鐵路車站建筑的樓宇自控系統(tǒng)與節(jié)能技術(shù)探討

鐵路車站建筑的樓宇自控系統(tǒng)與節(jié)能技術(shù)探討1緒論自1997年起，我國鐵路開始跨入高速時代，鐵路客貨運輸負(fù)荷驟然上升，全網(wǎng)運輸能力顯得尤為緊張。為擴(kuò)大我國鐵路網(wǎng)規(guī)模，2004年國務(wù)院會議通過的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，明確提出了到2020年，鐵路營業(yè)里程由100000km調(diào)整為120000km，其中客運專線由12000km調(diào)整為16000km。由此可見，在今后的10年內(nèi)，我國鐵路行業(yè)的建設(shè)規(guī)模將相當(dāng)可觀?；疖囌咀鳛榇笮徒煌屑~公共建筑，其能耗一直居高不下，因而無論是創(chuàng)建低能耗的火車站還是對現(xiàn)有火車站進(jìn)行節(jié)能的改造都具有重大的社會與經(jīng)濟(jì)意義。本文將從火車站建筑的特點出發(fā)，對其空調(diào)系統(tǒng)及照明系統(tǒng)的控制難點進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的節(jié)能控制措施，并介紹某鐵路樞紐車站的樓宇自控解決方案。2火車站建筑的特點新型大中型火車站房由高架層、站臺層、出站層3個基本平面層組成。高架層一般用于為旅客提供寬敞舒適的候車環(huán)境；站臺層多用于旅客進(jìn)站、售票等，可容納、緩沖大客流，進(jìn)站廣廳多設(shè)計成高大空間；出站層多為旅客出火車站通道及設(shè)備安放點?；疖囌居兄c辦公樓、酒店、藥廠等建筑不同的，獨特的建筑結(jié)構(gòu)，因而其空調(diào)控制與照明控制的需求及相應(yīng)的控制策略皆有獨特的特點。作為重要的大型交通運輸建筑，火車站由多種功能各異的房間，如進(jìn)站廣廳、候車室、售票室、車輛用房、辦公室、車間等組成。這些房間各有不同的服務(wù)對象和工作職能，因而對環(huán)境的要求也各不相同?！惰F路房屋暖通空調(diào)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（TB10056-1998）對各類房間的冬夏季室內(nèi)設(shè)計溫度做出了相關(guān)的規(guī)定?；疖囌镜牧硪伙@著特點是人流量大且人流密度變化速度快，空調(diào)負(fù)荷變化大?；疖囌镜娜肟诖髲d、聯(lián)系通道等區(qū)域均為敞開式設(shè)計，近年來多采用大面積的玻璃幕墻，這些都造成了冷熱負(fù)荷大、能耗高的影響。高大空間的站房、進(jìn)站廣廳等處的空氣調(diào)節(jié)，條件允許時可采用分層空氣調(diào)節(jié)的方式。采用這種方式，靠近屋頂處或不對人體舒適感構(gòu)成影響的上層空間是無需進(jìn)行溫濕度控制的，因而可以節(jié)省大量的空調(diào)能耗。對于高大空間而言，引入照明控制是提高照明環(huán)境舒適度的直接方法，同時也是節(jié)省照明能耗的有效途徑。白天時應(yīng)充分利用自然光照，用照度傳感器監(jiān)測環(huán)境亮度，通過控制來調(diào)節(jié)照明回路，避免長時間不必要的照明浪費。綜上所述，火車站的特殊性主要表現(xiàn)在以下三個方面：◆環(huán)境要求差異大；

◆人流量大，人流密度變化快，空調(diào)負(fù)荷大；

◆敞開式入口、大面積玻璃幕墻與高大空間等造成能耗大。智能化的樓宇控制是滿足鐵路車站建筑控制要求的基礎(chǔ)，也是解決能耗問題的核心手段之一。下面，本文將結(jié)合某鐵路車站案例，針對上述特點，提出樓宇自控解決方案，并探討節(jié)能控制措施。3工程概況某鐵路車站是我國鐵路“十一五”規(guī)劃客運專線上最大的客運站，省城十大建筑之一，距市中心約8km，占地面積42.7公頃。新建車站總建筑面積達(dá)206000m2，主要分為東、西兩個站房，共有四層，分別為出站層、站臺層、高架層和設(shè)備夾層。室內(nèi)設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計上考慮了火車站的特點一（如表1所示）。車站樓宇控制系統(tǒng)主要由冷熱源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、送排風(fēng)系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)等幾個子系統(tǒng)組成。