铁路车站建筑的_楼宇自控系统与节能技术.pdf

圜 建 No ． 1 V o 1 ． 2 S e r i a I No ． I 3l 2 0 1 I 铁路车站建筑的楼字 自控 系统 与节能技术 与 月 E 仅／ 卜 贾坚萍 ， 程大章 ， 孙靖 1 ．同济大学 社区信息化与智能建筑研究中心，上海2 0 0 0 7 0 ； 2 ．施耐德 电气 中国 投资有限公 司，上海2 0 0 2 3 3 摘 要 研究了火车站建筑的特殊性以及空调与照明系统的控制难点。以某火 车站工程项目为例。 介绍了车站概况及其暖通系统设计。并针对火车站建筑的三 大特点， 提出了相应的节能控制策略及楼宇 自控解决方案， 可为其他铁路车站项 目设计提供参考。 关键词 高大空间； 铁路车站； 楼宇自控系统； 节能技术； 暖通设计； 空调 中圈分类号 r l j 8 5 5文献标 志码 B文章编号 1 6 7 4 8 4 I 7 2 0 1 1 0 1 4 0 0 6 4 5 0 引 言 自1 9 9 7年起 ， 我 国铁路开始进人高速时代 ， 在今后几年内， 我国在铁路行业的建设规模将非 常可观。火车站作为大型交通枢纽公共建筑 ， 其 能耗一直居高不下， 因而无论是创建低能耗的火 车站， 还是对现有火车站进行节能改造， 都具有 重要的社会与经济效益 。 本文从火车站建筑的特点出发， 对空调系统 及照明系统的控制难点进行 了分析 ， 继而提出相 应的节能控制措施。最后 结合某铁路枢纽 车站 案例， 给出了该项 目的楼宇自控解决方案。 l 火车站建筑的特点 新型大中型火车站房一般 由 3个基本 平面 层组成 高架 层 、 站 台层 、 出站层 。区别 于办 公 楼、 酒店、 药厂等场合， 火车站因其独特的建筑结 构， 空调控制与照明控制及相应的控制策略皆有 独特的要求。 火车站作为重要的大型交通运输建筑， 由多 种功能各异的房间组成 ， 如进站广厅、 候 车室 、 售 程大章 1 9 5 1 一 ， 男 。 教授， 研究方 向为智能控制与城市信息化。 孙靖 1 9 7 7 一 ， 男 。 研究方 向为智能建筑 电气技术。 6 楼 i - l ， I 动化 贾坚萍 1 9 8 6 一 ， 女 ， 硕 士 研 究 生， 研 究方 向为控 制理论 与控 制 工程 。 票室 、 车辆用房 、 办公室 、 车间等 。由于各 自服务 的对象不同、 工作职能不同， 因而环境要求也各 不相同。T B 1 0 0 5 6 --1 9 9 8 { 铁路房屋暖通空调设 计标准 中对各类房间的冬夏季室 内设计温度都 有相关规定 。 火车站另一显著特点是人流量大， 且人流密 度变化速度快 ， 空调负荷变化大。火车站的人 口 大厅 、 联系通道 等区域均为敞开式设计 ， 近年来 多采用大面积 的玻璃幕墙 ， 导致冷热负荷大 ， 能 耗也非常高。 ’ 高大空间的站房进站 广厅 等建筑物 的空气 调节 ， 条件允许时可采用分层空气调节方式。由 于距离屋顶处或不对人体舒适感构成影 响的上 层空间无需对其进行温湿度控制， 从而可 以节省 大量的空调能耗。高大空 间的照明控制是 提高 照明环境舒适性的直接方法， 同时也是节省照明 能耗的有效途径。白天时应充分利用 自然光照 ， 采用照度传感器监测环境亮度 ， 通过控制来调节 照明回路 ， 避免长时间不必要 的照明浪费。 综上所述 ， 火车站的特殊性 主要表现为以下 3 个方面 ① 环境要求差异大； ② 人流量大， 密度 楼 j 『 I 动化 变化快 ， 空调负荷大； ③ 敞开式入 口， 大面积玻璃 幕墙与高大空间等能耗大。 智能化 的楼宇控 制是满足铁路 车站建筑控 制要求的基础 ， 也是解决能耗问题 的核心手段之 一 。下面结合某铁路车站案例， 针对上述特点， 提出楼宇 自控解决方案 ， 并探讨节能控制措施 。 2工程概 况 某铁路车站是我 国铁路 “ 十一 五” 规划客运 专线上最大的客运站 ， 省城十大建筑之 一， 距市 中心约 8 k m， 占地面积为 4 2 ． 