鐵路客站智能節(jié)電技術(shù)研究及應(yīng)用

劉航

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 電化電信工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，鐵路客站由單一的鐵路站房轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N交通方式有機(jī)結(jié)合的換乘中心，越來(lái)越注重為旅客提供良好的綜合服務(wù)和舒適的站內(nèi)空間。然而，伴隨鐵路客站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提升、站內(nèi)旅服設(shè)施的增加以及旅客對(duì)舒適度的高要求，鐵路客站的電能消耗水平大幅攀升，運(yùn)營(yíng)成本也大幅增加［1］。

為貫徹落實(shí)中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)鐵集團(tuán)）關(guān)于“在鐵路大客站推廣智能節(jié)電技術(shù)”的工作要求，積極響應(yīng)國(guó)鐵集團(tuán)“十三五”節(jié)能規(guī)劃、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的總體目標(biāo)，建設(shè)綠色、節(jié)能、舒適、溫馨的現(xiàn)代化客站，智能節(jié)電技術(shù)的研究及應(yīng)用是我國(guó)鐵路可持續(xù)快速發(fā)展的必然選擇。

1 鐵路客站節(jié)電潛力分析

1.1 項(xiàng)目概況

北京朝陽(yáng)站是北京鐵路樞紐客運(yùn)總格局中主要客站之一，建筑面積為18.3 萬(wàn)m2，車(chē)站共3 層，地上2 層，地下1 層，局部設(shè)有夾層。地上二層是高架候車(chē)廳，局部設(shè)有商業(yè)及設(shè)備夾層；地上一層為站臺(tái)層，主要為進(jìn)站廳、售票廳、設(shè)備及辦公用房；地下層為換乘大廳、出站通廊、城市通廊、出租車(chē)上客及落客區(qū)、社會(huì)車(chē)庫(kù)以及設(shè)備用房。

根據(jù)用電負(fù)荷分布情況及負(fù)荷等級(jí)要求，北京朝陽(yáng)站新建雙電源10/0.4 kV 變電所6 座（共12 臺(tái)變壓器），總裝機(jī)容量為29 000 kVA，其中1#—4#變電所負(fù)責(zé)站房主體動(dòng)力照明負(fù)荷；5#變電所負(fù)責(zé)部分旅服商業(yè)負(fù)荷；6#變電所負(fù)責(zé)季節(jié)性負(fù)荷。

1.2 用電負(fù)荷分析

北京朝陽(yáng)站總用電負(fù)荷約37 550 kW，其中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)荷約13 265 kW，占總負(fù)荷35.3%；照明負(fù)荷約2 800 kW，占總負(fù)荷約7.5%；電扶梯負(fù)荷約3 385 kW，占總負(fù)荷9.0%。以上負(fù)荷共計(jì)占總負(fù)荷51.8%。

上述負(fù)荷占比高，是進(jìn)一步挖掘節(jié)電潛力、提升節(jié)能效果的關(guān)鍵研究對(duì)象。

1.3 節(jié)電潛力分析

1.3.1 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)是鐵路客站運(yùn)行控制最復(fù)雜、用電量最大的系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)電潛力挖掘，可大幅降低客站能耗。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，可通過(guò)以下3種途徑挖掘空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電潛力［2］：

（1）通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)自身協(xié)調(diào)性優(yōu)化挖掘節(jié)能潛力。一般大型公共空間的空調(diào)系統(tǒng)由BAS 系統(tǒng)控制，依據(jù)暖通控制要求預(yù)設(shè)的控制模式，由空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備執(zhí)行工藝程序?？照{(diào)末端檢測(cè)到回風(fēng)口溫濕度變化，調(diào)節(jié)水閥開(kāi)關(guān)量或調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，引起管道參數(shù)變化；水系統(tǒng)循環(huán)泵根據(jù)管道參數(shù)變化變頻調(diào)速，引起水溫變化；冷熱源主機(jī)根據(jù)水溫進(jìn)行變頻調(diào)速或加減機(jī)。為避免系統(tǒng)頻繁動(dòng)作，空調(diào)控制參數(shù)的設(shè)定考慮了冷熱媒參數(shù)不能驟變的特點(diǎn)以及從需求端到冷熱源端存在的滯后性。

