虹桥站中央空调水系统智能管控的经济性分析

杨燕华 边晨 上海铁路局科研所

虹桥站中央空调水系统智能管控的经济性分析

杨燕华 边晨 上海铁路局科研所

介绍上海铁路局22个大型客站能耗概况。以虹桥站为例，阐述中央空调水系统智能管控的原理，对中央空调水系统智能管控的经济性进行分析，通过智能管控，改善大型客站高能耗的缺陷，降低大型客站的无效功的损耗，提高客站运输经营的经济效益。

中央空调水系统；智能管控；经济性分析

1 虹桥站能耗概况

虹桥站是全国铁路客运中心之一，具有功能全面、大空间、客流大、交通便捷、全天候运营等特点，这些特点决定了虹桥站不能以降低服务质量为代价而减少能源使用，而是通过能效管理节能降耗，提高能效，即用更少的能源投入提供同等或更佳的能源服务效果。

2013 年上海局22个大型客站总能耗4.16万t标煤、总耗电量1.47亿kWh、旅客人均电量0.968kWh；2013年虹桥站总能耗4300t标煤，总耗电量3499万kWh，旅客人均电量1.058kWh，2013年度虹桥站占全局22个大型客站总能耗的10.3%、总电量的23.8%，且旅客人均电量高于全局22个大型客站的平均数。虹桥站能耗主要用于空调、照明、电梯等设备，其中空调占53.59%、照明占21.85%、电梯占12.5%、其他占10.8%，因此降低虹桥站空调能耗是关键。

目前，虹桥站已初步建立了能源管理系统，但只停留在对能耗的监测、分析水平上，未能实现对能耗的管控。所谓能源管理系统，是对建筑物的变配电系统、空调系统、供热系统、照明系统、电梯系统、给排水系统等能源使用状况运行管理和能耗管理控制的软硬件系统的统称，实现对能耗的监测、分析和管控、从而大大降低无效能耗，达到提高能效的目的。

2 虹桥站中央空调水系统智能管控原理

中央空调水系统智能管控是采用先进的计算机技术、系统集成技术和变频调速技术，科学地解决中央空调能量输出与末端负荷需求变化的动态平衡关系，可最大限度地减少空调系统的能源浪费，达到最佳节能目的，是能源管理系统子系统的一个重要项目。

中央空调水系统智能管控主要是对中央空调冷冻水系统、冷却水系统、热水系统等各个环节进行全面控制。

系统的控制方框如图1所示。

图1 水系统控制方框图

通过反馈值与设定值的比较，在一定的算法下来控制电机。

下面依据控制方框图、水泵特性曲线分析控制原理的可行性。水泵在转速控制时，流量Q、扬程H、轴功率N之间关系为：

由于轴功率与转速的立方成正比，当水泵速度下降时，其功率将以立方根方式大幅下降，因此通过调节水泵的转速可以充分节能，其控制特性曲线如图2所示。

图2 水泵特性曲线图

根据水泵的特性曲线可以看出，在不变频时，若流量增大，扬程会降低；若流量减小时，扬程会升高。即用户用水量的变化会不断引起管网水压的上下波动。

变频时，流量由QA减小到Q1时，压力会上升到B'。传感器检测到压力转换为电信号，并送至PLC进行PID运算同时与设定值进行比较，将输出值送至变频器进行VVVF控制，自动调节变频器的输出频率，从而使水泵转速下降至n1处，从而使压力维持在恒压线处，这样不仅可以保证管网的压力，而且节省了BB'、CC'这一段量程了。这也是节能的基础原理。

3 节能经济分析

因为变频器能够根据压力变化随之调整水泵电机的转速，在满足正常工作的情况下使水泵作出相应调节，以达到节能的目的。由于水泵属于平方力矩负载。假设流量从QA减小到Q1，转速从n0减小到n1，首先从理论公式上去分析：

其中P0为原电机在n0转速下的点击电机消耗功率。由上式可以看出流量的减少与转速减少的一次方成正比，单功耗的减少却与转速减少的三次方成正比。

工频时，水泵满负荷运行，流量为100%，耗能也100%；如果采用变频转速降低10%，由（2）式△Q=QA[1-(n1/n0)]= 100×[1-(90/100)]=10可得出流量改变了10%，但功耗由（1）式△P=P0[1-（n1/n0）3]=100[1-（90/100）3]=27.1可以得出，功率将比原来减少27.1%。

按照理论计算，其具体对应关系如表1所示。

表1 转速与功率对应关系

由此可见水泵电机转速下降，电机从电网吸收的电能就大大减少。

现在就一台90kW的一次冷水泵为例，虹桥站水泵年平均制冷天数为120天，每天运行18h，那么每年消耗电能为90×120×18=194400kWh。

采用变频控制后，假设中午满负荷运行，流量为100%，总共为3h；夜间比较凉爽，只要保证最小流量即可，流量就算为60%，总共3h。具体流量比及时间如表2。

表2 流量比与时间

由前面的公式可以计算出使用变频器后实际消耗电能：90×120×（13×3+0.93×3+0.83×5+0.73×4+0.63×3）=105483.6kWh每年可以节约电能194400-105483.6=88916.4kWh，节能达到45.74%。按每度电1.074元，则可以节省费用95496.2元。

根据此计算方法，按照虹桥站制冷期间水系统设备运行情况，可以得出表3。

表3 制冷期水泵节电量

同理，虹桥站的供暖期约为120天，每天运行18h，按照虹桥站供暖期水系统设备运行情况，，可以得出表4。

表4 供暖期水泵节电量

由上面两张表格可以看出，中央空调的水系统实现管控后在一个制冷期内可以节省电量1617279.5kWh；在一个供暖期内可以节省电量576110.52kWh，一年可以节省的总电量为2193389kWh。这是个相当可观的数字，而且流量计算是相对保守的。同时，由于中央空调的机组以及风系统都是与水系统一起随动的，故在水系统节能的同时，机组与风系统能节省更大的电量，这对整个中央空调系统的节能效果起到了至关重要的作用。

实现中央空调水系统的智能管控，还能带来一定的经济附加值，对机组有保护作用（减少满负荷运作的时间），延长水系统使用寿命，控制系统自动化程度也相应提高。

4 结论

现阶段铁路行业处于高速发展时期，沪宁城际、京沪高沿线的旅客日发送量更是达到了饱和状态，大型客站的能耗普遍很高，其中上海局中央空调系统所占的比例将近72%，所以中央空调水系统智能管控的随动性就变得尤为重要了，为全面实现中央空调智能管控提供了借鉴，为大型客站建立能效管理综合平台提供了基础。

中央空调水系统智能控制技术的运用不仅可以大幅降低无效功的损耗，还能对出水温度、回水温度进行精密控制，提高客站候车厅的舒适度、提高旅客候车环境的品质，体现了铁路人民一心为人民，同时工作上又精益求精的宗旨，这将会为铁路的运输事业以及国家的发展带来更大的社会效益。

责任编辑：宋飞 于建明
来稿时间：2014-11-19