吳建云

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 概述

為應對全球氣候變化問題，我國提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的承諾。為實現(xiàn)這一莊嚴承諾，各行各業(yè)都在努力開展節(jié)能降碳行動。作為高速鐵路發(fā)展的重要組成部分，鐵路站房也在大規(guī)模興建[1]，高鐵站房建筑也在為實現(xiàn)這一目標而努力。站房建筑中，空調(diào)系統(tǒng)為用能大戶，僅對空調(diào)通風、照明和扶梯等常規(guī)機電設備進行監(jiān)控的BAS系統(tǒng)，已經(jīng)不能滿足智能運營管理節(jié)能減排的要求[2]。鐵路客站是鐵路服務旅客和社會的場所，是展示鐵路形象的窗口，是城市的門戶[3]。為實現(xiàn)站房節(jié)能降碳，全面落實國鐵集團提出的“暢通融合、綠色溫馨、經(jīng)濟藝術、智能便捷”現(xiàn)代化客站建設要求。本文結(jié)合長沙西站項目，圍繞車站空調(diào)系統(tǒng)強弱電一體化節(jié)能控制方式開展相關研究。

2 項目概況

長沙西站是新建常德經(jīng)益陽至長沙鐵路的重要樞紐車站，車站位于湖南省長沙市望城區(qū)。長沙西站站房及樞紐工程建筑面積為397 133 m2，市政代建部分工程建筑面積為89 327 m2。站房設計范圍及建筑形態(tài)如圖1所示。

圖1 長沙西站鳥瞰圖

本工程共設置8座變配電所，其中兩座變電所為空調(diào)專用。長沙西站總用電負荷統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 長沙西站負荷統(tǒng)計kW

本工程用電負荷主要分為:空調(diào)用電負荷、信息通信用電負荷、商業(yè)用電負荷、廣告用電負荷、電扶梯用電負荷、照明用電負荷及充電樁等其他用電負荷。各負荷所占比例見圖2。

圖2 長沙西站用電負荷分布

由圖2可知，空調(diào)負荷占總用電負荷的29%，在各類用電負荷中占比最高，這僅僅為理論值。根據(jù)近5年統(tǒng)計調(diào)查數(shù)據(jù)分析，中央空調(diào)系統(tǒng)能耗約占總能耗的60% ～75%[4]，站房建筑能否實現(xiàn)節(jié)能降碳，其關鍵就在于空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，不僅可以降低建設單位的投資費用和運行成本，還可以降低因發(fā)電量增加而導致的環(huán)境污染[5]。因此，設備節(jié)能設計刻不容緩[6]。

3 空調(diào)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

3.1 空調(diào)系統(tǒng)設備組成

客站的能耗主要集中在采暖制冷的中央空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)[7]。建筑內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)設備主要由冷熱源設備、空調(diào)水系統(tǒng)、新風處理機組、空氣處理機組、風機盤管等組成。據(jù)統(tǒng)計，在絕大部分工程中，冷熱源設備與空調(diào)水系統(tǒng)及空調(diào)處理機組等均由不同的空調(diào)設備廠家供貨，系統(tǒng)調(diào)試也是以廠家供貨范圍劃分。此類設備設計過程中均要求機組自帶控制箱，因各設備廠家不同，控制箱的功能也各有特點。由于各弱電系統(tǒng)與強電系統(tǒng)在各種項目中都單獨運行與管理，各系統(tǒng)的故障報警通知與推送都有獨立機制，導致在報警發(fā)生時，不能進行統(tǒng)一報警與處理跟進，而時常這些報警均為聯(lián)動報警[8]。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制模式

縱觀我國綠色建筑發(fā)展，重設計、輕施工和運維一直是行業(yè)發(fā)展不可忽視的問題，鐵路客站的綠色低碳發(fā)展也面臨同樣的問題[9]。傳統(tǒng)設計中，空調(diào)機組一般為設備廠家自帶控制柜，由暖通專業(yè)要求設備廠家完成。空調(diào)系統(tǒng)的控制由電氣專業(yè)的BAS系統(tǒng)實施。硬件設備采購與控制系統(tǒng)采購分開進行，沒有一個承包商對整個系統(tǒng)負責；重視末端裝置與控制器等硬件設備，輕視調(diào)試等軟件服務，采購合同中服務部分所占費用比例較低，難以保證系統(tǒng)調(diào)試質(zhì)量[10]。經(jīng)常會出現(xiàn)推諉扯皮現(xiàn)象，系統(tǒng)運行結(jié)果無法得到保證?？照{(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制，未能依據(jù)環(huán)境溫度變化及時控制冷水機組的啟停，導致能耗較大[11]。為了能夠規(guī)避許多不同系統(tǒng)之間的混亂狀況[12]，長沙西站空調(diào)控制系統(tǒng)采用強弱電一體化方式。

