鐵路客站智能節電技術研究及應用

劉航

（中國鐵路設計集團有限公司 電化電信工程設計研究院，天津 300308）

0 引言

隨著我國高速鐵路快速發展，鐵路客站由單一的鐵路站房轉變為多種交通方式有機結合的換乘中心，越來越注重為旅客提供良好的綜合服務和舒適的站內空間。然而，伴隨鐵路客站建設標準的提升、站內旅服設施的增加以及旅客對舒適度的高要求，鐵路客站的電能消耗水平大幅攀升，運營成本也大幅增加［1］。

為貫徹落實中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）關于“在鐵路大客站推廣智能節電技術”的工作要求，積極響應國鐵集團“十三五”節能規劃、實現節能降耗的總體目標，建設綠色、節能、舒適、溫馨的現代化客站，智能節電技術的研究及應用是我國鐵路可持續快速發展的必然選擇。

1 鐵路客站節電潛力分析

1.1 項目概況

北京朝陽站是北京鐵路樞紐客運總格局中主要客站之一，建筑面積為18.3 萬m2，車站共3 層，地上2 層，地下1 層，局部設有夾層。地上二層是高架候車廳，局部設有商業及設備夾層；地上一層為站臺層，主要為進站廳、售票廳、設備及辦公用房；地下層為換乘大廳、出站通廊、城市通廊、出租車上客及落客區、社會車庫以及設備用房。

根據用電負荷分布情況及負荷等級要求，北京朝陽站新建雙電源10/0.4 kV 變電所6 座（共12 臺變壓器），總裝機容量為29 000 kVA，其中1#—4#變電所負責站房主體動力照明負荷；5#變電所負責部分旅服商業負荷；6#變電所負責季節性負荷。

1.2 用電負荷分析

北京朝陽站總用電負荷約37 550 kW，其中空調通風系統負荷約13 265 kW，占總負荷35.3%；照明負荷約2 800 kW，占總負荷約7.5%；電扶梯負荷約3 385 kW，占總負荷9.0%。以上負荷共計占總負荷51.8%。

上述負荷占比高，是進一步挖掘節電潛力、提升節能效果的關鍵研究對象。

1.3 節電潛力分析

1.3.1 空調系統

空調系統是鐵路客站運行控制最復雜、用電量最大的系統，通過對空調系統的節電潛力挖掘，可大幅降低客站能耗。根據空調系統運行特點，可通過以下3種途徑挖掘空調系統節電潛力［2］：

（1）通過空調系統自身協調性優化挖掘節能潛力。一般大型公共空間的空調系統由BAS 系統控制，依據暖通控制要求預設的控制模式，由空調系統現場控制設備執行工藝程序?？照{末端檢測到回風口溫濕度變化，調節水閥開關量或調節風機轉速，引起管道參數變化；水系統循環泵根據管道參數變化變頻調速，引起水溫變化；冷熱源主機根據水溫進行變頻調速或加減機。為避免系統頻繁動作，空調控制參數的設定考慮了冷熱媒參數不能驟變的特點以及從需求端到冷熱源端存在的滯后性。

然而，參數設定的滯后性可造成系統運行震蕩，且參量偏離制冷機組、水泵等設備的最佳工作狀態，導致機組效率降低；滯后期間如果相關設備處于超過實際需要的運行強度，則產生不合理的能耗；冷水機組加減機、變頻策略簡單，均為獨立控制，沒有協調機制，從多臺機組總體能耗來看，無法達到運行的最佳能效；由于運行數據得不到記錄分析，即便系統運行多年，運營管控策略還是主要依靠經驗。

針對上述問題，設置更專業、更智能的控制系統，建立更合理的協調機制，減少無用運行時間與強度，是空調系統自身進一步挖掘節能潛力的途徑之一。

（2）通過優化現場環境傳感器布設的合理性挖掘節能潛力。溫度采樣點的選取影響空調運行狀態和實際體感效果。在制冷狀態下，當采集溫度低于體感溫度時，系統停止送風或停機，此時對應區域的舒適性可能并未達標；當采集溫度高于體感溫度時，系統繼續送風，但對應區域的人體感知可能已經過冷，這種情況屬于能源浪費。合理布置傳感器、盡可能接近旅客聚集區等區域、提高控制基礎數據的采集準確性及精準度，是進一步挖掘節能潛力的途徑。

（3）基于蓄冷蓄熱對初始制冷制熱時間的影響，優化開停機方案。公共大空間的蓄冷蓄熱效應，使空調系統由啟動達到目標值所需的時間差異較大，對能耗和舒適性均有一定影響。運營時段前的預冷預熱時間、開停機方案如何合理確定，基本依靠經驗設置。隨著智能化、機器自我學習等技術的發展，通過對歷史數據分析，同時考慮外部氣候數據、室內環境數據和客流數據以及客站運行特征等條件，逐步改進優化運行策略，也是進一步挖掘節能潛力的途徑。

