能效管控一体化系统在大型铁路站房中的设计与应用

冯 涛， 李 蔚， 白建光

(中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014)

0 引言

在我国，国家实施节约与开发并举，且节约是能源发展战略的首位。JGJ 243-2011《交通建筑电气设计规范》第17.4.6条要求“单体建筑面积20000m2及以上的交通建筑应采用能耗监测管理系统，实现分项能耗数据的实时采集、计量、准确传输、科学处理及有效存储”；TB 10008-2015《铁路电力设计规范》第12.1.4.7要求“大型、特大型旅客站房等建筑物的机电设备监控系统应具备能源管理功能”；GB 50189-2015《公共建筑节能设计标准》第6.4.1条要求“公共建筑宜设置用电能耗监测与计量系统并进行能效分析和管理”。

不难看出，公共交通建筑对节能降耗的要求尤为重视。现代化大型高铁站房具有站房面积大、功能集成度高、人员流量大，空调、照明、动力、电梯等设备对电能、水、天然气等能源的消耗量大等特点。因此在大型铁路站房实施能效管理系统，对节能增效、提高经济效益都具有重要意义。

目前国内能源设施的单项节能技术在大型铁路站房的节能中得到了较为普遍的应用，但由于自成系统节能空间有限，站房缺乏综合管理用能设施设备的统一调度平台，无法挖掘节能潜力和降低无效能耗，未能从根本上解决系统整体能耗损失。根据铁路大型客站能源消耗现状的专项调查统计，大型客站的能耗约为160kWh/(a·m2)，部分客站甚至超过250 kWh/(a·m2)。

因此，建立基于“监测-分析-管控”闭环能源管理理念的能效综合管理平台，是提升大型铁路站房能效的关键。本文即以某特大型铁路站房为例，论述能效管控一体化系统的关键技术要点，包括其特点、功能、架构、组成等，并测试该系统的节能效果。

1 能效管控一体化系统的关键技术要点

南宁东站总建筑面积26.7万m2，其中站房建筑面积12万m2，为特大型铁路客运枢纽站。站房设置能效管控系统对站房内各机电设备系统用能进行综合管控。

1.1 系统特点及功能

本能效管控系统通过深度集成技术，将变配电系统、动力系统、照明系统、中央空调机电设备与设施能效管控系统深度集成机电设备及能效管控系统，并进行统一设计，采用相同的应用软件，以实现被集成子系统的全部功能，完全满足日常运行管理要求。

机电设备与设施能效管控系统具备模式控制、群控以及手动控制等功能，可实现：数据采集自动化；能耗可视化水平和可追溯能力的提高；能耗信息指标化；综合能效分析。

1.2 系统架构

在系统架构设计上，本站房机电能效管控系统遵循分散采集、集中分析管控、网页监视、资源与信息共享的原则，采用分层分布式的体系架构。主要分为系统主站层、网络通讯层、现场测控层。

(1)主站系统

以运行服务器和数据库服务器为核心，采用分层分布式系统体系架构，对客站设施内的用能设备进行分项数据采集、信息在线分析和自动能效管控。

为了保障通讯的快速与可靠，系统在站房各个区域分散布置了多个数据通讯子站，汇集站房内所有负载回路或设备的能耗与能效监控智能单元，构建星形结构的光纤主干网络，用于连接主站系统与各数据通讯子站，实现客站能效管控一体化系统的硬件网络体系。

系统主要配置包括：中央管理主站、光纤主干以太网络、就地功能操作分站、系统通讯子站和就地控制箱、智能驱动装置单元、智能仪表数据采集等部分。其中，中央管理主站由服务器、工作站和主站通讯成套装置构成，集中放置于消防控制室内。

主站是系统的监视与控制中心，用于集中处理和存储现场各监测和控制设备上传的数据，同时下达自动控制命令。

(2)通讯网络

采用光纤以太网络(单模多芯光缆组成)作为整个系统的主干数据传输通道，实现中央管理主站和分区通讯子站之间的数据互联，所有能耗数据和环境参数由此传输。

主干网络通过专用的弱电线槽和镀锌穿线管敷设，路径由中央管控主站到各个子系统主站，子系统主站到区域通讯设备，采用星形网络拓扑结构。

(3)现场通讯

设备采用带光口、网口的上行端口和带8个RS485的下行端口的通讯子站，可对下行总线扩展到16端口，按照“就近集中”原则，在出站层、出站夹层、站台层、站台夹层、高架层、高架夹层等不同区域分别配置。

为充分实现对站内所有主要负载设备运行能耗和能效参数监测，对主要能耗设备的负载回路装设就地监测单元，并使用RS485现场总线连接网络，物理层介质主要采用低烟无卤阻燃的屏蔽双绞线，无线传输作为补充，以便实现灵活的布线。

