基于BAS的京張高鐵站房能源管理系統(tǒng)研究

李金冬，張 蘇，韓 松，毛虎林，王 兵，胡成明，楊 升，許 茁，鄭 玲，張 倩

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司建筑工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100055；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京 100844；3.成都四為電子信息股份有限公司，成都 610041)

1 概述

近年來(lái)，越來(lái)越多的機(jī)電設(shè)備及子系統(tǒng)應(yīng)用到高鐵站房中，如電動(dòng)開(kāi)啟窗、電熱風(fēng)幕、電伴熱、電動(dòng)百葉、能源管理系統(tǒng)(遠(yuǎn)程抄表)等等[1]，多為人工控制或獨(dú)立控制，管理不便且能耗浪費(fèi)較大。僅對(duì)空調(diào)通風(fēng)、照明和扶梯等常規(guī)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的BAS系統(tǒng)[2]，已經(jīng)不能滿足智能運(yùn)營(yíng)管理節(jié)能減排的要求。

為落實(shí)習(xí)總書(shū)記綠色辦奧運(yùn)的重要指示精神，扎實(shí)推進(jìn)京張高鐵建設(shè)“精品工程、智能京張”及“暢通融合、綠色溫馨、經(jīng)濟(jì)藝術(shù)、智能便捷”的客站建設(shè)工作要求，打造保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的示范工程，全面提升鐵路站房運(yùn)營(yíng)節(jié)能減排管理現(xiàn)代化水平，京張全線站房設(shè)計(jì)采用了基于BAS的能源管理系統(tǒng)。

2 基于BAS的能源管理系統(tǒng)在京張高鐵站房應(yīng)用的適用性分析

基于BAS的能源管理系統(tǒng)，除了對(duì)車站內(nèi)的空調(diào)通風(fēng)、照明、電扶梯、給排水、低壓變配電進(jìn)行監(jiān)控外，還對(duì)電熱風(fēng)幕、電動(dòng)窗、電動(dòng)遮陽(yáng)百葉、電伴熱、充電樁、電開(kāi)水器等用電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，涵蓋了車站內(nèi)的所有用電設(shè)備。

北京至張家口鐵路全長(zhǎng)174 km，東起北京市，西迄張家口市，全線共設(shè)10個(gè)車站，分別為北京北、清河、沙河、昌平、八達(dá)嶺長(zhǎng)城站(地下站)、東花園北站、懷來(lái)、下花園北、宣化北、張家口。全線站房均設(shè)置了通風(fēng)空調(diào)、照明、扶梯、電動(dòng)開(kāi)啟窗、電熱風(fēng)幕、電伴熱等機(jī)電設(shè)備。如采用基于BAS的能源管理系統(tǒng)，對(duì)站房機(jī)電設(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)控，在提升運(yùn)營(yíng)管理水平的同時(shí)，也具有較大的節(jié)能減排作用。

3 基于BAS的能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

基于BAS的能源管理系統(tǒng)是一個(gè)全新應(yīng)用集成系統(tǒng)。能源管理系統(tǒng)與其他各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊通過(guò)BAS平臺(tái)連接起來(lái)，通過(guò)內(nèi)部集成及外部集成的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)的能耗進(jìn)行智能分析，通過(guò)BAS進(jìn)行控制，達(dá)到節(jié)約能耗和實(shí)現(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)安全、合理、科學(xué)化的管理。是一個(gè)綜合性的針對(duì)現(xiàn)代化高鐵站房機(jī)電設(shè)備的運(yùn)維管理和應(yīng)用平臺(tái)

基于BAS能源管理系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)自上而下共分3層，即監(jiān)控管理層、通信層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。

監(jiān)控管理層：為現(xiàn)場(chǎng)操作、管理人員提供充足的信息，制定能量?jī)?yōu)化策略，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行，通過(guò)聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制和能效管理，提高經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益。如果需要可以將系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至上級(jí)監(jiān)控管理中心，在更大范圍內(nèi)做好能量的管理。

