中央空调节能技术改造在大中型客运站的应用分析

郭 浩 王伟晗 尹守迁 常福跃 陈志春 曹 斌 王清成

1.上海应用技术大学;2.上海铁路局;3.上海蕊云电子科技有限公司

0 前言

近年来，我国铁路建设处于高速发展时期，新站处于建设过程的同时既有客站也在改造过程中。根据交通运输部的统计数据，2016年中国铁路总里程达到12.4万公里，预计2020年达到20万公里。据统计，公共建筑的全年电耗是居住建筑的10～15倍，而交通枢纽类建筑用能强度在公共建筑中位列第二，仅次于商业建筑。铁路客运站作为交通枢纽的重要组成部分,具有建筑面积大、窗墙比高、人员流动性大、照明系统复杂等特点。上述特点都会在一定程度上增加候车室内的空调供暖负荷,由此进一步增加了对电能、天然气、水等能源的消耗。因此，研究客运站中央空调系统的节能技术对铁路系统节能降耗具有重要意义。

近年来，新建的大中型铁路客运站呈现出单体面积越来越大、部分新建车站人员密度少及单位面积能耗大的特征。本文通过中央空调系统运行的现状及部分客运站实地调研，选取温州南站分析中央空调智能节电系统在客运站中的应用及节能效益的分析。

1 系统运行机制

中央空调控制系统在夏季由于外界气温较高,需要进行制冷,因此使用夏季制冷回路对管道回水通过蒸发器冷却塔等设备进行降温。而在冬季,由于外界气温较低,需要加热,因此使用采暖回路对水温进行加热以提高室内温度。通常的中央空调系统使用水作为传递温度的媒介,以空调水泵提供动力,通过提高水压来调节水循环速度,将管道水流推送至分水器,再由分水器将冷水或者热水分送至各个房屋或者负载。经过房屋或者负载已使用过的管道水再次通过集水器进行统一回收至主送水管道,最终流经冷却或者加热端,完成一次水循环。

2 中央空调系统运行现状分析

对于中央空调而言，目前普遍情况下的使用是预先设置好主机的工作状态后让其自主运行。首先，对于预先设置的状态是否合理仅靠人为经验或主观判断。在运行过程中，若用户感觉冷或热的时候通常去调节末端设备（如风机盘管）的工作状态，来达到理想效果，而此操作对于主机的运行状况丝毫没有影响；如：空调主机在设置好的状态下运行，用户觉得温度较低就把风量关小或温度调高，而这只是改变了末端的热量交换的设置，并不能让主机输出功率降低，主机仍然在正常制冷输出，这就造成了能量的浪费。

其次，即使有部分空调会根据回水温度与设置的回水温度做比对，从而去调节出水温度，但大型中央空调水系统循环的周期是比较长的。周期较常可能环境所需温度已经发生了多次改变，主机接收到的是滞后调节需求信息，而且水温在运行过程中的损耗更是无从计量的，因此主机无法高效工作，存在大量浪费。即使有管理人员进行管理，根据环境温度需求的改变去调节主机工作状态，但也多凭主观判断去调节。另外，外部环境是动态的，要靠主观了解各个环节的温度动态变化，难以做到及时性和准确性，而主观的调节更缺乏合理性。因此，中央空调主机能耗节能存在较大的节能潜力。

3 中央空调主机智能节能系统介绍

基于中央空调主机是主要的耗电设备，由于人为管理的不及时可能造成电能的浪费。中央空调主机智能节电系统提供了很好的节电解决办法：智能管理系统。中央空调主机智能节电系统的基本原理是把空调主机以往的工作方式，改变成根据使用环境的需要来进行合理匹配调节工作的方式，让所有供给都反映为实际需求，从而不浪费供给，达到节能的目的。

3.1 中央空调主机智能节电系统原理

以用户末端温度需求为主机功率输出依据。用户末端所需温度设定后，室内末端会因人流量增减而产生热源变化、出/回水管线长短、水管保温是否良好、水的流速和室外天气温度变化等因素，均会导致出现多种变量而造成负荷的不同。智能节电管理系统根据各种变量的变化，实时动态调节主机负载，以满足末端负荷的需求。使主机的能耗可以快速、准确、合理、适度加减载，直接与末端需求相适应。通过对中央空调系统末端的动态监测，并参考室外温湿度，室内环境温度需求，实现空调主机负载率跟随末端负荷需求而同步变化。从单纯生产变成以需定产实现节能目的。智能节电管理系统平台管理模式如图1所示。

图1 智能节电管理系统平台管理模式示意图

3.2 中央空调主机智能节电系统的实现方式

运用先进的大数据计算工具对内、外部环境温度变化值、终端温度需求值和空调主机运行方式的输出值进行科学计算，在满足需求的同时从能耗最低的角度建立相匹配的数据模型。（该系统有自学习的能力，通过每一个项目在不停地进行，在新的模型建立过程中，对于已存在的模型进行修正，目前已达数百种模型。）形成数据模型库。实际应用时，通过各个传感器采集所需的一切环境温、湿度变化情况，结合设定的温度需求，从数据模型库里快速匹配出最佳运行方案，直接将最合理的运行参数给主机，主机按此调节负载，确保空调主机始终处于最优化、最合理、最节能的运行状态，始终以最小的能耗满足使用需求。从而达到节能目的。