1.3 系统组成

本客运站房机电设备能效管控系统通过深度集成技术，将变配电子系统、中央空调子系统、照明子系统、动力子系统深度集成机电设备能效管控系统，并进行统一设计。机电设备能效管控系统由以下5个部分共同组成。

(1)中央管控主站系统

中央管控主站系统是车站机电设备能效管控系统的数据中心和能效管理中心，设置在站台层北区建筑设备监控中心，对站房内的设备进行集中监控，对能耗进行集中管理，采用模块化设计，易于扩展，并预留与其他管理系统的连接条件。

(2)变配电子系统

图1 变配电子系统拓扑图

本子系统采用智能配电系统，利用现代测控技术和通讯技术，对车站变电所低压配电系统低压侧回路能耗和状态进行采集分析，对部分开关进行远程分合闸控制，并预留接口给远动控制系统和铁路综合调度系统。本子系统能自动记录和分析电能耗使用趋势，对总量进行数据和成本分析，自动优化电能使用模型，提出合理化建议。如图1所示，为变配电子系统拓扑图。

(3)中央空调子系统

本子系统采用中央空调能效智能管控系统，实现对站房冷冻机房内管路工艺参数、设备的运行、故障状态、全电量参数进行监测，并根据计算出的末端负荷调整设备的运行台数和运行频率，来满足站房末端舒适度的要求。如图2所示，为中央空调子系统拓扑图。

图2 中央空调子系统拓扑图

(4)照明子系统

本子系统采用智能照明管控系统，对站房的站台、站台雨棚、出站厅、南北换乘厅、东西联系通廊、大空间候车厅、建筑物景观照明等场所的照明配电回路配置开关模块、智能监测装置，区域配置场景面板来实现按照客户需求驱动开关模块控制回路通断，进而调节站房内的照度，达到铁路站房照度要求。如图3所示，为智能照明子系统拓扑图。

图3 智能照明子系统拓扑图

(5)动力子系统

本子系统主要是对车站高架夹层、高架层、站台层、出站层、站台夹层、南北换乘厅的动力设备、环境参数进行集中监测、智能管理与控制。通过对高铁站房的环境参数进行测量，对动力设备用能明细、用能过程进行监测和分析，在满足机电设备控制功能的前提下加入能效调节的闭环调节，不仅提升了设备的能效水平，在管理手段上也实现了节能运行，进而保障及时预警、告警，减少或避免动力设备使用故障。如图4所示，为动力子系统拓扑图。

图4 动力子系统拓扑图

2 照明及空调子系统节能效果分析

根据用能对比分析，空调年用电量占整个站房用电量的39.22%，照明用电占20.78%。空调用电分为制冷站用电、末端空调用电、室外机等3大用电部分，其中制冷站与末端空调具有节能控制装置约占总空调用电量的87.99%。照明用电分为公共区照明、景观照明、应急照明、广告照明4大部分，其中公共区照明与景观照明具有节能控制装置，约占总照明用电量的82.71%。因此在项目中，以智能照明子系统、中央空调子系统为例分析节能效果。

2.1 智能照明系统节能分析

对站房的站台、站台雨棚、出站厅、南北换乘厅、东西联系通廊、高架层候车厅、建筑物景观照明等场所的照明进行智能管控。为了测试站房智能照明系统的节能效果，选取高架层区域的照明设备作为节能测试的对象，并根据照明系统不断完善过程，在每一个阶段随机挑选某一天进行24h照明能耗记录。

(1)节能方案比选

测试基准日：此时照明系统后台控制关闭，采用人工控制高架层的照明。

节能模式一：后台定时开启照明，实现后台定时群控。

节能模式二：分区分项开启照明，实现分区分项，实现景观照明按需开关。

节能模式三：按需开启照明，加入了高架层1/2开，1/4开控制方式，按需操作。

(2)照明系统节能测试总结与分析

根据测试记录表，对比节能测试基准日，则不同照明模式下效果如表1所示。

综上所述，本站房在运用智能照明系统后，照明节能效果明显，为站房节约了大量照明用电。综合比较各种节电方案，每年可以产生的经济效益如表2所示。

在实际应用过程中，考虑到实际情况的复杂多变性，不可能仅仅固定采用某一种节电方案，故实际产生的经济效益会小于单一节电方案下计算产生的效益。

照明系统节能测试分析表 表1

智能照明测试点节电方案经济效益分析表 表2

2.2 空调能耗数据分析

本站房中央空调系统主要包括水系统和风系统2个部分。水系统的主要设备包括：冷水机组、冷冻泵、冷却泵与冷却塔；风系统主要包括混合式空调机组与新风机组。

中央空调能效管控系统是中央空调设备的驱动与控制系统，通过合理的调节中央空调设备运行参数，既可以改善用户舒适度，又可以提高系统能效，降低设备能耗。为了验证评估中央空调管控系统的节能效果，分3种模式对站房中央空调设备节能效果做了测试。

