長沙西站強弱電一體化空調控制系統研究

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年前實現碳中和”的承諾。為實現這一莊嚴承諾，各行各業都在努力開展節能降碳行動。作為高速鐵路發展的重要組成部分，鐵路站房也在大規模興建[1]，高鐵站房建筑也在為實現這一目標而努力。站房建筑中，空調系統為用能大戶，僅對空調通風、照明和扶梯等常規機電設備進行監控的BAS系統，已經不能滿足智能運營管理節能減排的要求[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]。為實現站房節能降碳，全面落實國鐵集團提出的“暢通融合、綠色溫馨、經濟藝術、智能便捷”現代化客站建設要求。本文結合長沙西站項目，圍繞車站空調系統強弱電一體化節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。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專用。長沙西站總用電負荷統計情況如表1所示。

表1 長沙西站負荷統計kW

本工程用電負荷主要分為:空調用電負荷、信息通信用電負荷、商業用電負荷、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。根據近5年統計調查數據分析，中央空調系統能耗約占總能耗的60% ～75%[4]，站房建筑能否實現節能降碳，其關鍵就在于空調系統。空調系統的節能，不僅可以降低建設單位的投資費用和運行成本，還可以降低因發電量增加而導致的環境污染[5]。因此，設備節能設計刻不容緩[6]。

3 空調控制系統現狀分析

3.1 空調系統設備組成

客站的能耗主要集中在采暖制冷的中央空調系統和照明系統[7]。建筑內的空調系統設備主要由冷熱源設備、空調水系統、新風處理機組、空氣處理機組、風機盤管等組成。據統計，在絕大部分工程中，冷熱源設備與空調水系統及空調處理機組等均由不同的空調設備廠家供貨，系統調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。由于各弱電系統與強電系統在各種項目中都單獨運行與管理，各系統的故障報警通知與推送都有獨立機制，導致在報警發生時，不能進行統一報警與處理跟進，而時常這些報警均為聯動報警[8]。

3.2 空調系統的傳統控制模式

縱觀我國綠色建筑發展，重設計、輕施工和運維一直是行業發展不可忽視的問題，鐵路客站的綠色低碳發展也面臨同樣的問題[9]。傳統設計中，空調機組一般為設備廠家自帶控制柜，由暖通專業要求設備廠家完成。空調系統的控制由電氣專業的BAS系統實施。硬件設備采購與控制系統采購分開進行，沒有一個承包商對整個系統負責；重視末端裝置與控制器等硬件設備，輕視調試等軟件服務，采購合同中服務部分所占費用比例較低，難以保證系統調試質量[10]。經常會出現推諉扯皮現象，系統運行結果無法得到保證。空調水系統節能控制，未能依據環境溫度變化及時控制冷水機組的啟停，導致能耗較大[11]。為了能夠規避許多不同系統之間的混亂狀況[12]，長沙西站空調控制系統采用強弱電一體化方式。

4 強弱電一體化空調控制系統在長沙西站設計中的應用

4.1 系統技術功能要求

新時代客站應更加注重綠色設計，提倡經濟節約技術，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省，可以從根源上減少能源的浪費[14]。本控制系統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、數據采集裝置構成“強弱電一體化系統設備”，采用網絡化架構，通過數據采集、傳輸、分析、運算，實現針對空氣源熱泵主機、水循環系統、組合式空調機組等設備的就地和遠程監控，通過嵌入柜體中的節能控制器，實現閉環能效調節，使整個系統能夠跟隨實際需求負荷、主機實際運轉工況、供電質量而自動調整，充分實現用戶節能設備投資的經濟效益。

客運站空調負荷主要由外圍護結構傳熱引起的負荷、內部熱源散熱引起的負荷和新風負荷三個部分組成[15]。本系統根據不同季節和機組運行情況，具備根據季節、客流量工況的自轉換功能。控制系統檢測建筑內外部環境溫度變化，通過對空氣源熱泵、冷凍水循環泵、系統水力平衡、調節閥開度進行綜合控制，在保證整體舒適度基礎上，動態調整空調系統各應用工況的運行效率，力求節能。滿足強弱電一體化設備特征與軟、硬件網絡配置，以空調主機COP為控制目標，實現中央空調設備分布式、動態多閉環節能控制與遠程集中管理；輔助設備運行于最佳工況。強弱電一體化監控系統是對IBMS系統的延伸與升級[16]。

4.2 空氣源熱泵主機的控制與監測

空氣源熱泵主機節能控制系統，主要是對主機、循環水泵等進行節能控制，通過采集系統供回水溫度、壓力、流量等參數，能效控制軟件計算出當前空調系統實際所需要的負荷量，動態調整空調主機運行負荷和運行臺數以及循環水泵的運行功率，變流量調節系統運行，滿足用戶使用同時，達到節能的目的。根據采集的空調系統冷(熱)水及供、回水溫度和壓力、流量以及環境溫濕度，能效控制器計算空調實際負荷，確定機組啟、停臺數。當空調實際負荷超出機組運行負荷時啟動備用機組，當空調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，根據采集的室外環境溫濕度自動調整主機的出水溫度設定，并且根據系統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測功能:冷、熱負荷預測及室內外溫濕度監測，優化機組運行臺數與出力分配；空氣源熱泵主機的啟/停狀態、運行時間、參數超限和故障報警記錄；運行模式的自轉換/季節模式設定、修改和人工轉換；電動閥開關、調節顯示；空氣源熱泵主機的電量、水量計量及電、水費自動記錄。系統框圖如圖3所示。

圖3 空氣源熱泵空調節能云控管理系統

4.3 空調水系統節能控制與監測

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

表2 長沙西站熱泵機組、空調水泵控制配電一體化互聯接線

4.4 空調機組節能控制與監測

空調機組強弱電一體化控制箱，內嵌專業空調機組控制算法，采集所控區域的環境參數和空氣質量，動態調整新風量。根據現場運行條件或控制設定，動態調整工作模式。通過設置的溫度傳感器、濕度傳感器、空氣質量傳感器、壓力開關、低溫斷路器等現場控制器采集信息，對采集的信息進行綜合分析，對空調機組進行專業節能控制。空調機組節能控制系統見圖4。

圖4 空調機組節能控制系統

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

5 結束語

隨著我國大力提倡節約型社會理念，鐵路建設方向的節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，空調系統用電量高，空調強弱電一體化控制系統與常規的空調控制系統相比較，既具有常規控制系統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，甚至還可以實現系統故障的自行修復，能夠實現長沙西站的水循環系統、空氣源熱泵機組、空調機組的大幅節能降耗。本系統在滿足使用功能的要求下，為本高鐵站房的節能、降碳提供了有效保障。本文結合工程實際，系統闡述了強弱電一體化設計方案在空調系統中的應用，其最終的節能效率有待于運營后進一步驗證。