南北兩套中央空調水系統(tǒng)。空調水系統(tǒng)在2個時段分為2種模式進行測試。

節(jié)能模式測試：通過冷凍水出回水的溫度計算出末端對于空調冷量的需求，得出最節(jié)能的運行參數(shù)，并協(xié)同調整冷凍泵、冷卻泵的運行頻率和冷凍泵、冷卻泵開啟的數(shù)量來滿足末端對于空調冷量的需求。

常規(guī)模式測試：開啟固定數(shù)量的冷凍泵、冷卻泵，并以固定的頻率運行，當末端冷量發(fā)生變化的時候，通過增加或者減少冷凍泵、冷卻泵的數(shù)量達到滿足末端對于冷量的需求。

根據測試記錄結果，對數(shù)據進行匯總分析，結果如表4所示。

(3)對中央空調系統(tǒng)進行風水聯(lián)調控制節(jié)能測試

中央空調系統(tǒng)風水聯(lián)調節(jié)能運行模式下，在保證冷量輸出的情況下，系統(tǒng)自行協(xié)調風系統(tǒng)空調機組、制冷主機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風機等設備的最佳運行狀態(tài)；當末端冷量發(fā)生變化時，系統(tǒng)根據冷量需求的變化特性，綜合考慮傳熱特性、慣性時間，預測冷量需求，多階段、分批次、選擇性協(xié)同調整調空調機組、制冷主機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風機等設備的運行策略；通過多區(qū)域的末端回風溫/濕度、送風溫/濕度等特性，提前預測冷量需求，并進行系統(tǒng)的預先調整。測試結果如表5所示。

(4)節(jié)能數(shù)據分析

1)本空調節(jié)能測試分為3種情況，其中風系統(tǒng)單獨測試時節(jié)電率為47.85%，水系統(tǒng)單獨測試時節(jié)電率14.99%，風水聯(lián)調時風系統(tǒng)節(jié)電率為39.8%，水系統(tǒng)節(jié)電率為18.2%，總節(jié)電率為24.2%。

空調水系統(tǒng)節(jié)能測試結果分析 表4

空調風水聯(lián)調節(jié)能測試結果分析 表5

2)風水聯(lián)調相對于風系統(tǒng)單獨測試時，由于站房投入使用的風柜數(shù)量較少，風柜實際承載的負荷大，導致節(jié)電率稍有下降，由此可以推測，如果風水聯(lián)調時開啟的風柜數(shù)量和風系統(tǒng)單獨測試時數(shù)量相等，則風系統(tǒng)的節(jié)能率還會上升。

3)風水聯(lián)調時，水系統(tǒng)節(jié)電率比單獨測試時有所上升，說明本站房中央空調系統(tǒng)風水聯(lián)調比風、水系統(tǒng)單獨管控節(jié)能效果更好。

2.3 整體能耗分析

根據測試數(shù)據顯示，中央空調系統(tǒng)綜合年節(jié)能率約24.20%，站房總節(jié)能率中空調節(jié)能率為39.22%×87.99%×24.20%=8.35%。智能照明系統(tǒng)綜合年節(jié)能率約49.20%，站房總節(jié)能率中照明節(jié)能率為20.78%×82.71%×49.20%=8.46%。則可推算出，站房年節(jié)能率為8.35%+8.46%=16.81%。

按目前站房一年消耗的電能為2 223萬(kW·h)(2015年數(shù)據)，電價0.9元/(kW·h)計算，對站房采取能效管控后，相對于粗放式用能每年節(jié)約的金額為：2 223÷(1-16.81%)×16.81%×0.9=404萬元。

2.4 能耗比較

將本站與南京南站、上海虹橋站這兩個規(guī)模相近站房能耗分析對比可以得知，本站房在機電能效管控系統(tǒng)的應用下，其單位面積能耗相對于其他兩站房，其單位面積能耗最低，是南京南站的65.23%，是上海虹橋站的63.72%，如表6所示。

2015年各大型站房能耗對比 表6

3 變配電及動力子系統(tǒng)節(jié)能降耗措施

3.1 變配電子系統(tǒng)

對10kV高壓柜所有回路、0.4kV低壓柜、電容補償、饋出線回路設置智能監(jiān)測裝置，系統(tǒng)通過監(jiān)測裝置采集電流、電壓、功率、頻率等能耗參數(shù)；并對采集的參數(shù)進行有效性驗證、分類能耗數(shù)據計算、建筑總能耗計算等，以此建立有效的電能管控平臺。

3.2 動力子系統(tǒng)

對動力配電系統(tǒng)主進線回路、不小于5kW的饋線回路設有能耗和電能質量監(jiān)測裝置；對每個末端電控箱設有能耗、狀態(tài)監(jiān)測與管理控制裝置。

系統(tǒng)采集風機、水泵、電扶梯等設備能耗參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)，以及溫/濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，并對采集的能耗參數(shù)進行有效驗證，分類能耗數(shù)據計算、單位面積動力能耗計算等，并存儲更新數(shù)據庫，判斷能耗狀態(tài)，進行報警提示，進而對站房單位面積能耗、空調單位面積能耗、折標煤、CO2排放量等多種能耗指標進行分析對比，提出能效管控優(yōu)化方案。

4 結束語