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摘要：以鄂州火车站的中央空调系统为应用案例，针对火车站中央空调系统的特点，采用智能模糊优化控制技术，对鄂州火车站的中央空调系统的运行提供节能控制方案，降低站房空调系统的运行能耗，提高系统的运行管理水平。
关键词：鄂州火车站；中央空调系统；模糊优化控制技术；能效分析
1引言
中央空调是现代化建筑不可缺少的重要设备之一，但中央空调在改善和提高建筑内部环境质量同时，也带来了巨大的能源消耗，大大增加了建筑的运营成本。针对火车站的舒适性，中央空调系统在为广大旅客营造良好的旅行环境，提高火车站的服务水平的同时，如何降低中央空调系统的能耗水平，确保中央空调系统安全、稳定、可靠的运行，是现代化火车站必须面临的研究课题。
中央空调系统的设计大多都是根据不同地区极端天气负荷来选择空调设备容量及性能的，而空调系统的负荷具有时变性特征，其负荷和运行工况受季节、天气变化和环境条件改变等诸多因素的影响，且火车站人员流量变化快，使得负荷始终处于波动之中。即使一天之中，早晚也有温差变化。实践证明，如果空调系统的运行控制方式不当或不能根据负荷的变化而动态调节，不仅会造成巨大的能源浪费，同时也会影响火车站站房的室内环境。
2工程概况
鄂州火车站为大型客运站，位于鄂州主城区西南部，武黄线高架垂直上跨武九线站场，站房形式为线侧平式，呈“U”型院落布局，最高聚集人数4000人，总建筑面积23988m2，竖向分为站台层和高架层两个层面，檐口标高约25米，屋脊标高约29米，最高点标高约41米，站房集中空调总面积为14300m2。
鄂州火车站中央空调系统为复合式冷热源，采用地源热泵机组与水冷螺杆式冷水机组相结合。该系统在设计时分有冬、夏季模式。夏季运行时，地源热泵机组运行在制冷工况，调节相应的阀门，运行地源循环水泵，从地源换热出来的冷水通过地源热泵机组，当制冷量不足以满足末端冷量需求时开启水冷螺杆机组加以补充制冷量；冬季运行时，地源热泵机组工作在制热工况，通过调节相应阀门，运行地源循环水泵，使地源侧换热出来的热水通过地源热泵机组的冷凝器将热量送到末端，满足热源的需求。为旅客服务的车站公共区域，大系统采用全空气空调系统，采用变风量一次回风系统，过渡季节采用全新风方式或自然通风，充分利用室外空气进行降温和通风换气。
3控制系统方案设计
对于建设现代化的绿色火车站来说选择一个好的中央空调能源管理系统是非常重要的。针对鄂州火车站的中央空调系统情况，本项目采用了BKS中央空调能源管理系统，对中央空调系统水系统和大系统进行综合监控，提高了中央空调系统整体运行管理水平，使系统长期高效稳定运行。
3.1系统总体架构
本工程中央空调能源管理系统采用集中管理分布控制的设计理念，由管理层（模糊控制器）和控制层（水泵智能控制柜、风机智能控制柜、阀门控制箱等）二级网络构成。
控制层的每个控制柜均使用了独创专利技术的分布式控制器，各个控制柜、控制箱均完全独立工作，与管理层及其它控制柜工作是否正常无关，从而分散了控制系统的故障风险，提高了系统的可靠性和运行安全性。
系统管理层采用C/S结构，可连接多个客户端，使用与服务器相同的界面，各个客户端均可以对设备进行监视和控制。
针对鄂州火车站中央空调冷热源站的实际情况，定制化设计的一套中央空调能源管理系统，能够对冷热源站及大系统设备进行自动化管理，以达到高效节能运行的目的。
3.2系统控制原理
（1）冷冻水系统-模糊预期控制技术
空调冷冻水系统管路一般都较长，冷冻水循环周期较长，造成温度采样的时滞性很大。同时因为水系统的惰性大，反应慢，传统的PID控制会造成冷冻水回水温度波动很大，影响系统的稳定性、末端的舒适性和节能效果。
针对车站空调冷冻水系统的时滞性、大惰性及时变性特点，BKS系统对空调冷冻水系统采用模糊预测算法实现最佳输出能量控制。
基于负荷预测的冷冻水系统动态控制技术是一种超前控制，与跟随控制有本质的区别，不是被动地跟随偏差信号（温度、压力），而是通过负荷预测，主动提前一个时间操作，以保证供给与需求在时间和数量上相匹配，避免了冷冻水温度的波动振荡。其控制原理图（如图1）所示。
控制过程：当气候条件或空调末端负荷发生变化时，空调冷冻水系统供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至模糊控制器，模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，根据模糊预测算法模型、系统特性及循环周期，通过推理、预测出未来时刻空调负荷所需的制冷量和系统的运行参数，包括冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值，并以此调节各变频器输出频率，控制冷冻水泵的转速，改变其流量，使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量运行在模糊控制器给出的最优值，使系统输出能量与末端负荷需求相匹配。
