中央空調節(jié)能技術改造在大中型客運站的應用分析

郭 浩 王偉晗 尹守遷 常福躍 陳志春 曹 斌 王清成

1.上海應用技術大學;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，我國鐵路建設處于高速發(fā)展時期，新站處于建設過程的同時既有客站也在改造過程中。根據(jù)交通運輸部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2016年中國鐵路總里程達到12.4萬公里，預計2020年達到20萬公里。據(jù)統(tǒng)計，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度在公共建筑中位列第二，僅次于商業(yè)建筑。鐵路客運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、人員流動性大、照明系統(tǒng)復雜等特點。上述特點都會在一定程度上增加候車室內的空調供暖負荷,由此進一步增加了對電能、天然氣、水等能源的消耗。因此，研究客運站中央空調系統(tǒng)的節(jié)能技術對鐵路系統(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。本文通過中央空調系統(tǒng)運行的現(xiàn)狀及部分客運站實地調研，選取溫州南站分析中央空調智能節(jié)電系統(tǒng)在客運站中的應用及節(jié)能效益的分析。

1 系統(tǒng)運行機制

中央空調控制系統(tǒng)在夏季由于外界氣溫較高,需要進行制冷,因此使用夏季制冷回路對管道回水通過蒸發(fā)器冷卻塔等設備進行降溫。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水溫進行加熱以提高室內溫度。通常的中央空調系統(tǒng)使用水作為傳遞溫度的媒介,以空調水泵提供動力,通過提高水壓來調節(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房屋或者負載。經過房屋或者負載已使用過的管道水再次通過集水器進行統(tǒng)一回收至主送水管道,最終流經冷卻或者加熱端,完成一次水循環(huán)。

2 中央空調系統(tǒng)運行現(xiàn)狀分析

對于中央空調而言，目前普遍情況下的使用是預先設置好主機的工作狀態(tài)后讓其自主運行。首先，對于預先設置的狀態(tài)是否合理僅靠人為經驗或主觀判斷。在運行過程中，若用戶感覺冷或熱的時候通常去調節(jié)末端設備（如風機盤管）的工作狀態(tài)，來達到理想效果，而此操作對于主機的運行狀況絲毫沒有影響；如：空調主機在設置好的狀態(tài)下運行，用戶覺得溫度較低就把風量關小或溫度調高，而這只是改變了末端的熱量交換的設置，并不能讓主機輸出功率降低，主機仍然在正常制冷輸出，這就造成了能量的浪費。

其次，即使有部分空調會根據(jù)回水溫度與設置的回水溫度做比對，從而去調節(jié)出水溫度，但大型中央空調水系統(tǒng)循環(huán)的周期是比較長的。周期較常可能環(huán)境所需溫度已經發(fā)生了多次改變，主機接收到的是滯后調節(jié)需求信息，而且水溫在運行過程中的損耗更是無從計量的，因此主機無法高效工作，存在大量浪費。即使有管理人員進行管理，根據(jù)環(huán)境溫度需求的改變去調節(jié)主機工作狀態(tài)，但也多憑主觀判斷去調節(jié)。另外，外部環(huán)境是動態(tài)的，要靠主觀了解各個環(huán)節(jié)的溫度動態(tài)變化，難以做到及時性和準確性，而主觀的調節(jié)更缺乏合理性。因此，中央空調主機能耗節(jié)能存在較大的節(jié)能潛力。

3 中央空調主機智能節(jié)能系統(tǒng)介紹

基于中央空調主機是主要的耗電設備，由于人為管理的不及時可能造成電能的浪費。中央空調主機智能節(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)。中央空調主機智能節(jié)電系統(tǒng)的基本原理是把空調主機以往的工作方式，改變成根據(jù)使用環(huán)境的需要來進行合理匹配調節(jié)工作的方式，讓所有供給都反映為實際需求，從而不浪費供給，達到節(jié)能的目的。

3.1 中央空調主機智能節(jié)電系統(tǒng)原理

以用戶末端溫度需求為主機功率輸出依據(jù)。用戶末端所需溫度設定后，室內末端會因人流量增減而產生熱源變化、出/回水管線長短、水管保溫是否良好、水的流速和室外天氣溫度變化等因素，均會導致出現(xiàn)多種變量而造成負荷的不同。智能節(jié)電管理系統(tǒng)根據(jù)各種變量的變化，實時動態(tài)調節(jié)主機負載，以滿足末端負荷的需求。使主機的能耗可以快速、準確、合理、適度加減載，直接與末端需求相適應。通過對中央空調系統(tǒng)末端的動態(tài)監(jiān)測，并參考室外溫濕度，室內環(huán)境溫度需求，實現(xiàn)空調主機負載率跟隨末端負荷需求而同步變化。從單純生產變成以需定產實現(xiàn)節(jié)能目的。智能節(jié)電管理系統(tǒng)平臺管理模式如圖1所示。

圖1 智能節(jié)電管理系統(tǒng)平臺管理模式示意圖

3.2 中央空調主機智能節(jié)電系統(tǒng)的實現(xiàn)方式

運用先進的大數(shù)據(jù)計算工具對內、外部環(huán)境溫度變化值、終端溫度需求值和空調主機運行方式的輸出值進行科學計算，在滿足需求的同時從能耗最低的角度建立相匹配的數(shù)據(jù)模型。（該系統(tǒng)有自學習的能力，通過每一個項目在不停地進行，在新的模型建立過程中，對于已存在的模型進行修正，目前已達數(shù)百種模型。）形成數(shù)據(jù)模型庫。實際應用時，通過各個傳感器采集所需的一切環(huán)境溫、濕度變化情況，結合設定的溫度需求，從數(shù)據(jù)模型庫里快速匹配出最佳運行方案，直接將最合理的運行參數(shù)給主機，主機按此調節(jié)負載，確?？照{主機始終處于最優(yōu)化、最合理、最節(jié)能的運行狀態(tài)，始終以最小的能耗滿足使用需求。從而達到節(jié)能目的。