4 強弱電一體化空調(diào)控制系統(tǒng)在長沙西站設計中的應用

4.1 系統(tǒng)技術功能要求

新時代客站應更加注重綠色設計，提倡經(jīng)濟節(jié)約技術，并加強人文關懷，把注重旅客感受和體驗放在工作首位[13]。真正的節(jié)能，應建立在減少無效消耗的能源之上，對于無效消耗的能源進行節(jié)省，可以從根源上減少能源的浪費[14]。本控制系統(tǒng)針對不同工藝設備采用分布式、模塊化的方式，采取控制軟件與強電變頻控制器、閥門、數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成“強弱電一體化系統(tǒng)設備”，采用網(wǎng)絡化架構(gòu)，通過數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、運算，實現(xiàn)針對空氣源熱泵主機、水循環(huán)系統(tǒng)、組合式空調(diào)機組等設備的就地和遠程監(jiān)控，通過嵌入柜體中的節(jié)能控制器，實現(xiàn)閉環(huán)能效調(diào)節(jié)，使整個系統(tǒng)能夠跟隨實際需求負荷、主機實際運轉(zhuǎn)工況、供電質(zhì)量而自動調(diào)整，充分實現(xiàn)用戶節(jié)能設備投資的經(jīng)濟效益。

客運站空調(diào)負荷主要由外圍護結(jié)構(gòu)傳熱引起的負荷、內(nèi)部熱源散熱引起的負荷和新風負荷三個部分組成[15]。本系統(tǒng)根據(jù)不同季節(jié)和機組運行情況，具備根據(jù)季節(jié)、客流量工況的自轉(zhuǎn)換功能?？刂葡到y(tǒng)檢測建筑內(nèi)外部環(huán)境溫度變化，通過對空氣源熱泵、冷凍水循環(huán)泵、系統(tǒng)水力平衡、調(diào)節(jié)閥開度進行綜合控制，在保證整體舒適度基礎上，動態(tài)調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)各應用工況的運行效率，力求節(jié)能。滿足強弱電一體化設備特征與軟、硬件網(wǎng)絡配置，以空調(diào)主機COP為控制目標，實現(xiàn)中央空調(diào)設備分布式、動態(tài)多閉環(huán)節(jié)能控制與遠程集中管理；輔助設備運行于最佳工況。強弱電一體化監(jiān)控系統(tǒng)是對IBMS系統(tǒng)的延伸與升級[16]。

4.2 空氣源熱泵主機的控制與監(jiān)測

空氣源熱泵主機節(jié)能控制系統(tǒng)，主要是對主機、循環(huán)水泵等進行節(jié)能控制，通過采集系統(tǒng)供回水溫度、壓力、流量等參數(shù)，能效控制軟件計算出當前空調(diào)系統(tǒng)實際所需要的負荷量，動態(tài)調(diào)整空調(diào)主機運行負荷和運行臺數(shù)以及循環(huán)水泵的運行功率，變流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行，滿足用戶使用同時，達到節(jié)能的目的。根據(jù)采集的空調(diào)系統(tǒng)冷(熱)水及供、回水溫度和壓力、流量以及環(huán)境溫濕度，能效控制器計算空調(diào)實際負荷，確定機組啟、停臺數(shù)。當空調(diào)實際負荷超出機組運行負荷時啟動備用機組，當空調(diào)實際負荷低于多臺運行機組負荷時，自動關閉相應機組；同時，根據(jù)采集的室外環(huán)境溫濕度自動調(diào)整主機的出水溫度設定，并且根據(jù)系統(tǒng)不同運行模式自動控制主機電動閥的開、關。