然而，參數(shù)設(shè)定的滯后性可造成系統(tǒng)運(yùn)行震蕩，且參量偏離制冷機(jī)組、水泵等設(shè)備的最佳工作狀態(tài)，導(dǎo)致機(jī)組效率降低；滯后期間如果相關(guān)設(shè)備處于超過(guò)實(shí)際需要的運(yùn)行強(qiáng)度，則產(chǎn)生不合理的能耗；冷水機(jī)組加減機(jī)、變頻策略簡(jiǎn)單，均為獨(dú)立控制，沒(méi)有協(xié)調(diào)機(jī)制，從多臺(tái)機(jī)組總體能耗來(lái)看，無(wú)法達(dá)到運(yùn)行的最佳能效；由于運(yùn)行數(shù)據(jù)得不到記錄分析，即便系統(tǒng)運(yùn)行多年，運(yùn)營(yíng)管控策略還是主要依靠經(jīng)驗(yàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)置更專(zhuān)業(yè)、更智能的控制系統(tǒng)，建立更合理的協(xié)調(diào)機(jī)制，減少無(wú)用運(yùn)行時(shí)間與強(qiáng)度，是空調(diào)系統(tǒng)自身進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力的途徑之一。

（2）通過(guò)優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境傳感器布設(shè)的合理性挖掘節(jié)能潛力。溫度采樣點(diǎn)的選取影響空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)際體感效果。在制冷狀態(tài)下，當(dāng)采集溫度低于體感溫度時(shí)，系統(tǒng)停止送風(fēng)或停機(jī)，此時(shí)對(duì)應(yīng)區(qū)域的舒適性可能并未達(dá)標(biāo)；當(dāng)采集溫度高于體感溫度時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)送風(fēng)，但對(duì)應(yīng)區(qū)域的人體感知可能已經(jīng)過(guò)冷，這種情況屬于能源浪費(fèi)。合理布置傳感器、盡可能接近旅客聚集區(qū)等區(qū)域、提高控制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集準(zhǔn)確性及精準(zhǔn)度，是進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力的途徑。

（3）基于蓄冷蓄熱對(duì)初始制冷制熱時(shí)間的影響，優(yōu)化開(kāi)停機(jī)方案。公共大空間的蓄冷蓄熱效應(yīng)，使空調(diào)系統(tǒng)由啟動(dòng)達(dá)到目標(biāo)值所需的時(shí)間差異較大，對(duì)能耗和舒適性均有一定影響。運(yùn)營(yíng)時(shí)段前的預(yù)冷預(yù)熱時(shí)間、開(kāi)停機(jī)方案如何合理確定，基本依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)置。隨著智能化、機(jī)器自我學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)分析，同時(shí)考慮外部氣候數(shù)據(jù)、室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)和客流數(shù)據(jù)以及客站運(yùn)行特征等條件，逐步改進(jìn)優(yōu)化運(yùn)行策略，也是進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力的途徑。

1.3.2 新風(fēng)系統(tǒng)

鐵路客站新風(fēng)系統(tǒng)的控制邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集的CO2濃度，按制冷季或采暖季調(diào)節(jié)新風(fēng)閥開(kāi)啟程度，空氣達(dá)標(biāo)時(shí)停機(jī)。根據(jù)新風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，可通過(guò)對(duì)新風(fēng)控制系統(tǒng)、傳感器布置等在分區(qū)上的整合和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域按需供給，進(jìn)一步挖掘新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

1.3.3 電扶梯、垂直電梯

垂直電梯具備無(wú)外部召喚且轎廂在一段時(shí)間內(nèi)無(wú)預(yù)置指令時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)為節(jié)能運(yùn)行模式的功能。2臺(tái)及以上垂直電梯集中排列時(shí)（通達(dá)樓層空間完全相同），具有并聯(lián)控制功能。