1.3.2 新風系統

鐵路客站新風系統的控制邏輯相對簡單，根據現場傳感器采集的CO2濃度，按制冷季或采暖季調節新風閥開啟程度，空氣達標時停機。根據新風系統的運行特點，可通過對新風控制系統、傳感器布置等在分區上的整合和優化，實現分區域按需供給，進一步挖掘新風系統的節能潛力。

1.3.3 電扶梯、垂直電梯

垂直電梯具備無外部召喚且轎廂在一段時間內無預置指令時自動轉為節能運行模式的功能。2臺及以上垂直電梯集中排列時（通達樓層空間完全相同），具有并聯控制功能。

電扶梯在一段時間內無乘客后，扶梯能自動轉入慢速運行直至速度為0，進入休眠狀態，以達到節約能源、減少機器磨損的目的。當電扶梯感應光電掃描裝置檢測到有乘客乘坐時，電扶梯立即加速至額定速度正常運行［3］。

根據電扶梯、垂直電梯的運行特點，可知電扶梯、垂直電梯已實現節能運行目標，進一步節能潛力較小。

1.3.4 照明

鐵路客站照明采用自然照明與人工照明相結合的方式，充分利用自然照明，采用高效、節能的人工照明，達到高效、節能、舒適、有益環境和提高效率的綠色照明設計目標。通過室內永久性輔助照明技術的應用，最大限度地直接利用日光照明，減少人工照明的工作時間和工作強度，以達到節能目的。

采用LED高效光源，以直接照明為主、間接照明為輔，最大限度地提高人工照明效率，也可達到節能目的。

采用智能照明控制系統［4］，設置具有光控、時控、人體感應等功能的智能照明控制裝置，并結合實際到發車次、日照時間、人員密度、人員流動情況以及客站本身結構特點，將照明區域細化，每個區域分別設置相應的照明模式，由系統自動判斷各種狀態，啟停燈光。在此基礎上，照明考慮對自然光、顯示屏的利用，在各處設置光傳感器，采集各個空間實時照度，并通過智能照明控制系統發出相應指令，啟停燈光。

通過以上幾種方式，可最大幅度地挖掘照明節能潛力，實現照明節能的目標。

1.3.5 管理節能

管理節能對實際節能效果影響較大?？驼究稍O置能源管控系統［5-7］，利用能源管控系統軟件強大的數據收集、整理、分析能力，為管理水平的提升提供技術支持。因此，能源管控系統具備的數據分析水平和智能化程度是影響管理節能的關鍵。

2 智能節電技術應用

2.1 概述

通過對鐵路客站各系統節電潛力的挖掘和分析可知［8］，設置建筑設備監控及能源管理系統（簡稱BASEMS 系統），即整合能耗管理系統和機電設備監控系統，實現對空調、采暖、通風、電梯、照明的控制和能源管理，可大幅度降低客站的用電消耗，并可實現客站全生命周期自動化節能控制運營，降低人工管理成本、提高工作效率。另外，結合客站結構特點，在站臺雨棚上方停車場設置光導照明系統，將自然光引導至站臺，可充分利用自然采光，減少人工照明工作時間和強度，達到照明節能的目的。

2.2 建筑設備監控及能源管理系統

2.2.1 系統架構

BAS-EMS 系統下設中央空調節能控制子系統、智能照明控制子系統、區域控制柜、數據采集主機、各類傳感器和采集設備。此外，BAS-EMS 系統可接受FAS系統指令、強啟消防設備和應急照明，并為遠程抄表系統提供符合計量標準的本地數據。

BAS-EMS 系統可與客站旅客服務與生產管控平臺（簡稱管控平臺）互聯實現信息交互，即通過權限設置，接受管控平臺對照明、電梯等客運設備和應急操控設備的控制命令；為管控平臺提供客運使用設備的狀態、故障信息；管控平臺為BAS-EMS 系統提供列車到發、人流密度等信息；向管控平臺發送能耗數據報表、節能策略等。BAS-EMS 系統主要監控對象和系統架構見圖1。

圖1 BAS-EMS系統主要監控對象和系統架構

2.2.2 系統功能

BAS-EMS 系統將不同功能的設備智能化子系統和控制設備統一集成，形成具有信息匯集、資源共享及優化管控等綜合功能的系統。中央空調由內部自閉環控制擴展為與整個環境相關的大閉環控制，增加系統內部各設備相互間協調動作邏輯、優化控制程序，進一步挖掘節能潛力。管控平臺通過BAS-EMS 系統對公共區的空調系統、通風系統、照明系統、電扶梯等機電設備在特殊工況下進行控制。