通信層：通過(guò)現(xiàn)有的各種技術(shù)手段把各子系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等接入系統(tǒng)。常用的方式有：通過(guò)光纖組成環(huán)型自愈以太網(wǎng)；采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)組網(wǎng)，如RS-485、LonWorks等；使用無(wú)線傳輸；采用GPRS/3G、4G通信網(wǎng)絡(luò)等。具體實(shí)施要根據(jù)實(shí)際情況，既可以選擇單一組網(wǎng)方式也可以多種方式混合使用。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備負(fù)責(zé)采集各種能量、環(huán)境數(shù)據(jù)，主要包括以下設(shè)備：分布于各個(gè)子系統(tǒng)中的智能電能表、高低壓配電柜中的測(cè)控保護(hù)裝置、智能儀表、溫濕度傳感器等。站房各自動(dòng)化子系統(tǒng)：如BAS系統(tǒng)(含空調(diào)、通風(fēng)、照明、熱風(fēng)幕、電伴熱)等?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在站房?jī)?nèi)組成物聯(lián)網(wǎng)，與監(jiān)控層通信完成數(shù)據(jù)交換。

能源管理系統(tǒng)使用B/S架構(gòu)，建立實(shí)時(shí)、在線的能耗計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；提供能耗統(tǒng)計(jì)分析和日常運(yùn)行監(jiān)控功能應(yīng)用；建立高鐵站房能效評(píng)估指標(biāo)體系，實(shí)施精細(xì)化的科學(xué)量化管理；尋找能耗漏洞，與其他各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊通過(guò)BAS平臺(tái)連接起來(lái)，通過(guò)內(nèi)部集成及外部集成的方式，在保證客運(yùn)服務(wù)安全、旅客舒適的前提下，為用戶制定節(jié)能整改措施，提高能源使用效率，指導(dǎo)BAS系統(tǒng)進(jìn)行控制，達(dá)到節(jié)約能耗的目的。

系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算引擎及統(tǒng)計(jì)、控制操作、圖形化界面、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)安全性管理接口及智能聯(lián)動(dòng)。

其中數(shù)據(jù)采集，包括各種BAS數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理包括提供豐富的數(shù)據(jù)處理功能，處理之后存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中。根據(jù)需求對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和轉(zhuǎn)發(fā)等。歷史數(shù)據(jù)包括所有的歷史數(shù)據(jù)均保存于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，本機(jī)也有當(dāng)年數(shù)據(jù)的備份。

本系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性，可以與其他自動(dòng)化設(shè)備或系統(tǒng)接口，能夠方便地實(shí)現(xiàn)接口及智能聯(lián)動(dòng)功能。

4 控制策略

北京至張家口鐵路沿線屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。氣候特點(diǎn)是：一年四季分明，冬季寒冷而漫長(zhǎng)；春季干燥多風(fēng)沙；夏季炎熱短促降水集中；秋季晴朗冷暖適中。光資源豐富，晝夜溫差大；雨熱同季，生長(zhǎng)季節(jié)氣候爽涼；高溫高濕炎熱天氣少[3]。

張家口站預(yù)計(jì)能耗分布如圖1所示。下面以張家口站為例，按能耗順序說(shuō)明控制策略。

各子系統(tǒng)控制策略如下。

4.1 空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)，充分根據(jù)氣候特點(diǎn)進(jìn)行控制。

張家口市采暖季11～3月份，制冷季6～8月份，過(guò)渡季4、5、9、10月份。

京張高鐵站房采用冷熱源群控系統(tǒng)。群控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)從冷熱源站和通風(fēng)系統(tǒng)全面的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)有效的控制與管理，結(jié)合基于BAS的能源系統(tǒng)，在確保達(dá)到環(huán)境質(zhì)量要求的同時(shí)，盡可能降低空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能控制與能耗管控[4]。主要參數(shù)有開(kāi)關(guān)機(jī)設(shè)計(jì)、順序啟停、最短運(yùn)行時(shí)間開(kāi)機(jī)等。張家口站能耗分布見(jiàn)圖1。

