大中型鐵路客運(yùn)站空調(diào)節(jié)能技術(shù)的研究與分析

常福躍，王偉晗 ，尹守遷 ，郭 浩，陳志春 ，曹 斌 ，王清成

（1上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 碩士研究生，上海 201418；2上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 講師，上海 201418；3中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科長，上海 200071；4上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 碩士研究生，上海 201418；5上海芯云電子科技有限公司 總經(jīng)理，上海 200240；6中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 科長，上海 200071；7上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 副教授，上海 201418）

0 引言

中央空調(diào)絕大多數(shù)情況下的使用現(xiàn)狀是：預(yù)先設(shè)置好主機(jī)的工作狀態(tài)，讓空調(diào)自主運(yùn)行[1-4]。這樣的空調(diào)運(yùn)行方式存在很多缺陷，主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容。

1）管理缺乏科學(xué)性。對于設(shè)置的狀態(tài)是否合理無法做到精細(xì)化控制，靠人為經(jīng)驗(yàn)或主觀判斷的設(shè)置也不科學(xué)。人們感覺冷或熱的時(shí)候通常只會去改變和調(diào)節(jié)末端設(shè)備（如風(fēng)機(jī)盤管）的工作狀態(tài)，來達(dá)到終端想要的溫度，而這對于主機(jī)的運(yùn)行狀況絲毫沒有影響。

2）末端反應(yīng)不及時(shí)。即使有少部分空調(diào)會根據(jù)回水溫度和設(shè)置的回水溫度做對比，從而去調(diào)節(jié)出水溫度，但周期太長，因?yàn)榇笮椭醒肟照{(diào)水循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)一圈是以小時(shí)來計(jì)的。在這一小時(shí)中可能環(huán)境所需溫度已經(jīng)發(fā)生多次變化，而主機(jī)接收到的信號都是已經(jīng)滯后的調(diào)節(jié)需求，而且水溫在運(yùn)行過程中的損耗更是無從計(jì)量。所以主機(jī)無法準(zhǔn)確工作，存在大量浪費(fèi)。

3）人為管理缺乏理論依據(jù)。即使是有專門管理人員進(jìn)行管理，即根據(jù)環(huán)境溫度需求去調(diào)節(jié)主機(jī)工作狀態(tài)，但這種調(diào)節(jié)方式主要依靠主觀判斷，缺少理論依據(jù)。

4）末端變化難以把控。外部氣溫高低晴雨，內(nèi)部人流量多寡都是動(dòng)態(tài)的，要靠人為去了解各個(gè)環(huán)節(jié)的溫度動(dòng)態(tài)變化，很難做到及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

對于以上存在的問題，提出一種智能化節(jié)電系統(tǒng)，以常州北站為例進(jìn)行試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。

1 項(xiàng)目概況

常州北站高鐵站臺為地上二層，地面為候客以及售票區(qū)，站房總建筑面積13 000 m2；長途客運(yùn)站設(shè)置在高鐵站屋西南側(cè)，規(guī)劃發(fā)車位為30個(gè)，停車位約200個(gè)；公交樞紐站場布置在高鐵站屋西側(cè)，規(guī)劃設(shè)有10條公交線路。常州北站的主要用能設(shè)備分為三個(gè)大類：照明類、電梯類、空調(diào)類。

常州北站照明類用電設(shè)施主要包括各類照明用具2 736盞。電梯類使用設(shè)備包括：扶梯6部，額定功率為12 kW；垂直電梯2部，額定功率為9.6 kW?？照{(diào)類用能設(shè)備如表1所示。

表1 常州北站空調(diào)類設(shè)備明細(xì)

根據(jù)上述情況，照明類主要是節(jié)能照明燈，由于大中型客運(yùn)站對于光照等需求，節(jié)能潛力有限；而對于電梯類用能設(shè)備，由于客流量等原因，電梯類設(shè)備節(jié)能通常通過自動(dòng)化控制進(jìn)行。空調(diào)類用能設(shè)備能耗占整個(gè)車站后期管理運(yùn)營能耗的60%～80%，同時(shí)中央空調(diào)系統(tǒng)是大中型鐵路建筑物中最耗能的系統(tǒng)，而系統(tǒng)中的空調(diào)“主機(jī)”又占整個(gè)系統(tǒng)能耗的50%～70%。因?yàn)槟芎拇?，同時(shí)結(jié)合存在的問題，主機(jī)節(jié)能具很大的潛力。