3.3 中央空调主机智能节电系统（专家系统）

智能节电管理系统是一套可远端也可近端操控的“专家系统”，有别于市场上多数以设备为中心的解决方案，此平台是以用户为中心，随时调控空调主机的运转，让空调主机运转保持在最有效率且节能的状态，该系统的精细化管理结构如图2所示。

图2 系统的精细化管理结构

3.4 中央空调主机智能节能系统优化管理的使用

中央空调主机智能节电系统利用云技术建立云平台集中统一管理。管理平台设定密码供被授权人员登入。系统的控制器和数字电表等可支持RS485接口，统一于网路环境下进行管理。系统管理人员可以通过各种网络终端设备（包括移动终端设备）即时掌握空调主机运行状况的所有信息。

各设备管控设定皆经由服务器下载至各设备控制器，当服务器离线时，已设定的设备皆可自行运作，不受系统离线影响。若当服务器与控制器连线后，服务器可立即将待派送之指令自动传送，不需再由管理者再次手动执行。各设备和环境状态等相关信息，均透过网络上传至系统平台。当空调主机工作状态设定超出合理范围时，提供管理人员手机短信报警功能。

“中央空调主机智能节电管理系统”是通过采集末端和室外的温、湿度变化信号，经过服务器AS4N分析和运算，给出控制信号到控制器GCRE，控制器控制主机按原厂自有的逻辑调节空调负载。把空调主机和末端直接、统一管理，实现了中央空调系统的协调、即时运行和综合性能优化。智能节电管理系统的核心就是数据库和策略库。如图3所示。

图3 智能节电管理系统模型框图

4 中央空调主机智能节电系统架构与功能说明

中央空调主机智能节能系统利用云端网络建立管理平台，控制器与管理服务器双向传输。系统的控制器和数字电表等可支持RS485接口，接到主机加/卸载控制柜。系统管理人员可以通过各种网络终端设备（包括移动终端设备）即时掌握空调主机运行状况的所有信息，示意图如4所示(注：此图仅供参考与示意，实际架构以设备数量为主)。

图4 空调主机系统介接架构（示意图）

（1）空调用电盘数字电表之安装、测试及建置。（2）空调主机控制器之安装、测试及建置。（3）空调主机出/回水温度传感器之安装、测试及建置。（4）智能节电管理系统平台之安装、测试及建置。（5）智能节电管理系统平台使用、管理之教育训练。（6）系统之升级、维护及保固。

5 温州南站概况及空调改造必要性分析

温州南站位于浙江省温州市瓯海区潘桥街道。隶属中国铁路上海局集团有限公司宁波车务段管辖，现为一等站。温州南站是一座现代化的综合交通枢纽，外形大气美观。总用地面积190 368m2，其中铁路站房71 209 m2，绿地面积60280平方米，公交及辅助管理用房5 500 m2，公交站和地下车库36 115 m2，公交用地17 264 m2。

5.1 温州南站中央空调设备及运行情况

温州南站共有9台开利螺杆式风冷热泵机组，服务对象为1号候车室的一楼候车区、二楼候车区、休息区、贵宾区、办公区及站内商铺等。中央空调主机位于站房南侧地面平台（距站房约60m）位置。该站中央空调系统主要能耗设备及其主机参数见表5-1和表5-2。

5.2 目前使用情况

平峰期(5-6月）：中央空调会开4～5台风冷热泵机组，配合一次泵开启3台，二次泵开启4台，投入运行的空调箱4～5台，同时根据1号候车区温度的高低适当增减投入运行的台数。

高峰期（7月-9月）：中央空调会开6～7台风冷热泵机组，配合一次泵开启4台，二次泵开启8台，空调箱9台全部投入运转。站内维保人员依靠经验值来保证候车区温度控制在25℃～30℃范围内。为达到候车区温度要求，维保人员工作量很大，每过段时间就要测各区域环境温度，再对设备做适当调整。

预估主机年用电量见表5-3所示。

表5-1 温州南站中央空调设备情况

表5-2 空调主机参数

表5-3 温州南站耗电量统计表

6 改造方案及布置图

根据现场调研，提出改造所需设备及平面布置图，如表6-1及图6-1所示。

7 结论

本文对温州南站中央空调主机进行智能节电系统改造，使用环境温度保持与原来进行节能改造前完全一致的情况下，改造后可以获得收益：

直接效益：经现场实地综合勘查，中央空调主机的平均节电率约为15%，根据用电量估算可节约70万元/年；系统设计使用寿命15年，共节电费约1 050万元。

间接效益：(1)进行智能节电系统改造后，可节省管理人员约2人左右，今后15年时间，工资、社保等以10万/人年估算，共节省人力成本300万元。第二，空调系统在智能运行的同时，对运行状态有详细的数据记录，节省了运维人员的精力；系统依据环境需求而工作，可以减少不必要的工作强度，间接的减少了故障率，延长空调使用寿命。与此同时每年可减少生产电力所发生的二氧化碳、二氧化硫的排放，降低空调制冷设备消耗臭氧层的物质排放，为资源节约、环境友好型社会做出贡献。

表6-1 改造所需设备表

图6-1 改造布置图