7万 m 。新建车站 总建筑面积达 2 0 ． 6万 m ， 主要分为东 、 西两个站 房， 共有 4层 ， 分别为出站层、 站台层、 高架层和 设备夹层。室内设计符合标准规定， 设计上考虑 了火车站特点 ， 夏冬季温 、 湿度与最小新 风量如 表 1所示 。 表 1 夏冬季室 内设计温 、 湿度与最小新风量 普通候车 室、2 72 8 l 4～1 6 4 0一 - 6 5 8～1 O 旅 售票厅 客 母 婴候 车室、 站 软席候车室 房 贵宾候车室 进站广厅 乘务员公寓、 候 车人员代班室 电算中心 通信机房 信号机房 2 4 ～2 6 l 8 40～60 2 O 2 83 0 1 2 一l 4 4 06 5 2 0 2 6～2 7 l 82 0 5 0～6 5 3 0 2 12 5 l 82 0 4 56 5 2 62 8 1 8 5 07 0 2 62 8 1 8 5 0～7 0 一 车站楼宇控制 系统 主要 由以下几个 子系统 组成 冷热 源系统 、 空调 系统 、 送 排风系统 、 电梯 控制系统、 给排水系统、 照明系统、 变配电等。 3暖通 系统节 能 该铁路车站的冷热 源设备位 于出站层。冷 源系统由东站的 2台地 源热 泵与西站 的 4台地 源热泵组成； 热源系统由东站 2台热交换器和西 站 4台热交换器组成， 接城市热网集中， 当热量 现代 建筑电气 圜 t J l、 f } l _ 2 l 5 , e l i n I No I 3 l 2 0l I 不足时可起动东站 的 2台地源热泵机组 与西站 的 3台地源热泵机组为建筑物供热。 地源热泵属可再生能源， 是国家重点推广的 节能新技术 ， 也是铁道部一项重要 的节能措施。 该系统把高强度塑料管埋于地下 ， 利用土壤中的 热量进行 冷热交换 。它利用水与地能 地下水 、 土壤或地表 水 进行 冷热交换作 为热泵 的冷热 源 ， 冬季把地能中的热量取出 ， 供给室 内采暖， 此 时地能为热 源 ； 夏季取 出室 内热量 ， 释放 到地下 水 、 土壤或地表水 中， 此时地能为冷 源。具体工 作原理如下 夏天热泵中的冷媒在冷凝器 中吸收 地埋管循环水的冷量， 与流过蒸发器 的热水进行 热交换 ， 连续不断地将 用户 回水降温 ， 提供 7～ 1 2 c c的冷水。冬季热泵中的冷媒在蒸发器 中吸 收地埋管循环水的热量， 与流过冷凝器的冷水进 行热交换， 对用户用水的回水放热， 将其升温到 4 5～ 5 0℃热水。冬夏季工况时地埋管循环水与 空调用水 走 向的切换可通过 水阀实现。工作原 理示意图如 图 1所示。夏季 V 1 、 V 3 、 V 5 、 V 7开 ， V 2 、 V 4 、 V 6 、 V 8关 ， 冬 季 V 1 、 V 3 、 V 5、 V 7关 ， V 2 、 V 4、 V 6 、 V 8开 图 I 地源 热泵工作 原理 示意图 空调 系统 由4台组合式全新风空调机组 、 3 l 台组合式空调处理机组 、 5台 V R V机组 、 3台恒 温恒湿机组组成。 全新风空调机组服务于候车大厅和医务室 ， 控制原理如 图 2所示。由于高架层候车厅全新 风空调机组处理 的空气为 1 0 0 ％ 室外新 风 ， 能源 消耗大 ， 运 行成本高 ， 因而提 出采用热 回收装置 回收排风的大部分 热量 ， 达到节能的 目的。为保 证热回收机组高效运行， 在新风人口和出口以及 排风人口处分别设置过滤器， 可有效改善热回收 机组经常出现的脏、 堵问题， 确保热回收效率， 大 大提高送风空气品质。 7 楼 j ． n动化 图 2 全新风空调机组控制原理示意图 组合式空调处理机组服务于进站大厅 、 出站 大厅 、 办公室与商店等 区域 。末端 为开关电动风 阀， 冬季时风阀关闭， 由室内暖气片供暖； 当热量 不足时， 可开起热泵制热。末端风阀的开关以及 大人流量会导致空 调负荷 的变化。