長(zhǎng)沙西站強(qiáng)弱電一體化空調(diào)控制系統(tǒng)研究

吳建云

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 概述

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化問(wèn)題，我國(guó)提出了“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的承諾。為實(shí)現(xiàn)這一莊嚴(yán)承諾，各行各業(yè)都在努力開(kāi)展節(jié)能降碳行動(dòng)。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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而努力。站房建筑中，空調(diào)系統(tǒng)為用能大戶(hù)，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)，已經(jīng)不能滿(mǎn)足智能運(yùn)營(yíng)管理節(jié)能減排的要求[2]。鐵路客站是鐵路服務(wù)旅客和社會(huì)的場(chǎng)所，是展示鐵路形象的窗口，是城市的門(mén)戶(hù)[3]。為實(shí)現(xiàn)站房節(jié)能降碳，全面落實(shí)國(guó)鐵集團(tuán)提出的“暢通融合、綠色溫馨、經(jīng)濟(jì)藝術(shù)、智能便捷”現(xiàn)代化客站建設(shè)要求。本文結(jié)合長(zhǎng)沙西站項(xiàng)目，圍繞車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)強(qiáng)弱電一體化節(jié)能控制方式開(kāi)展相關(guān)研究。

2 項(xiàng)目概況

長(zhǎng)沙西站是新建常德經(jīng)益陽(yáng)至長(zhǎng)沙鐵路的重要樞紐車(chē)站，車(chē)站位于湖南省長(zhǎng)沙市望城區(qū)。長(zhǎng)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(shè)計(jì)范圍及建筑形態(tài)如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)沙西站鳥(niǎo)瞰圖

本工程共設(shè)置8座變配電所，其中兩座變電所為空調(diào)專(zhuān)用。長(zhǎng)沙西站總用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

表1 長(zhǎng)沙西站負(fù)荷統(tǒng)計(jì)kW

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

圖2 長(zhǎng)沙西站用電負(fù)荷分布

由圖2可知，空調(diào)負(fù)荷占總用電負(fù)荷的29%，在各類(lèi)用電負(fù)荷中占比最高，這僅僅為理論值。根據(jù)近5年統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳，其關(guān)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(shè)單位的投資費(fèi)用和運(yùn)行成本，還可以降低因發(fā)電量增加而導(dǎo)致的環(huán)境污染[5]。因此，設(shè)備節(jié)能設(shè)計(jì)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(shè)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(shè)備主要由冷熱源設(shè)備、空調(diào)水系統(tǒng)、新風(fēng)處理機(jī)組、空氣處理機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤(pán)管等組成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在絕大部分工程中，冷熱源設(shè)備與空調(diào)水系統(tǒng)及空調(diào)處理機(jī)組等均由不同的空調(diào)設(shè)備廠家供貨，系統(tǒng)調(diào)試也是以廠家供貨范圍劃分。此類(lèi)設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中均要求機(jī)組自帶控制箱，因各設(shè)備廠家不同，控制箱的功能也各有特點(diǎn)。由于各弱電系統(tǒng)與強(qiáng)電系統(tǒng)在各種項(xiàng)目中都單獨(dú)運(yùn)行與管理，各系統(tǒng)的故障報(bào)警通知與推送都有獨(dú)立機(jī)制，導(dǎo)致在報(bào)警發(fā)生時(shí)，不能進(jìn)行統(tǒng)一報(bào)警與處理跟進(jìn)，而時(shí)常這些報(bào)警均為聯(lián)動(dòng)報(bào)警[8]。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制模式

縱觀我國(guó)綠色建筑發(fā)展，重設(shè)計(jì)、輕施工和運(yùn)維一直是行業(yè)發(fā)展不可忽視的問(wèn)題，鐵路客站的綠色低碳發(fā)展也面臨同樣的問(wèn)題[9]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，空調(diào)機(jī)組一般為設(shè)備廠家自帶控制柜，由暖通專(zhuān)業(yè)要求設(shè)備廠家完成?？照{(diào)系統(tǒng)的控制由電氣專(zhuān)業(yè)的BAS系統(tǒng)實(shí)施。硬件設(shè)備采購(gòu)與控制系統(tǒng)采購(gòu)分開(kāi)進(jìn)行，沒(méi)有一個(gè)承包商對(duì)整個(gè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)；重視末端裝置與控制器等硬件設(shè)備，輕視調(diào)試等軟件服務(wù)，采購(gòu)合同中服務(wù)部分所占費(fèi)用比例較低，難以保證系統(tǒng)調(diào)試質(zhì)量[10]。經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)推諉扯皮現(xiàn)象，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果無(wú)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(shí)控制冷水機(jī)組的啟停，導(dǎo)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(zhǎng)沙西站空調(diào)控制系統(tǒng)采用強(qiáng)弱電一體化方式。