4暖通節(jié)能技術(shù)該鐵路車站的冷熱源設(shè)備位于出站層。冷源系統(tǒng)由東站的2臺地源熱泵與西站的3臺地源熱泵組成。熱源系統(tǒng)由東站2臺熱交換器和西站4臺熱交換器組成，接城市熱網(wǎng)集中供熱；當(dāng)熱量不夠時可啟動?xùn)|站的2臺地源熱泵機(jī)組與西站的3臺地源熱泵機(jī)組為建筑物供熱。地源熱泵技術(shù)是國家重點推廣的節(jié)能新技術(shù)，應(yīng)用地源熱泵是鐵道部的一項重要的節(jié)能措施。這種空調(diào)系統(tǒng)的工作原理是把高強(qiáng)度塑料管埋在地下，利用水與土壤中的熱量進(jìn)行冷熱交換。它以地能為熱泵的冷熱源：冬季把地能中的熱量取出來，供給室內(nèi)采暖，此時地能為熱源；夏季取出室內(nèi)熱量，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為冷源。具體工作原理如下：夏天，熱泵中的冷媒在冷凝器中吸收地埋管循環(huán)水的冷量，與流過蒸發(fā)器的熱水進(jìn)行熱交換，連續(xù)不斷地使用戶回水降溫到7~12℃；冬季，熱泵中的冷媒在蒸發(fā)器中吸收地埋管循環(huán)水的熱量，與流過冷凝器的冷水進(jìn)行熱交換，對用戶用水的回水放熱，令其升溫到45~50℃。冬夏季工況下地埋管循環(huán)水與空調(diào)用水走向的切換可利用水閥實現(xiàn)，如圖1所示：夏季V1、V3、V5、V7開，V2、V4、V6、V8關(guān)；冬季V1、V3、V5、V7關(guān)，V2、V4、V6、V8開?？照{(diào)系統(tǒng)主要由4臺組合式全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組、31臺組合式空調(diào)處理機(jī)組、5臺VRV機(jī)組、3臺恒溫恒濕機(jī)組組成。全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組服務(wù)于候車大廳和醫(yī)務(wù)室，控制原理如圖2所示。由于高架層候車廳全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組處理的空氣為100%室外新風(fēng)，能源消耗大，運行成本高，因而利用熱回收裝置回收排風(fēng)的大部分熱量，達(dá)到節(jié)能的目的。為保證熱回收機(jī)組高效運行，在新風(fēng)入口和出口以及排風(fēng)入口處分別設(shè)置過濾器，以便有效改善熱回收機(jī)組經(jīng)常出現(xiàn)的臟堵問題，確保熱回收效率并大幅提高送風(fēng)空氣品質(zhì)。組合式空調(diào)處理機(jī)組服務(wù)于進(jìn)站大廳、出站大廳、辦公室與商店等區(qū)域。末端為電動風(fēng)閥，冬季時風(fēng)閥關(guān)閉，由室內(nèi)暖氣片供暖；當(dāng)熱量不足時，可開啟熱泵制熱。由于末端風(fēng)閥的開關(guān)和人流量的大幅變化會導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷的變化，針對火車站特點二，本工程的組合式空調(diào)處理系統(tǒng)采用定靜壓變頻控制方式。該控制方式的基本原理是在風(fēng)機(jī)到最遠(yuǎn)端距離的2/3處安裝靜壓傳感器，以維持該點靜壓恒定為前提，通過不斷調(diào)整送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來改變空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量。與定風(fēng)量空調(diào)相比，采用該控制方式的空調(diào)可使室溫波動更小，既能大幅提高舒適度，還能有效節(jié)省能耗。VRV機(jī)組服務(wù)于門廳、信息機(jī)房等區(qū)域。恒溫恒濕機(jī)組服務(wù)于化驗室、票務(wù)系統(tǒng)機(jī)房和主機(jī)房。針對火車站特點三，在敞開式門上設(shè)置了風(fēng)幕，此舉能有效減少室外空氣與室內(nèi)空氣的熱交換，是敞開式大空間節(jié)能的常用方法之一。