3.3 中央空調主機智能節(jié)電系統(tǒng)（專家系統(tǒng)）

智能節(jié)電管理系統(tǒng)是一套可遠端也可近端操控的“專家系統(tǒng)”，有別于市場上多數(shù)以設備為中心的解決方案，此平臺是以用戶為中心，隨時調控空調主機的運轉，讓空調主機運轉保持在最有效率且節(jié)能的狀態(tài)，該系統(tǒng)的精細化管理結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的精細化管理結構

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

中央空調主機智能節(jié)電系統(tǒng)利用云技術建立云平臺集中統(tǒng)一管理。管理平臺設定密碼供被授權人員登入。系統(tǒng)的控制器和數(shù)字電表等可支持RS485接口，統(tǒng)一于網路環(huán)境下進行管理。系統(tǒng)管理人員可以通過各種網絡終端設備（包括移動終端設備）即時掌握空調主機運行狀況的所有信息。

各設備管控設定皆經由服務器下載至各設備控制器，當服務器離線時，已設定的設備皆可自行運作，不受系統(tǒng)離線影響。若當服務器與控制器連線后，服務器可立即將待派送之指令自動傳送，不需再由管理者再次手動執(zhí)行。各設備和環(huán)境狀態(tài)等相關信息，均透過網絡上傳至系統(tǒng)平臺。當空調主機工作狀態(tài)設定超出合理范圍時，提供管理人員手機短信報警功能。

“中央空調主機智能節(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，經過服務器AS4N分析和運算，給出控制信號到控制器GCRE，控制器控制主機按原廠自有的邏輯調節(jié)空調負載。把空調主機和末端直接、統(tǒng)一管理，實現(xiàn)了中央空調系統(tǒng)的協(xié)調、即時運行和綜合性能優(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 中央空調主機智能節(jié)電系統(tǒng)架構與功能說明

中央空調主機智能節(jié)能系統(tǒng)利用云端網絡建立管理平臺，控制器與管理服務器雙向傳輸。系統(tǒng)的控制器和數(shù)字電表等可支持RS485接口，接到主機加/卸載控制柜。系統(tǒng)管理人員可以通過各種網絡終端設備（包括移動終端設備）即時掌握空調主機運行狀況的所有信息，示意圖如4所示(注：此圖僅供參考與示意，實際架構以設備數(shù)量為主)。

圖4 空調主機系統(tǒng)介接架構（示意圖）

（1）空調用電盤數(shù)字電表之安裝、測試及建置。（2）空調主機控制器之安裝、測試及建置。（3）空調主機出/回水溫度傳感器之安裝、測試及建置。（4）智能節(jié)電管理系統(tǒng)平臺之安裝、測試及建置。（5）智能節(jié)電管理系統(tǒng)平臺使用、管理之教育訓練。（6）系統(tǒng)之升級、維護及保固。

5 溫州南站概況及空調改造必要性分析

溫州南站位于浙江省溫州市甌海區(qū)潘橋街道。隸屬中國鐵路上海局集團有限公司寧波車務段管轄，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 溫州南站中央空調設備及運行情況

溫州南站共有9臺開利螺桿式風冷熱泵機組，服務對象為1號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)及站內商鋪等。中央空調主機位于站房南側地面平臺（距站房約60m）位置。該站中央空調系統(tǒng)主要能耗設備及其主機參數(shù)見表5-1和表5-2。

5.2 目前使用情況

平峰期(5-6月）：中央空調會開4～5臺風冷熱泵機組，配合一次泵開啟3臺，二次泵開啟4臺，投入運行的空調箱4～5臺，同時根據(jù)1號候車區(qū)溫度的高低適當增減投入運行的臺數(shù)。

高峰期（7月-9月）：中央空調會開6～7臺風冷熱泵機組，配合一次泵開啟4臺，二次泵開啟8臺，空調箱9臺全部投入運轉。站內維保人員依靠經驗值來保證候車區(qū)溫度控制在25℃～30℃范圍內。為達到候車區(qū)溫度要求，維保人員工作量很大，每過段時間就要測各區(qū)域環(huán)境溫度，再對設備做適當調整。

預估主機年用電量見表5-3所示。

表5-1 溫州南站中央空調設備情況

表5-2 空調主機參數(shù)

表5-3 溫州南站耗電量統(tǒng)計表

6 改造方案及布置圖

根據(jù)現(xiàn)場調研，提出改造所需設備及平面布置圖，如表6-1及圖6-1所示。

7 結論

本文對溫州南站中央空調主機進行智能節(jié)電系統(tǒng)改造，使用環(huán)境溫度保持與原來進行節(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：經現(xiàn)場實地綜合勘查，中央空調主機的平均節(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)設計使用壽命15年，共節(jié)電費約1 050萬元。

間接效益：(1)進行智能節(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，空調系統(tǒng)在智能運行的同時，對運行狀態(tài)有詳細的數(shù)據(jù)記錄，節(jié)省了運維人員的精力；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度，間接的減少了故障率，延長空調使用壽命。與此同時每年可減少生產電力所發(fā)生的二氧化碳、二氧化硫的排放，降低空調制冷設備消耗臭氧層的物質排放，為資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會做出貢獻。

表6-1 改造所需設備表

圖6-1 改造布置圖