4 強(qiáng)弱電一體化空調(diào)控制系統(tǒng)在長(zhǎng)沙西站設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)技術(shù)功能要求

新時(shí)代客站應(yīng)更加注重綠色設(shè)計(jì)，提倡經(jīng)濟(jì)節(jié)約技術(shù)，并加強(qiáng)人文關(guān)懷，把注重旅客感受和體驗(yàn)放在工作首位[13]。真正的節(jié)能，應(yīng)建立在減少無(wú)效消耗的能源之上，對(duì)于無(wú)效消耗的能源進(jìn)行節(jié)省，可以從根源上減少能源的浪費(fèi)[14]。本控制系統(tǒng)針對(duì)不同工藝設(shè)備采用分布式、模塊化的方式，采取控制軟件與強(qiáng)電變頻控制器、閥門(mén)、數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成“強(qiáng)弱電一體化系統(tǒng)設(shè)備”，采用網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)針對(duì)空氣源熱泵主機(jī)、水循環(huán)系統(tǒng)、組合式空調(diào)機(jī)組等設(shè)備的就地和遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過(guò)嵌入柜體中的節(jié)能控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)能效調(diào)節(jié)，使整個(gè)系統(tǒng)能夠跟隨實(shí)際需求負(fù)荷、主機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況、供電質(zhì)量而自動(dòng)調(diào)整，充分實(shí)現(xiàn)用戶(hù)節(jié)能設(shè)備投資的經(jīng)濟(jì)效益。

客運(yùn)站空調(diào)負(fù)荷主要由外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱引起的負(fù)荷、內(nèi)部熱源散熱引起的負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷三個(gè)部分組成[15]。本系統(tǒng)根據(jù)不同季節(jié)和機(jī)組運(yùn)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(cè)建筑內(nèi)外部環(huán)境溫度變化，通過(guò)對(duì)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(kāi)度進(jìn)行綜合控制，在保證整體舒適度基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)各應(yīng)用工況的運(yùn)行效率，力求節(jié)能。滿(mǎn)足強(qiáng)弱電一體化設(shè)備特征與軟、硬件網(wǎng)絡(luò)配置，以空調(diào)主機(jī)COP為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)設(shè)備分布式、動(dòng)態(tài)多閉環(huán)節(jié)能控制與遠(yuǎn)程集中管理；輔助設(shè)備運(yùn)行于最佳工況。強(qiáng)弱電一體化監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)IBMS系統(tǒng)的延伸與升級(jí)[16]。

4.2 空氣源熱泵主機(jī)的控制與監(jiān)測(cè)

空氣源熱泵主機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，主要是對(duì)主機(jī)、循環(huán)水泵等進(jìn)行節(jié)能控制，通過(guò)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(jì)算出當(dāng)前空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際所需要的負(fù)荷量，動(dòng)態(tài)調(diào)整空調(diào)主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷和運(yùn)行臺(tái)數(shù)以及循環(huán)水泵的運(yùn)行功率，變流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行，滿(mǎn)足用戶(hù)使用同時(shí)，達(dá)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(jì)算空調(diào)實(shí)際負(fù)荷，確定機(jī)組啟、停臺(tái)數(shù)。當(dāng)空調(diào)實(shí)際負(fù)荷超出機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷時(shí)啟動(dòng)備用機(jī)組，當(dāng)空調(diào)實(shí)際負(fù)荷低于多臺(tái)運(yùn)行機(jī)組負(fù)荷時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉相應(yīng)機(jī)組；同時(shí)，根據(jù)采集的室外環(huán)境溫濕度自動(dòng)調(diào)整主機(jī)的出水溫度設(shè)定，并且根據(jù)系統(tǒng)不同運(yùn)行模式自動(dòng)控制主機(jī)電動(dòng)閥的開(kāi)、關(guān)。