5節(jié)能技術(shù)的具體實現(xiàn)除了暖通系統(tǒng)，一套功能全面、設(shè)計合理的樓宇自控系統(tǒng)也能為火車站的節(jié)能做出巨大貢獻(xiàn)。樓宇自控系統(tǒng)可有效提高對火車站能耗的控制力，通過數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理，有效掌握建筑物能源分配及各類環(huán)境、設(shè)備因素對能耗的影響；可提供節(jié)能空間分析服務(wù)，并在能源改造過程中隨時跟蹤投資、預(yù)測投資回收期；通過冷水機(jī)組啟停優(yōu)化控制策略、空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫濕度控制策略，以及CO2濃度控制、時間表、報警等功能可大幅提高火車站能效，有效降低能耗。（1）冷水機(jī)組啟停優(yōu)化控制之前分析的火車站特點二表明此類建筑能耗大，因此，冷水機(jī)組的增減顯得尤為重要。根據(jù)車站所需冷負(fù)荷及實際冷負(fù)荷，通過自動調(diào)整冷水機(jī)組運行臺數(shù)，可獲得最佳節(jié)能效果。車站所需冷負(fù)荷為：

Q=c×m×（T1－T2）

式中，c為水的比熱容，單位為kJ/（kg·℃）；T1為回水管溫度，T2為供水總管溫度，單位為℃；m為回水質(zhì)量，單位為kg。由冷水機(jī)組工作特性曲線（如圖3所示）可知，冷水機(jī)組能效比最高時，負(fù)荷約為80%，而非滿負(fù)荷。因而從節(jié)能角度出發(fā)，冷水機(jī)組的控制邏輯是當(dāng)負(fù)荷大于單臺機(jī)組的95%時，開啟第二臺機(jī)組。（2）空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫濕度控制通常，針對純滯后較大的回風(fēng)溫、濕度參數(shù)，為避免響應(yīng)速度慢導(dǎo)致重復(fù)調(diào)整，我們采用串級控制回路對其進(jìn)行控制，如圖4所示。其內(nèi)環(huán)控制是通過焓值算法控制送風(fēng)溫度及濕度，外環(huán)控制（SPRA設(shè)定值重設(shè)）即通過操作員手動或BMS自動對送風(fēng)溫度及濕度的設(shè)定值進(jìn)行重設(shè)。這種控制回路與普通的反饋回路相比，錯開了與主對象的時間常數(shù)距離，從而提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，顯著提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量?；仫L(fēng)溫/濕度低于設(shè)定下限，且維持時間超過預(yù)設(shè)的時間死區(qū)，則送風(fēng)溫/濕度設(shè)定值將自動增加一個偏移量；回風(fēng)溫/濕度超出設(shè)定上限，且維持時間超過預(yù)設(shè)的時間死區(qū)，則送風(fēng)溫/濕度設(shè)定值將自動減小一個偏移量。在大空間內(nèi)，回風(fēng)溫度不能充分反映各個區(qū)域的實際環(huán)境情況?？筛鶕?jù)各區(qū)域的實際溫度控制末端VAV的送風(fēng)量，從而滿足不同區(qū)域的溫度要求。對于大空間建筑，如果送風(fēng)口設(shè)置在吊頂上，冬季送出的熱空氣需要極大的出口風(fēng)速才能到達(dá)人流活動區(qū)，否則極易形成氣流死循環(huán)。因此，為提高控制效果、節(jié)省能耗送風(fēng)口宜設(shè)置在墻壁側(cè)面。（3）過渡季免費制冷與夜間換氣空調(diào)可在過渡季節(jié)充分利用室外新風(fēng)對室內(nèi)空氣進(jìn)行處理，在夜間利用室外新風(fēng)對室內(nèi)進(jìn)行換氣，既能節(jié)省能源，又能有效提高室內(nèi)的空氣品質(zhì)。（4）CO2濃度監(jiān)測通過監(jiān)測車站內(nèi)特定區(qū)域的CO2濃度控制組合式空調(diào)處理機(jī)組的新風(fēng)閥與回風(fēng)閥開度，可在滿足空氣品質(zhì)的前提下，有效降低新風(fēng)量，從而節(jié)省下處理非必要新風(fēng)所需的那部分能耗。（5）照度監(jiān)測在車站內(nèi)靠近外墻和窗戶的區(qū)域安裝感光器，探測最低照明等級，根據(jù)探測結(jié)果調(diào)暗或關(guān)閉照明燈具。