针对火车站 人流量大， 密度变化快 ， 空调负荷大的特点 ， 该工 程的组合式空调处理系统采用定静压变频控制。 基本原理 是在风机距最远端 2 ／ 3处安装静压传 感器 ， 以维持该点静 压恒定 为前提， 通过不断调 整送风机的转速来 改变空调 系统 的送风量。与 定风量空调相 比， 室 温波动小， 不仅大大提高 了 舒适度 ， 而且能有效节省能耗 。 。 V R V机组服务于门厅 、 信息机房等区域。恒 温恒湿机组服务于化验室 、 票务系统机房和主机 房 。 针对火车站敞开式人 口， 大面积玻璃幕墙与 高大空间等能耗大的特点 ， 在敞开式门上设置了 风幕， 能 有效减 少室外 空气与 室 内空气 的热交 换 ， 是敞开式大空间节能的常用途径之一。 4 节能技术的实现 除了暖通工程设计 的节能 ， 一套功能全 面、 设计合理的楼宇 自控 系统也能 为火 车站的节能 做 出巨大贡献。楼宇 自控 系统可有效提高 对火 车站设备能耗的控制力 ， 通过数据采集预处理有 效地掌握建筑物能源分配及各类环境、 设备因素 对能耗的影响； 提供节能空 间分析 ， 并在能源改 造过程中随时跟踪投资、 预测投资回收期。通过 冷水机组起停优化控制策略 、 空调 系统送风温湿 度控制 策略 、 C O ，浓度控 制 、 时 间表 、 报警 等功 8 能， 可大大提高火车站能效 ， 有效降低能耗。 4 ． 1 冷水机 组起 停优 化控 制 之前分析了火车站人流量大 ， 密度变化快 的 特点， 表明其能耗大、 负荷波动大， 因而冷水机组 的增减显得尤为重要 。根据车站所需冷负荷及 实际冷 负荷 Q， 通过 自动 调整 冷水机 组运 行 台 数， 可达到最佳节能 目的。 Q C m T 。 一 1 式中C 水 的比热容 回水管温度 供水总管温度 m 回水质量 由图 3所示 的冷水机组工作特性曲线 可知 ， 其能效 比达 到最高 时， 并非处 于满 负荷工作状 态 ， 此时负荷约为 8 0 ％。因而 ， 从节能角度出发 ， 冷水机组的控制逻辑是 当负荷大于单 台机组 的 9 5 ％ 时， 开起第二台机组。 图 3冷 水 机 组 工 作 特 性 曲线 4 ． 2 空调机 组送 风温 、 湿 度控制 通常 ， 针对纯滞后较大的 回风温 、 湿度参数 ， 为避免响应速度慢导致重复调整， 采用串级控制 回路对其进行控制， 如图4所示。其内环控制通 过焓值算法控制送风温度及湿度。送风温度及 楼 F 1 动化 湿度的设定值可以通过操作员手动或 B M S自动 进行重设 ， 即外环控制 S P R A设定值重设 回路 。 该控制 回路与普通的反馈 回路相 比， 错 开了与主 对象的时间常数距离， 从 而加快 了系统 的响应速 度 ， 显著提 高了系统 的控制质量 。回风温 、 湿度 低于设定下 限， 并维持 预设 的时间死 区， 则送风 温 、 湿度设定值将 自动增加一个偏移量 ； 回风温 、 湿度超出设定上 限， 并维持 预设 的时间死 区， 则 送风温 、 湿度设定值将 自动减小一个偏移量 。 图 4空调机 组温湿度 串级控制 回路 在大空间 内采用 回风温度控制 区域环境 的 方法不能充分反映各个区域 实际环境情 况 ， 可通 过各区域 的实 际温度控制末端 V A V的送风量 ， 从而满足不同区域的温度要求。 对于大空间建筑 ， 如果将送风 口设置在 吊顶 上 ， 冬季送 出的热空气需要极大的出 口风速才能 到达人流活动区 ， 否则极易形成气流死循环。为 了提高控制效果 ， 节省能耗 ， 送 风 口宜设置在墙 壁侧面。 4 ． 3过渡季免费制冷与夜间换气 过渡季节时， 空调可充分利用室外新风对室 内空气进行处理 。夜 问可利用室外新 风对室 内 进行换气 ， 既节省 了能源 ， 还 能有 效提高室 内的 空气品质。 4 ． 