空氣源熱泵主機(jī)控制與監(jiān)測(cè)功能:冷、熱負(fù)荷預(yù)測(cè)及室內(nèi)外溫濕度監(jiān)測(cè)，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)與出力分配；空氣源熱泵主機(jī)的啟/停狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、參數(shù)超限和故障報(bào)警記錄；運(yùn)行模式的自轉(zhuǎn)換/季節(jié)模式設(shè)定、修改和人工轉(zhuǎn)換；電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)顯示；空氣源熱泵主機(jī)的電量、水量計(jì)量及電、水費(fèi)自動(dòng)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(cè)

針對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)，根據(jù)各傳感器反饋的站房冷、熱負(fù)荷變化，通過(guò)變頻動(dòng)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(fù)荷變化情況智能判斷設(shè)備投運(yùn)臺(tái)數(shù)；系統(tǒng)能控制及顯示水泵、水閥等設(shè)備的啟/停、運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、參數(shù)超限和故障報(bào)警記錄。系統(tǒng)采用軟切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)不停機(jī)均衡控制循環(huán)泵的運(yùn)行時(shí)間，按不同用戶(hù)負(fù)荷的需求調(diào)節(jié)用戶(hù)的電動(dòng)閥，控制補(bǔ)水泵按壓力的變化自動(dòng)補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的聯(lián)動(dòng)、連鎖功能，冷量及電量分回路計(jì)量并自動(dòng)記錄。系統(tǒng)互聯(lián)接線見(jiàn)表2。

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

4.4 空調(diào)機(jī)組節(jié)能控制與監(jiān)測(cè)

空調(diào)機(jī)組強(qiáng)弱電一體化控制箱，內(nèi)嵌專(zhuān)業(yè)空調(diào)機(jī)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(dòng)態(tài)調(diào)整新風(fēng)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件或控制設(shè)定，動(dòng)態(tài)調(diào)整工作模式。通過(guò)設(shè)置的溫度傳感器、濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、壓力開(kāi)關(guān)、低溫?cái)嗦菲鞯痊F(xiàn)場(chǎng)控制器采集信息，對(duì)采集的信息進(jìn)行綜合分析，對(duì)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行專(zhuān)業(yè)節(jié)能控制?？照{(diào)機(jī)組節(jié)能控制系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

圖4 空調(diào)機(jī)組節(jié)能控制系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到室外溫、濕度經(jīng)焓值計(jì)算低于室內(nèi)焓值時(shí)，采用室外通風(fēng)方式，開(kāi)啟送風(fēng)機(jī)，變風(fēng)量調(diào)節(jié)送風(fēng)量。本系統(tǒng)既可以連接至能效控制總柜，形成整個(gè)集中空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能云控管理，也可以單獨(dú)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)組合式空調(diào)機(jī)組獨(dú)立的節(jié)能云控管理。系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置工頻回路，當(dāng)變頻回路出現(xiàn)故障時(shí)，可切換至工頻回路以保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，以及為實(shí)施階段的測(cè)量系統(tǒng)節(jié)電率提供依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)大力提倡節(jié)約型社會(huì)理念，鐵路建設(shè)方向的節(jié)能減排也越來(lái)越受到有關(guān)部門(mén)的重視。長(zhǎng)沙西站站房及相關(guān)工程，是省會(huì)級(jí)的大型高鐵站房類(lèi)綜合交通樞紐建筑，集地鐵、高鐵、公路運(yùn)輸于一體，其體量大、空間復(fù)雜，空調(diào)系統(tǒng)用電量高，空調(diào)強(qiáng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制和一些簡(jiǎn)單的多點(diǎn)控制功能，又可以做到綜合控制、遠(yuǎn)程控制和無(wú)線控制，甚至還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的自行修復(fù)，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)沙西站的水循環(huán)系統(tǒng)、空氣源熱泵機(jī)組、空調(diào)機(jī)組的大幅節(jié)能降耗。本系統(tǒng)在滿(mǎn)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(shí)際，系統(tǒng)闡述了強(qiáng)弱電一體化設(shè)計(jì)方案在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，其最終的節(jié)能效率有待于運(yùn)營(yíng)后進(jìn)一步驗(yàn)證。