(1)仅对空调风系统控制节能测试

空调风系统在2个时段分为2种模式进行测试。

节能模式测试：通过末端对空调冷量的需求计算，得出最节能的运行参数，并协同调整风机运行频率和冷冻水表冷阀的开度大小来满足末端对于空调冷量的需求。

常规模式测试：空调机组风机以固定的频率运行，仅通过调节冷冻水表冷阀的开度大小来满足末端对于空调冷量的需求。

根据测试记录结果，对数据进行汇总分析，结果如表3所示。

空调风系统节能测试结果分析 表3

(2)仅对空调水系统进行控制节能测试

本站房分为南北两套中央空调水系统。空调水系统在2个时段分为2种模式进行测试。

节能模式测试：通过冷冻水出回水的温度计算出末端对于空调冷量的需求，得出最节能的运行参数，并协同调整冷冻泵、冷却泵的运行频率和冷冻泵、冷却泵开启的数量来满足末端对于空调冷量的需求。

常规模式测试：开启固定数量的冷冻泵、冷却泵，并以固定的频率运行，当末端冷量发生变化的时候，通过增加或者减少冷冻泵、冷却泵的数量达到满足末端对于冷量的需求。

根据测试记录结果，对数据进行汇总分析，结果如表4所示。

(3)对中央空调系统进行风水联调控制节能测试

中央空调系统风水联调节能运行模式下，在保证冷量输出的情况下，系统自行协调风系统空调机组、制冷主机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔风机等设备的最佳运行状态；当末端冷量发生变化时，系统根据冷量需求的变化特性，综合考虑传热特性、惯性时间，预测冷量需求，多阶段、分批次、选择性协同调整调空调机组、制冷主机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔风机等设备的运行策略；通过多区域的末端回风温/湿度、送风温/湿度等特性，提前预测冷量需求，并进行系统的预先调整。测试结果如表5所示。

(4)节能数据分析

1)本空调节能测试分为3种情况，其中风系统单独测试时节电率为47.85%，水系统单独测试时节电率14.99%，风水联调时风系统节电率为39.8%，水系统节电率为18.2%，总节电率为24.2%。

空调水系统节能测试结果分析 表4

空调风水联调节能测试结果分析 表5

2)风水联调相对于风系统单独测试时，由于站房投入使用的风柜数量较少，风柜实际承载的负荷大，导致节电率稍有下降，由此可以推测，如果风水联调时开启的风柜数量和风系统单独测试时数量相等，则风系统的节能率还会上升。

3)风水联调时，水系统节电率比单独测试时有所上升，说明本站房中央空调系统风水联调比风、水系统单独管控节能效果更好。

2.3 整体能耗分析

根据测试数据显示，中央空调系统综合年节能率约24.20%，站房总节能率中空调节能率为39.22%×87.99%×24.20%=8.35%。智能照明系统综合年节能率约49.20%，站房总节能率中照明节能率为20.78%×82.71%×49.20%=8.46%。则可推算出，站房年节能率为8.35%+8.46%=16.81%。

按目前站房一年消耗的电能为2 223万(kW·h)(2015年数据)，电价0.9元/(kW·h)计算，对站房采取能效管控后，相对于粗放式用能每年节约的金额为：2 223÷(1-16.81%)×16.81%×0.9=404万元。

2.4 能耗比较

将本站与南京南站、上海虹桥站这两个规模相近站房能耗分析对比可以得知，本站房在机电能效管控系统的应用下，其单位面积能耗相对于其他两站房，其单位面积能耗最低，是南京南站的65.23%，是上海虹桥站的63.72%，如表6所示。

2015年各大型站房能耗对比 表6

3 变配电及动力子系统节能降耗措施

3.1 变配电子系统

对10kV高压柜所有回路、0.4kV低压柜、电容补偿、馈出线回路设置智能监测装置，系统通过监测装置采集电流、电压、功率、频率等能耗参数；并对采集的参数进行有效性验证、分类能耗数据计算、建筑总能耗计算等，以此建立有效的电能管控平台。

3.2 动力子系统

对动力配电系统主进线回路、不小于5kW的馈线回路设有能耗和电能质量监测装置；对每个末端电控箱设有能耗、状态监测与管理控制装置。

系统采集风机、水泵、电扶梯等设备能耗参数、状态参数，以及温/湿度、CO2浓度等环境参数，并对采集的能耗参数进行有效验证，分类能耗数据计算、单位面积动力能耗计算等，并存储更新数据库，判断能耗状态，进行报警提示，进而对站房单位面积能耗、空调单位面积能耗、折标煤、CO2排放量等多种能耗指标进行分析对比，提出能效管控优化方案。

4 结束语