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

以用戶末端溫度需求為主機(jī)功率輸出依據(jù)[5]。用戶末端所需溫度設(shè)定后，室內(nèi)末端會因人流量增減而產(chǎn)生熱源變化[6-7]；出、回水管線長短，水管保溫是否良好，水的流速，室外天氣溫度變化等因素，均會導(dǎo)致出現(xiàn)多種變量而造成負(fù)荷不同[8-10]。智能節(jié)電管理系統(tǒng)根據(jù)各種變量的變化，通過建立多變量的控制模型，根據(jù)不同站房面積、客站人流量、熱交換情況等實(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。主機(jī)的能耗可以快速、準(zhǔn)確、合理、適度地加載減載，直接與末端需求相適應(yīng)[11-12]。通過對中央空調(diào)系統(tǒng)末端的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，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)。智能節(jié)電系統(tǒng)可以減少不同中央空調(diào)主機(jī)的反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)根據(jù)不同的溫度變化提供合適的加載減載。智能節(jié)電管理平臺系統(tǒng)見圖1。

圖1 智能節(jié)電管理系統(tǒng)平臺管理模式示意圖

2.1 初步形成數(shù)據(jù)模型

首先利用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)計(jì)算工具對內(nèi)、外部環(huán)境溫度變化值和終端溫度需求值以及空調(diào)主機(jī)運(yùn)行方式的輸出值進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，從既滿足需求又能耗最低的角度建立相匹配的數(shù)據(jù)模型（該工作通過每一個(gè)項(xiàng)目在不停地進(jìn)行，對于老的模型在修正，對于新的模型在建立，目前已達(dá)數(shù)百種，該系統(tǒng)有自學(xué)習(xí)的能力），從而形成數(shù)據(jù)模型庫。其中數(shù)據(jù)庫模型來源見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)庫模型來源

2.2 模型計(jì)算和選擇

由于智能節(jié)電系統(tǒng)本身是對空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)的，后由建立的模型選擇能耗最優(yōu)的情況確定模型，冷水機(jī)組的能耗數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Pchiller為多臺冷水機(jī)組的總能耗，kW；Qnom,i為第i臺機(jī)組的制冷量容量，kW；COPnom,i為第i臺機(jī)組在某一負(fù)荷率下的效率；PLRadj,i為第i臺機(jī)組的負(fù)荷率；Tempadj,i為第 i臺機(jī)組溫度調(diào)節(jié)系數(shù)；Qchiller，i為第i臺機(jī)組在某一負(fù)荷下的實(shí)際制冷量，kW；Qk，l為建筑物某一回路的實(shí)際冷負(fù)荷；TCHWS為冷水機(jī)組冷凍水供水溫度，℃；TCWS為冷水機(jī)組冷卻水供水溫度，℃。

通過上述模型的建立，得到冷水機(jī)組的能耗消費(fèi)情況，根據(jù)能耗消費(fèi)情況選定合理的智能節(jié)電系統(tǒng)的模型。

2.3 收集外部信息，實(shí)現(xiàn)節(jié)能

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，確保空調(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)能的目的。具體操作情況見圖3。

圖3 智能節(jié)電管理系統(tǒng)流程圖

3 常州北站智能節(jié)能管理方案

常州北站按照原來的供能布置方式，合理布置測點(diǎn)。本次測點(diǎn)的布置主要分布在站廳的內(nèi)部，原則是能夠切實(shí)反映常州北站的溫度、濕度、站內(nèi)人流量變化，保證溫度的不失真。通過合理結(jié)合主機(jī)的型號和功率等影響因素，匹配測試數(shù)據(jù)庫的合理數(shù)據(jù)模型，結(jié)合常州北站現(xiàn)狀形成常州北站特定的數(shù)據(jù)模型。安裝智能節(jié)能管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，通過1～2天的數(shù)據(jù)比對，選定合理的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行節(jié)能分析。

3.1 機(jī)組配置和設(shè)備安裝

車站采用頓漢布什水地源熱泵機(jī)組，機(jī)組型號：wcfxhp42rdn，1臺，其制冷輸入功率160 kW，制冷量866 kW，制熱輸入功率196 kW，三相四線制，機(jī)組上級配電柜內(nèi)裝有500：5的CT及老式電表，主機(jī)為出水控制，出水溫度傳感器為PT100。

另有約克冷水機(jī)組1臺，型號yrtdtbt155oc，額定制冷量840 kW（功率153 kW），滿載電流273 A，三相四線制，配電柜有500：5的CT及老式電表，主機(jī)出水控制，出水溫度傳感器為NTC型，無電路圖。另外幾臺小模塊機(jī)因功率太小不做節(jié)能考慮。