空氣源熱泵主機控制與監(jiān)測功能:冷、熱負荷預測及室內(nèi)外溫濕度監(jiān)測，優(yōu)化機組運行臺數(shù)與出力分配；空氣源熱泵主機的啟/停狀態(tài)、運行時間、參數(shù)超限和故障報警記錄；運行模式的自轉(zhuǎn)換/季節(jié)模式設定、修改和人工轉(zhuǎn)換；電動閥開關、調(diào)節(jié)顯示；空氣源熱泵主機的電量、水量計量及電、水費自動記錄。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 空氣源熱泵空調(diào)節(jié)能云控管理系統(tǒng)

4.3 空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制與監(jiān)測

針對空調(diào)水系統(tǒng)，根據(jù)各傳感器反饋的站房冷、熱負荷變化，通過變頻動態(tài)調(diào)節(jié)空調(diào)水系統(tǒng)的供回水溫度、壓力、流量，分水器、集水器各供回水溫度、壓力等工藝數(shù)據(jù)，根據(jù)冷、熱負荷變化情況智能判斷設備投運臺數(shù)；系統(tǒng)能控制及顯示水泵、水閥等設備的啟/停、運行狀態(tài)、運行時間、參數(shù)超限和故障報警記錄。系統(tǒng)采用軟切換技術實現(xiàn)不停機均衡控制循環(huán)泵的運行時間，按不同用戶負荷的需求調(diào)節(jié)用戶的電動閥，控制補水泵按壓力的變化自動補水，實現(xiàn)機組的聯(lián)動、連鎖功能，冷量及電量分回路計量并自動記錄。系統(tǒng)互聯(lián)接線見表2。

表2 長沙西站熱泵機組、空調(diào)水泵控制配電一體化互聯(lián)接線

4.4 空調(diào)機組節(jié)能控制與監(jiān)測

空調(diào)機組強弱電一體化控制箱，內(nèi)嵌專業(yè)空調(diào)機組控制算法，采集所控區(qū)域的環(huán)境參數(shù)和空氣質(zhì)量，動態(tài)調(diào)整新風量。根據(jù)現(xiàn)場運行條件或控制設定，動態(tài)調(diào)整工作模式。通過設置的溫度傳感器、濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、壓力開關、低溫斷路器等現(xiàn)場控制器采集信息，對采集的信息進行綜合分析，對空調(diào)機組進行專業(yè)節(jié)能控制?？照{(diào)機組節(jié)能控制系統(tǒng)見圖4。

圖4 空調(diào)機組節(jié)能控制系統(tǒng)

當系統(tǒng)檢測到室外溫、濕度經(jīng)焓值計算低于室內(nèi)焓值時，采用室外通風方式，開啟送風機，變風量調(diào)節(jié)送風量。本系統(tǒng)既可以連接至能效控制總柜，形成整個集中空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能云控管理，也可以單獨設置，實現(xiàn)組合式空調(diào)機組獨立的節(jié)能云控管理。系統(tǒng)同時設置工頻回路，當變頻回路出現(xiàn)故障時，可切換至工頻回路以保證系統(tǒng)運行的可靠性，以及為實施階段的測量系統(tǒng)節(jié)電率提供依據(jù)。

5 結(jié)束語

隨著我國大力提倡節(jié)約型社會理念，鐵路建設方向的節(jié)能減排也越來越受到有關部門的重視。長沙西站站房及相關工程，是省會級的大型高鐵站房類綜合交通樞紐建筑，集地鐵、高鐵、公路運輸于一體，其體量大、空間復雜，空調(diào)系統(tǒng)用電量高，空調(diào)強弱電一體化控制系統(tǒng)與常規(guī)的空調(diào)控制系統(tǒng)相比較，既具有常規(guī)控制系統(tǒng)中點對點的控制和一些簡單的多點控制功能，又可以做到綜合控制、遠程控制和無線控制，甚至還可以實現(xiàn)系統(tǒng)故障的自行修復，能夠?qū)崿F(xiàn)長沙西站的水循環(huán)系統(tǒng)、空氣源熱泵機組、空調(diào)機組的大幅節(jié)能降耗。本系統(tǒng)在滿足使用功能的要求下，為本高鐵站房的節(jié)能、降碳提供了有效保障。本文結(jié)合工程實際，系統(tǒng)闡述了強弱電一體化設計方案在空調(diào)系統(tǒng)中的應用，其最終的節(jié)能效率有待于運營后進一步驗證。