（1）能源數據采集。通過對通信、客服信息、通風空調、電扶梯、站臺門、水泵、旅服、廣告、電伴熱、電開水器等設備末端配電箱加裝智能表計，采集設備用電、用水、用熱的各項數據，并上傳至采集主機，主機按BAS-EMS 系統要求打包上傳數據至BASEMS系統平臺。

（2）能源管理策略分析。接收能耗采集數據、各傳感器信息、FAS 系統聯動信息、管控平臺互聯信息，對全站所有電、熱、水用能進行數據分析，生成統計報告、能耗分析、節能診斷、優化控制等圖表。

（3）自動節能控制。優化BAS-EMS 系統運行邏輯，通過對光照度、溫濕度、PM2.5 濃度、CO2濃度、CO 濃度等傳感器信息及客運信息的分析判斷，下發控制命令，實現現場照明與光照度、人流密度、列車到發信息等條件的實時聯動；實現空調系統與現場溫濕度等條件的實時聯動，以及經氣候數據和室內溫度梯度綜合分析后的預冷、預熱時間的合理調整；實現通風系統與現場PM2.5 濃度、CO2濃度等條件的實時聯動。

（4）設備管理功能。負責對客運使用設備的運行及故障狀態進行監測。

2.3 光導照明

在北京朝陽站10 m 層停車場設置管道式陽光導入照明系統，通過采光裝置聚集自然光線并導入系統內部，再經過特殊制作的導光裝置（導光管）強化與高效傳輸后，由系統底部的漫射裝置把自然光線均勻導入到0 m 站臺層。從黎明到黃昏，甚至是陰天或雨天，系統導入室內的光線仍然十分充足。

陽光導入照明系統不消耗任何二次能源，同時還節約了電氣照明所需的電能，由于系統結構具備自潔功能，不需檢修維護，一次性投入，長期受益，可節約大量能源，是一項零碳環保的綠色新技術［9-10］。光導照明現場工程實例見圖2。

圖2 光導照明現場工程實例

3 節電效益分析

3.1 投入產出

BAS-EMS 系統主要通過控制和管理2 個途徑實現節能?？刂乒澞芡ㄟ^實時的需求分析，減少能耗設備的無效開啟數量或調解運行強度實現節能；管理節能則是一個長期持續改進的過程，需要經驗和數據支持。

BAS-EMS 系統具有設備故障報告、自動生成報表等功能，還可降低運行管理和維護成本。

系統節能率，目前尚無統一理論分析方法。設計參照類似系統在南京南站、上海虹橋站的節能指標（年整體節能率為15%以上），以及市場調查到的最高節能率30%，設定最高節能率為25%。按運行前幾年節能率提升較為顯著、隨著時間推移節能率提升水平逐步遞減的規律進行分析。設4年時間內預計節能率逐年遞增為10%、20%、23%、25%左右。據此，投資回報分析見表1。

表1中：（1）總投入包含了空調系統設備的投資增量，投運期維保費第一年為贈送，之后每年為50萬元。維保費按增加2 名系統工程師，年薪2×15 萬元=30 萬元，耗材、維修費用20 萬元/年，共計50 萬元。（2）2021 年系統自動控制顯現節能效果，節電率10%左右；2022 年提升系統管理措施，節電率上升為20%左右；2023 年系統持續優化，節電率為23%左右；2024年系統持續優化，節電率為25%左右。結果表明，投資回收期約為4年。

表1 投資回報分析

3.2 間接收益

BAS-EMS 系統在綜合考慮各子系統相互影響的基礎上，采用規范化、合理化的運營維護流程和守則，可有效降低由于人員管理不到位所造成的事故比率，保障生產作業的安全性。

BAS-EMS 系統采用最優化控制，保證設備在最優狀態下運行，同時對重點機電設備提供全生命周期管理，可在提高設備使用壽命的基礎上，大幅度提高設備使用率。

BAS-EMS 系統具備實時能源監測、能耗跟蹤，可提高能源利用率，實現科學用能、節約用能、有序用能，為管理者提供決策數據支持，進一步規范管理制度與流程。

4 結束語

北京朝陽站通過采用一系列的智能節電技術，實現了鐵路客站節能降耗的總體目標，符合節能減排的國家政策要求，有助于樹立鐵路保護環境和節約資源的良好社會形象，打造綠色鐵路、智慧高鐵的新形象，為其他鐵路客站節能降耗相關措施的應用提供可參考的案例。