4 C O 浓度监测 通过监测车站 内特定 区域 的 C O 浓度 ， 控制 组合式空调处理机组的新风 阀与 回风阀开度 ， 在 满足空气品质的前提下， 有效降低新风量， 从而 节省处理非必要新风所需 的部分能耗 。 4 ． 5照度 监测 车站内靠近外墙 和窗户 区域 ， 感光器探测最 低照明等级， 根据探测结果调暗或关闭照明灯 具。在强 13照下 ， 通过电动控制外遮阳设备能满 足工作面照度要求， 同时减少室内与室外的辐射 热交换 。 4 ． 6与信息系统的结合 许多机场 的楼宇 自控系统往 往与航班信息 堤代建筑电气 圜 、 l 、o l 2 f “ e r i a l 、0 I J 2 0l l 系统紧密结合在一起 。笔者认为 ， 车站的照明与 空调系统 也可适 当结合车次 时间表。当车次或 人流较少 时， 在保证室 内空气品质的前提下 ， 适 当减少新风机的开起时间和送风量 ， 可降低冷热 负荷损失。 5 系统架构 该车站工程设备众 多 ， 设备 比较分散 ， 采用 施耐德电气T A C V i s t a 楼宇自控系统对站内各种 机 电设备进行集中管理和优化控制， 最终能使各 种机电设备协调有序地工作 ， 如图 5所示。 图 5 vi s t a系统 架 构 该工程楼宇 自控系统 由两级网络构成 ， 一级 网络是 1 0 ／ 1 0 0 Mb ／ s 以太网 T C P ／ I P ， 二级网络为 L o n Wo r k s 现场总线 网。该结构既可 以方便地进 行扩展， 以满足系统容量的要求， 又可以提供高 速的通信能力 ， 使管理人员在 中央控制室就能全 面了解该工程的各类设备运行情况 ， 并实时进行 控制。该两级 网络 的结 构形式较适合楼宇设备 集散控制的特点 ， 是合理 、 安全的网络结构模式 ， 可将 因硬件故障对 系统运行的影 响降至最低 ， 为 多数楼宇自控厂商所采用。 所有 D D C控制器均在被控设备机房内就近 安装 。控制器与现场前端设备 如传感 器 、 执行 机构 、 设备动力盘箱等 信号连接线的连接在机 房内部完成。D D C控制器在本地对被控设备进 行监控， 包括实时检测现场设备的信号， 根据控 制器中内置的程序对设备进行控制， 并将设备运 行或报警信息上传给楼宇自控系统中央工作站。 中央工作站对收集到的信息、 数据进行分析和管 理 ， 包括实时数据的图形显示 ， 查看历史数据 ， 处 9 理各种实时报警 ， 查看 和打印各种报 告， 配置 系 统 ， 系统编程等。这种集 中管理 、 分散控制 的模 式既实现了对大型建筑机电设备的有效管理， 又 将控制功能分配 给本地 D D C控制器 ， 避免 了集 中控制方式的弊端 ， 即一旦中央控制设备出现故 障， 将无法实现对所有机电设备的控制 。 如 图 5所示 ， 管理层 由中央监控 电脑配 以 V i s t a系列软件和 2台网络路 由器组成 ； 控制层则 由各种控制子站 D D C 连接而成 ， 设备及具体位 置如表 2所示 。 表 2 控制器及 I ／ o模 块清单 控制器之间以 L o n Wo r k s F r T ． 1 0总线方式互 楼 I 动化 连， 控制器 与中央计 算机 以普通 双绞 线通过 I P 接 口连接 ； I P控制器 与中央计算机通过 以太 网 E t h e r n e t 方式互连 。智能控制级直接与现场控 制元件 阀门执行器 、 继电器接点 、 传感元件 温 度、 压力压差、 流量等传感器 连接。V i s t a系统 的这种网络结构实现了“ 分散控制 ， 集 中管理 ” 的 控制模式， 具有高可靠性、 灵活性、 先进性等优 点。 6 结 语 本文根据火车站设备控制与其他建筑不同 的特点 ， 结合 某车站的实际情况和暖通设计 ， 提 出了几个行之有效的节能方法。 火车站的暖通设计 以及新节能技术 的应用 是节能建筑的基础。充分 、 合理地应用楼宇 自控 系统 、 优化控制策略 ， 将 节能减排 思想贯穿到 系 统监控的每个细节 ， 是实现绿色火车站的关键 。 [ 1 ] T B 1 0 0 5 6 --1 9 9 8 铁路房屋暖通 空调设计 标准 [ S ] ． 【 2 ] 胡礼清．高大空间暖通系统工程探讨[ J ] ．海峡科 学 ， 2 0 0 9 4 3 9 ． 收碥 l I 2 0 1 1 一1 2一l 6 Bui l di n g Au t o m a t i o n Sy s t e m a nd En e r g y S a v i ng Te c hn o l o g y o f Ra i l wa y St a t i o n Bu i l di n g flA J i a n p i n g ， C HENG Da z h a n g ’ ， S U N J i n g 1 ．C o mm u n i t y I n f o r m a t i o n a n d I n t e l l i g e n t B u i l d i n g R e s e a r c h C e n t e r ，T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 0， C h i n a ； 2 ．S c h n e i d e r - E l e c t r i c C h i n a I n v e s t me n t C o ． ， L i d ． ， S h a n g h a i 2 0 0 2 3 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e s p e c i fi c o f r a i l wa y s t a t i o n b u i l d i n g a n d c o n t r o l d i f f i c u l t i e s o f i t s a i r c o n d i t i o n i n g a n d l i g h t i n g s y s t e m w e r e r e s e a r c h e d ．T a k i n g a p r a c t i c a l p r o j e c t o f r a i l w a y s t a t i o n a s a n e x a mp l e ， t h e c o n d i t i o n a n d H V A C d e s i g n w e r e i n t r o d u c e d ． An d a i mi n g a t t h r e e c h a r a c t e r i s t i c s o f r a i l wa y s t a t i o n b u i l d i n g，r e l a t e d e n e r g y s a v i n g c o n t r o l s t r a t e g y a n d b u i l d i n g a u t o m a t io n c o n t r o l s o l v i n g s c h e m e w e r e p u t f o r w a r d ．I t c o u l d p r o v i d e r e f e r e n c e f o r s i m i l a r p r o j e c t s d e s i g n ． Ke y w o r d s l a r g e s p a c e ；r a i l w a y s t a t i o n ；b u i l d i n g a u t o ma t i o n s y s t e m B AS ；e n e r g y s a v i n g t e c h n o l o g y ； HVAC d e s i g n；a i r - c o n d i t i o n i n g 1 0