頓漢布什水地源熱泵機(jī)組24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，夏季出水設(shè)定8℃，冬季出水設(shè)定45℃；約克冷水機(jī)組只制冷，冬季不使用，常在夏季作為頓漢布什水地源熱泵機(jī)組的備用機(jī)組。兩臺機(jī)組每年春秋季會停機(jī)保養(yǎng)，停機(jī)時(shí)間四個(gè)月左右(3月、4月、10月和11月）。

3.2 施工安裝

在站臺內(nèi)部合理地排布測點(diǎn)，通常放在溫度不失真的區(qū)域，即遠(yuǎn)離出風(fēng)口和回風(fēng)口，保證布點(diǎn)測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過布點(diǎn)進(jìn)行布線將數(shù)據(jù)收集到智能節(jié)能系統(tǒng)CQi內(nèi)，智能節(jié)能系統(tǒng)安裝在與配電柜在同一房間的合理位置，方便控制與主機(jī)的連接和操作，也便于后期的節(jié)能檢測。具體施工情況如圖4所示。

圖4 施工示意圖

3.3 測試數(shù)據(jù)分析

通過2018年8月和9月的運(yùn)行，選擇工作條件相似的兩天進(jìn)行數(shù)據(jù)對比測試，具體的測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 2018年8月至9月常州北站節(jié)能測試數(shù)據(jù)

通過表2的測試數(shù)據(jù)，將對應(yīng)的相鄰兩天組合成一個(gè)完整的改造前后的對比數(shù)據(jù)，對于改造前后的能耗情況進(jìn)行分析，見圖5。

圖5 2018年8月—9月智能節(jié)能系統(tǒng)對比分析圖

由圖5可以得出，剛開始調(diào)試階段，改造前后用電量隨著時(shí)間來回波動(dòng)，這是由于在選擇合適的數(shù)據(jù)模型造成的。在通過測試后，改造后的用電量低于改造前的用電量，隨后確定了一個(gè)合理的模型。模型確定后，改造前的用電量明顯比改造后的用電量要高。在這些測試點(diǎn)中再合理匹配合適的數(shù)據(jù)模型，并于9月11日至9月13日和9月15日至9月17日進(jìn)行對比測試。

根據(jù)對比測試的原則和常州北站的主機(jī)開啟原則，將測試方案分為四個(gè)工況：開啟1#約克主機(jī)，智能控制模式；開啟1#約克主機(jī)，手動(dòng)控制模式；開啟1#約克主機(jī)+2#頓漢布什主機(jī)，智能控制模式；開啟1#約克主機(jī)+2#頓漢布什主機(jī)，手動(dòng)控制模式。手動(dòng)控制模式為改造前的控制方式，智能控制模式為改造后的控制方式。在進(jìn)行改造前后測試時(shí)，應(yīng)在室內(nèi)外溫濕度大致相同，且車站人員情況大致相同的相鄰兩天進(jìn)行。具體測試情況見表3。

表3 各個(gè)工況設(shè)備開啟一覽表

通過合理時(shí)間區(qū)間的測試數(shù)據(jù)得出相關(guān)設(shè)備的耗電量，在對比情況下收集不同工況下設(shè)備的耗電情況，分析智能節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)電率，結(jié)果如表4所示。

表4 節(jié)能情況計(jì)算表

4 結(jié)論

大中型鐵路客站有建筑面積大、能耗高等特點(diǎn)，是節(jié)能的重點(diǎn)；中央空調(diào)能耗占客站總能耗的60%～80%，是節(jié)能的關(guān)鍵點(diǎn)。

本文以常州北站為例，通過對常州北站中央空調(diào)系統(tǒng)的主機(jī) （1#約克冷水主機(jī)+2#頓漢布什主機(jī)）采取安全智能節(jié)能系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)的溫度變化及時(shí)高效地反饋給空調(diào)主機(jī)，給主機(jī)匹配合適的加減載幅度，使得常州北站中央空調(diào)系統(tǒng)1#約克冷水機(jī)得到約17.3%的節(jié)電率，1#約克冷水機(jī)+2#頓漢布什機(jī)獲得約16.5%的節(jié)電率。

將這種技術(shù)在大中型客站進(jìn)行推廣應(yīng)用，可降低我國鐵路大中型樞紐客站的中央空調(diào)系統(tǒng)能耗，進(jìn)而減少大中型客站的建筑能耗，提高我國建筑能耗水平，并提高能源安全性能。