各個(gè)季節(jié)的空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)的控制策略如下。

在過(guò)渡季，候車廳、售票廳設(shè)有電動(dòng)開(kāi)啟窗和機(jī)械通風(fēng)，BAS系統(tǒng)根據(jù)二氧化碳濃度、PM2.5、PM10和溫、濕度等參數(shù)控制打開(kāi)或者關(guān)閉，從而進(jìn)行和外部的空氣交換，達(dá)到節(jié)能降耗、提高旅客舒適度的目的。過(guò)渡季控制策略見(jiàn)表1。

圖1 張家口站能耗分布

表1 過(guò)渡季控制策略

在制冷季，張家口地區(qū)早晚溫差比較大，凌晨5:00～7：00左右達(dá)到一天的最低溫度。在空調(diào)開(kāi)啟前，BAS系統(tǒng)根據(jù)CO2濃度、PM2.5、PM10和溫、濕度等參數(shù)控制打開(kāi)電動(dòng)開(kāi)啟窗自然通風(fēng)、啟動(dòng)機(jī)械通風(fēng)，降低室內(nèi)溫度和CO2濃度，從而達(dá)到節(jié)能降耗、提高旅客舒適度的目的。

可以根據(jù)天氣預(yù)報(bào)的氣溫控制空調(diào)啟停，當(dāng)最高氣溫<25 ℃時(shí)，不開(kāi)空調(diào)或者變頻風(fēng)機(jī)低頻運(yùn)行。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，這樣可以將開(kāi)空調(diào)的天數(shù)大概減少1/3，考慮到溫差較大，早晨也一般不用開(kāi)空調(diào)，可以根據(jù)實(shí)時(shí)的溫度信息調(diào)整空調(diào)的運(yùn)行參數(shù)，這樣也能降低很大的能耗。

4.2 根據(jù)照度和列車到發(fā)信息，自動(dòng)調(diào)整照明

根據(jù)國(guó)鐵集團(tuán)鑒定中心《關(guān)于鐵路站房LED照明設(shè)計(jì)研討會(huì)會(huì)議紀(jì)要》(鑒電函[2018]151號(hào))的要求，采用LED照明，相對(duì)傳統(tǒng)的金鹵燈具就節(jié)約大量的能源，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)室外環(huán)境因素等制定控制策略進(jìn)行精細(xì)控制，如表2所示。

表2 照明控制策略

4.3 電扶梯

預(yù)留電扶梯接口，可以查詢運(yùn)行及能耗信息。

4.4 電伴熱分級(jí)控制，根據(jù)室外天氣情況進(jìn)行控制

選用功率分檔的電伴熱，可以根據(jù)氣候情況(下雪)、溫度等參數(shù)控制擋位，達(dá)到節(jié)能的目的。

4.5 熱風(fēng)幕分級(jí)控制，根據(jù)室內(nèi)外溫度分級(jí)控制

張家口站總共設(shè)置了91臺(tái)功率10 kW電熱風(fēng)幕，共計(jì)為910 kW。

常規(guī)電熱風(fēng)幕功率只有0和10 kW兩檔。設(shè)計(jì)選用了節(jié)能型電熱風(fēng)幕[4]，功率為0，3，7，10 kW四個(gè)檔位，并將電熱風(fēng)幕控制納入BAS系統(tǒng)。采暖季時(shí)檔位和溫度之間的關(guān)系通過(guò)分析可以按表3設(shè)置。T1為送風(fēng)溫度，T2為室外溫度。

表3 張家口站電熱風(fēng)幕控制策略

室外溫度一定時(shí)，當(dāng)客流量大時(shí)，電熱風(fēng)幕開(kāi)啟的檔位應(yīng)該更高；客流量小時(shí)，電熱風(fēng)幕開(kāi)啟的檔位會(huì)小一些。