電扶梯在一段時(shí)間內(nèi)無(wú)乘客后，扶梯能自動(dòng)轉(zhuǎn)入慢速運(yùn)行直至速度為0，進(jìn)入休眠狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)約能源、減少機(jī)器磨損的目的。當(dāng)電扶梯感應(yīng)光電掃描裝置檢測(cè)到有乘客乘坐時(shí)，電扶梯立即加速至額定速度正常運(yùn)行［3］。

根據(jù)電扶梯、垂直電梯的運(yùn)行特點(diǎn)，可知電扶梯、垂直電梯已實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行目標(biāo)，進(jìn)一步節(jié)能潛力較小。

1.3.4 照明

鐵路客站照明采用自然照明與人工照明相結(jié)合的方式，充分利用自然照明，采用高效、節(jié)能的人工照明，達(dá)到高效、節(jié)能、舒適、有益環(huán)境和提高效率的綠色照明設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)室內(nèi)永久性輔助照明技術(shù)的應(yīng)用，最大限度地直接利用日光照明，減少人工照明的工作時(shí)間和工作強(qiáng)度，以達(dá)到節(jié)能目的。

采用LED高效光源，以直接照明為主、間接照明為輔，最大限度地提高人工照明效率，也可達(dá)到節(jié)能目的。

采用智能照明控制系統(tǒng)［4］，設(shè)置具有光控、時(shí)控、人體感應(yīng)等功能的智能照明控制裝置，并結(jié)合實(shí)際到發(fā)車(chē)次、日照時(shí)間、人員密度、人員流動(dòng)情況以及客站本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將照明區(qū)域細(xì)化，每個(gè)區(qū)域分別設(shè)置相應(yīng)的照明模式，由系統(tǒng)自動(dòng)判斷各種狀態(tài)，啟停燈光。在此基礎(chǔ)上，照明考慮對(duì)自然光、顯示屏的利用，在各處設(shè)置光傳感器，采集各個(gè)空間實(shí)時(shí)照度，并通過(guò)智能照明控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)指令，啟停燈光。

通過(guò)以上幾種方式，可最大幅度地挖掘照明節(jié)能潛力，實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能的目標(biāo)。

1.3.5 管理節(jié)能

管理節(jié)能對(duì)實(shí)際節(jié)能效果影響較大?？驼究稍O(shè)置能源管控系統(tǒng)［5-7］，利用能源管控系統(tǒng)軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)收集、整理、分析能力，為管理水平的提升提供技術(shù)支持。因此，能源管控系統(tǒng)具備的數(shù)據(jù)分析水平和智能化程度是影響管理節(jié)能的關(guān)鍵。

2 智能節(jié)電技術(shù)應(yīng)用

2.1 概述

通過(guò)對(duì)鐵路客站各系統(tǒng)節(jié)電潛力的挖掘和分析可知［8］，設(shè)置建筑設(shè)備監(jiān)控及能源管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)BASEMS 系統(tǒng)），即整合能耗管理系統(tǒng)和機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)、采暖、通風(fēng)、電梯、照明的控制和能源管理，可大幅度降低客站的用電消耗，并可實(shí)現(xiàn)客站全生命周期自動(dòng)化節(jié)能控制運(yùn)營(yíng)，降低人工管理成本、提高工作效率。另外，結(jié)合客站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在站臺(tái)雨棚上方停車(chē)場(chǎng)設(shè)置光導(dǎo)照明系統(tǒng)，將自然光引導(dǎo)至站臺(tái)，可充分利用自然采光，減少人工照明工作時(shí)間和強(qiáng)度，達(dá)到照明節(jié)能的目的。

2.2 建筑設(shè)備監(jiān)控及能源管理系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

BAS-EMS 系統(tǒng)下設(shè)中央空調(diào)節(jié)能控制子系統(tǒng)、智能照明控制子系統(tǒng)、區(qū)域控制柜、數(shù)據(jù)采集主機(jī)、各類(lèi)傳感器和采集設(shè)備。此外，BAS-EMS 系統(tǒng)可接受FAS系統(tǒng)指令、強(qiáng)啟消防設(shè)備和應(yīng)急照明，并為遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)提供符合計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的本地?cái)?shù)據(jù)。