借助于電動外遮陽設(shè)備可在強(qiáng)日照下滿足工作面照度要求，同時減少室內(nèi)與室外的輻射熱交換。（6）與信息系統(tǒng)的結(jié)合許多機(jī)場的樓宇自控系統(tǒng)往往與航班信息系統(tǒng)緊密結(jié)合在一起。筆者認(rèn)為，車站的照明與空調(diào)系統(tǒng)也可適當(dāng)參考車次時間表當(dāng)車次或人流減少時，在保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的前提下，適當(dāng)減少新風(fēng)機(jī)的開啟時間和送風(fēng)量，可降低冷熱負(fù)荷損失。6系統(tǒng)架構(gòu)該車站工程設(shè)備眾多，設(shè)備比較分散，通過采用施耐德電氣TACVista樓宇自控系統(tǒng)（如圖5所示）對站內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備進(jìn)行集中管理和優(yōu)化控制，最終實現(xiàn)了各種機(jī)電設(shè)備工作的協(xié)調(diào)有序。本工程樓宇自控系統(tǒng)由兩級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成：一級網(wǎng)絡(luò)是10M/100M以太網(wǎng)；二級網(wǎng)絡(luò)為LonWorks現(xiàn)場總線網(wǎng)。這種結(jié)構(gòu)可以提供高速的通信能力，使管理人員在中央控制室就能全面了解本工程各類設(shè)備的運行情況，并進(jìn)行實時控制；而且易于進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足系統(tǒng)容量的要求。這種兩級網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式是合理、安全的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，能夠?qū)⒁蛴布收蠈ο到y(tǒng)運行造成的影響降到最低，最適合以集散控制為特點的樓宇自控系統(tǒng)，為多數(shù)樓宇自控廠商所采用。所有DDC控制器均在被控設(shè)備機(jī)房內(nèi)就近安裝?？刂破髋c現(xiàn)場前端設(shè)備信號聯(lián)接線的聯(lián)接在機(jī)房內(nèi)部完成。DDC控制器在本地對被控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，包括實時檢測現(xiàn)場設(shè)備的信號，根據(jù)控制器里內(nèi)置的程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行控制，并將設(shè)備運行或報警信息上傳給樓宇自控系統(tǒng)中央工作站。中央工作站對收集到的信息、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理，包括實時數(shù)據(jù)的圖形顯示，歷史數(shù)據(jù)的查看，各種實時報警的處理，各種報告的察看和打印，系統(tǒng)的配置，系統(tǒng)的編程等。這種集中管理、分散控制的模式既實現(xiàn)了對大型建筑機(jī)電設(shè)備的有效管理，又將控制功能分配給本地DDC控制器，消除了集中控制方式的隱患，即一旦中央控制設(shè)備出現(xiàn)故障將無法實現(xiàn)對所有機(jī)電設(shè)備的控制。如圖5所示，管理層由中央監(jiān)控電腦配以Vista系列軟件和兩臺網(wǎng)絡(luò)路由器組成；控制層則由各種控制子站（DDC）連接而成，設(shè)備及具體位置如表2所示?？刂破髦g以LonWorksFTT-10總線方式互聯(lián)，控制器與中央計算機(jī)以普通雙絞線通過IP接口連接，IP控制器與中央計算機(jī)通過以太網(wǎng)方式互連，智能控制器則直接與現(xiàn)場控制元件、傳感元件連接。Vista系統(tǒng)的這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了“分散控制，集中管理”的控制模式，具有高可靠性、靈活性、先進(jìn)性。

1、系統(tǒng)總體性能(1)先進(jìn)性。采用APOGEE系統(tǒng)樓宇自控系統(tǒng)，實現(xiàn)所屬各類設(shè)備的集中管理和分