制冷季時(shí)，可以根據(jù)溫差開(kāi)啟風(fēng)幕風(fēng)機(jī)。

通過(guò)查詢張家口市2016～2017年度冬季溫度，對(duì)張家口站熱風(fēng)幕控制進(jìn)行模擬，最終的模擬結(jié)果為采用節(jié)能型電熱風(fēng)幕，并采取相應(yīng)的控制策略后，每年可節(jié)約電能7.9萬(wàn)kW·h，按1 kW·h電0.9元計(jì)算，估計(jì)每年節(jié)約7.1萬(wàn)元。

4.6 衛(wèi)生間異味通風(fēng)

在衛(wèi)生間設(shè)置異味傳感器和通風(fēng)裝置，當(dāng)異味達(dá)到一定的濃度后啟動(dòng)通風(fēng)裝置，提高了旅客舒適度。

4.7 電開(kāi)水器控制

根據(jù)高鐵運(yùn)行時(shí)間和客服需要，啟停部分電開(kāi)水器，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

4.8 電動(dòng)遮陽(yáng)百葉

清河站設(shè)電動(dòng)遮陽(yáng)百葉，制冷季制冷時(shí)關(guān)閉遮陽(yáng)百葉，遮擋陽(yáng)光，減少站房與外界的熱交接，防止室內(nèi)溫度上升；采暖季打開(kāi)遮陽(yáng)百葉，利用太陽(yáng)的輻射提高室內(nèi)溫度；過(guò)渡季打開(kāi)遮陽(yáng)百葉，通過(guò)自然采光補(bǔ)充室內(nèi)照明，根據(jù)不同時(shí)段進(jìn)行開(kāi)啟/關(guān)閉，達(dá)到節(jié)能降耗和提高旅客舒適度的目的。

4.9 充電樁、低壓變配電等通信接口

預(yù)留充電樁接口，可以查詢充電樁能耗信息；預(yù)留低壓變配電接口，可以查詢運(yùn)行狀態(tài)。

5 節(jié)能效果預(yù)測(cè)分析

京張高鐵站房地處北方寒冷地區(qū)，四季分明。通過(guò)對(duì)空調(diào)通風(fēng)、照明、電扶梯、給排水、電熱風(fēng)幕、電動(dòng)窗、電動(dòng)遮陽(yáng)百葉、電伴熱、充電樁、電開(kāi)水器設(shè)備等采取相應(yīng)的控制策略后，預(yù)計(jì)節(jié)能10%～15%。

6 結(jié)語(yǔ)

基于BAS能源管理系統(tǒng)是一個(gè)全新的應(yīng)用集成系統(tǒng)，是一個(gè)綜合性的針對(duì)現(xiàn)代化站房智能建筑設(shè)備的運(yùn)維管理和應(yīng)用平臺(tái)。借助于本系統(tǒng)，管理人員能夠及時(shí)、方便、直觀地了解站房中各類能源和各項(xiàng)能源的使用情況，掌握能源使用中的問(wèn)題，找出耗能點(diǎn)，更加合理地分配和調(diào)度管理能源，同時(shí)作為節(jié)能減排、管理能源的重要手段。本系統(tǒng)能夠?qū)﹄姎庠O(shè)備的運(yùn)行及狀態(tài)的安全性、合理性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及科學(xué)化的管理，通過(guò)精細(xì)化控制，實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果，達(dá)到可觀的節(jié)能收益?；贐AS能源管理系統(tǒng)同時(shí)為高鐵站房運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)支持及解決方案。

基于BAS的能源管理，是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要建筑、給排水、暖通空調(diào)、電力、信息等專業(yè)密切配合?，F(xiàn)階段，它還是依靠工程師進(jìn)行邏輯設(shè)定的專家型系統(tǒng)。下一個(gè)階段的研究目標(biāo)，通過(guò)高鐵站房運(yùn)行中的各數(shù)據(jù)進(jìn)行全面檢測(cè)和分析，不斷優(yōu)化高鐵站房?jī)?nèi)各子系統(tǒng)的控制策略，從而使本系統(tǒng)變成一個(gè)智慧的、非單一功能的、融合變化的、可成長(zhǎng)的、可自主學(xué)習(xí)的智能系統(tǒng)。