BAS-EMS 系統(tǒng)可與客站旅客服務(wù)與生產(chǎn)管控平臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)管控平臺(tái)）互聯(lián)實(shí)現(xiàn)信息交互，即通過(guò)權(quán)限設(shè)置，接受管控平臺(tái)對(duì)照明、電梯等客運(yùn)設(shè)備和應(yīng)急操控設(shè)備的控制命令；為管控平臺(tái)提供客運(yùn)使用設(shè)備的狀態(tài)、故障信息；管控平臺(tái)為BAS-EMS 系統(tǒng)提供列車(chē)到發(fā)、人流密度等信息；向管控平臺(tái)發(fā)送能耗數(shù)據(jù)報(bào)表、節(jié)能策略等。BAS-EMS 系統(tǒng)主要監(jiān)控對(duì)象和系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 BAS-EMS系統(tǒng)主要監(jiān)控對(duì)象和系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.2 系統(tǒng)功能

BAS-EMS 系統(tǒng)將不同功能的設(shè)備智能化子系統(tǒng)和控制設(shè)備統(tǒng)一集成，形成具有信息匯集、資源共享及優(yōu)化管控等綜合功能的系統(tǒng)。中央空調(diào)由內(nèi)部自閉環(huán)控制擴(kuò)展為與整個(gè)環(huán)境相關(guān)的大閉環(huán)控制，增加系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備相互間協(xié)調(diào)動(dòng)作邏輯、優(yōu)化控制程序，進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力。管控平臺(tái)通過(guò)BAS-EMS 系統(tǒng)對(duì)公共區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電扶梯等機(jī)電設(shè)備在特殊工況下進(jìn)行控制。

（1）能源數(shù)據(jù)采集。通過(guò)對(duì)通信、客服信息、通風(fēng)空調(diào)、電扶梯、站臺(tái)門(mén)、水泵、旅服、廣告、電伴熱、電開(kāi)水器等設(shè)備末端配電箱加裝智能表計(jì)，采集設(shè)備用電、用水、用熱的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并上傳至采集主機(jī)，主機(jī)按BAS-EMS 系統(tǒng)要求打包上傳數(shù)據(jù)至BASEMS系統(tǒng)平臺(tái)。

（2）能源管理策略分析。接收能耗采集數(shù)據(jù)、各傳感器信息、FAS 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)信息、管控平臺(tái)互聯(lián)信息，對(duì)全站所有電、熱、水用能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，生成統(tǒng)計(jì)報(bào)告、能耗分析、節(jié)能診斷、優(yōu)化控制等圖表。

（3）自動(dòng)節(jié)能控制。優(yōu)化BAS-EMS 系統(tǒng)運(yùn)行邏輯，通過(guò)對(duì)光照度、溫濕度、PM2.5 濃度、CO2濃度、CO 濃度等傳感器信息及客運(yùn)信息的分析判斷，下發(fā)控制命令，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)照明與光照度、人流密度、列車(chē)到發(fā)信息等條件的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)；實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)溫濕度等條件的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，以及經(jīng)氣候數(shù)據(jù)和室內(nèi)溫度梯度綜合分析后的預(yù)冷、預(yù)熱時(shí)間的合理調(diào)整；實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)PM2.5 濃度、CO2濃度等條件的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。

（4）設(shè)備管理功能。負(fù)責(zé)對(duì)客運(yùn)使用設(shè)備的運(yùn)行及故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.3 光導(dǎo)照明

在北京朝陽(yáng)站10 m 層停車(chē)場(chǎng)設(shè)置管道式陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)，通過(guò)采光裝置聚集自然光線并導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部，再經(jīng)過(guò)特殊制作的導(dǎo)光裝置（導(dǎo)光管）強(qiáng)化與高效傳輸后，由系統(tǒng)底部的漫射裝置把自然光線均勻?qū)氲? m 站臺(tái)層。從黎明到黃昏，甚至是陰天或雨天，系統(tǒng)導(dǎo)入室內(nèi)的光線仍然十分充足。

陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)不消耗任何二次能源，同時(shí)還節(jié)約了電氣照明所需的電能，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備自潔功能，不需檢修維護(hù)，一次性投入，長(zhǎng)期受益，可節(jié)約大量能源，是一項(xiàng)零碳環(huán)保的綠色新技術(shù)［9-10］。光導(dǎo)照明現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)例見(jiàn)圖2。

圖2 光導(dǎo)照明現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)例

3 節(jié)電效益分析

3.1 投入產(chǎn)出

BAS-EMS 系統(tǒng)主要通過(guò)控制和管理2 個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)節(jié)能?？刂乒?jié)能通過(guò)實(shí)時(shí)的需求分析，減少能耗設(shè)備的無(wú)效開(kāi)啟數(shù)量或調(diào)解運(yùn)行強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)節(jié)能；管理節(jié)能則是一個(gè)長(zhǎng)期持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程，需要經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支持。

BAS-EMS 系統(tǒng)具有設(shè)備故障報(bào)告、自動(dòng)生成報(bào)表等功能，還可降低運(yùn)行管理和維護(hù)成本。

系統(tǒng)節(jié)能率，目前尚無(wú)統(tǒng)一理論分析方法。設(shè)計(jì)參照類(lèi)似系統(tǒng)在南京南站、上海虹橋站的節(jié)能指標(biāo)（年整體節(jié)能率為15%以上），以及市場(chǎng)調(diào)查到的最高節(jié)能率30%，設(shè)定最高節(jié)能率為25%。按運(yùn)行前幾年節(jié)能率提升較為顯著、隨著時(shí)間推移節(jié)能率提升水平逐步遞減的規(guī)律進(jìn)行分析。設(shè)4年時(shí)間內(nèi)預(yù)計(jì)節(jié)能率逐年遞增為10%、20%、23%、25%左右。據(jù)此，投資回報(bào)分析見(jiàn)表1。

表1中：（1）總投入包含了空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的投資增量，投運(yùn)期維保費(fèi)第一年為贈(zèng)送，之后每年為50萬(wàn)元。維保費(fèi)按增加2 名系統(tǒng)工程師，年薪2×15 萬(wàn)元=30 萬(wàn)元，耗材、維修費(fèi)用20 萬(wàn)元/年，共計(jì)50 萬(wàn)元。（2）2021 年系統(tǒng)自動(dòng)控制顯現(xiàn)節(jié)能效果，節(jié)電率10%左右；2022 年提升系統(tǒng)管理措施，節(jié)電率上升為20%左右；2023 年系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化，節(jié)電率為23%左右；2024年系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化，節(jié)電率為25%左右。結(jié)果表明，投資回收期約為4年。

表1 投資回報(bào)分析

3.2 間接收益

BAS-EMS 系統(tǒng)在綜合考慮各子系統(tǒng)相互影響的基礎(chǔ)上，采用規(guī)范化、合理化的運(yùn)營(yíng)維護(hù)流程和守則，可有效降低由于人員管理不到位所造成的事故比率，保障生產(chǎn)作業(yè)的安全性。

BAS-EMS 系統(tǒng)采用最優(yōu)化控制，保證設(shè)備在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行，同時(shí)對(duì)重點(diǎn)機(jī)電設(shè)備提供全生命周期管理，可在提高設(shè)備使用壽命的基礎(chǔ)上，大幅度提高設(shè)備使用率。

BAS-EMS 系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)能源監(jiān)測(cè)、能耗跟蹤，可提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)科學(xué)用能、節(jié)約用能、有序用能，為管理者提供決策數(shù)據(jù)支持，進(jìn)一步規(guī)范管理制度與流程。

4 結(jié)束語(yǔ)

北京朝陽(yáng)站通過(guò)采用一系列的智能節(jié)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鐵路客站節(jié)能降耗的總體目標(biāo)，符合節(jié)能減排的國(guó)家政策要求，有助于樹(shù)立鐵路保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源的良好社會(huì)形象，打造綠色鐵路、智慧高鐵的新形象，為其他鐵路客站節(jié)能降耗相關(guān)措施的應(yīng)用提供可參考的案例。