由于冷冻水系统采用了输出能量的动态控制，实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷的需求供应，使空调系统在各种负荷情况下，都能既保证末端用户的舒适性，又最大限度地节省了系统的能量消耗。
（2）冷却水系统-系统自适应优化控制技术
当气候条件或空调末端负荷发生变化时，空调主机负荷率将随之变化，主机的效率也随之变化。由于主机效率与冷却水温度有关，在一定范围内冷却水温度降低，有利于提高主机效率、降低主机能耗。但冷却水温度降低，将导致冷却水泵的能耗升高。因此，只有将主机能耗、冷却水泵能耗能耗统一考虑，在各种负荷条件下找到一个能保持系统效率（系统COP）最高所对应的冷却水温度，即找到一个系统效率最佳点，才能使整个系统能效比最高。在某一室外气候条件和某一空调末端负荷下，一定存在一个使系统总能耗最低（系统效率最佳）的冷却水温度，如图2所示。
系统对空调冷却水系统采用自适应模糊优化算法实现系统效率最佳控制。当气候条件或空调末端负荷发生变化时，模糊控制器在动态预测系统负荷的前提下，依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，根据气候条件、系统特性和自适应模糊优化算法模型，通过推理、计算出所需的冷却水温度最佳值，并以此调节冷却水泵变频器的输出频率，控制冷却水泵转速，动态调节冷却水的流量，使冷却水温度趋近于模糊控制器给出的最优值，从而保证整个空调系统始终处于最佳效率状态下运行，系统整体能耗最低。其控制原理图如图3所示。
（3）组合式空调机组控制原理
通过对送回风系统设置多种传感器，分别采集末端的回风CO2浓度、送风温度、回风温度、过滤器压差等参数，动态调节空气处理机组新风/回风/送风风阀、冷/热水阀开度等，使送/回风量、冷/热水量供需平衡，在保障空气处理机组安全稳定运行和高质量满足空调末端要求的前提下，提高空气处理机组的整体效率，减少不必要的能源浪费。控制系统原理图如图4。
通过对系统各种工艺参数及设备参数的采集，计算并记录空气处理机组的输出能量趋势序列，结合系统特性、循环周期等推理预测未来时刻系统的负荷，从而确定系统最佳运行参数，实现区域温度的精确控制，在保证被控区域服务质量的前提下，最大限度的降低系统的能耗。
（4)风水系统耦合控制技术
将风系统与水系统看着相对独立的系统进行处理，并用末端总负荷的预测数据，来修正制冷站的总输出冷量，使制冷站的输出冷量与末端的负荷总需求保持匹配，将两种有机结合在一起。其控制原理流程图如图5。
在输出与需求相匹配的基础上，系统再通过调整末端空气处理机组表冷器的冷冻水阀，来调整各空气处理机组的送风温度，使末端设备与制冷站的总体能耗处于最低点，以实现风系统与水系统之间的协调运作，保持整个通风空调系统始终处于最高效率点运行。
4系统能效分析
4.1负荷余量分析
(1)室外气象条件引起的负荷变化
中央空调系统设计通常以满足最极端恶劣条件设计，由统计数据得知极端负荷情况在一年空调负荷分布中约占3.6%，而且一天24小时环境气候也是起伏变化的，导致很多时间内供给负荷大于需求负荷，由此带来中央空调系统的节能空间。
(2)客流量变化产生的负荷变化
火车站作为人流量变化比较大的公共场所，客流量的增减会造成空调末端实际负荷（即末端的需冷量）的大幅波动，这种波动是一个随机变化的量，且始终处于动态变化之中。除高峰期以外，大部分时间（特别是过渡季节和冬季）都将在小于设计负荷的状况下运行。
4.2系统节能效率分析
首先来看一下鄂州火车站中央空调系统的设计运行设备能耗，如图6所示。
从图6可以看出，在火车站中央空调系统能耗中，冷水机组和组合式空调机组能耗占比较大，接近80%左右，因此成为节能降耗主要突破口。
通过对现有数据的分析及预估，使用节能系统实施后，鄂州火车站中央空调系统的全年能耗情况如表1所示。
从表2可以看出，本项目设计能耗与采用节能控制措施后，整个中央空调系统（水系统和大系统）综合节能率达31.67%，年节电量44.57万度，系统节能效果显著。系统节能前后中央空调系统能耗对比如图7所示。
5结论
鄂州火车站中央空调能源管理系统在投入运行后，对空调系统进行有效的节能控制和运行管理，不仅降低了中央空调系统的运营成本，同时提高了系统的自动化程度，为中央空调系统的操作、管理提供了便利，大大提升了系统整体管理效率，使空调系统的运行更加高效、安全、稳定、可靠，也为建设“绿色站房”起到了积极的促进作用。
参考文献
[1]沈亮峰.基于BIM技术的三维管线综合设计在地铁车站中的应用[J].工业建筑,2013,6:164.
[2]赵志涛.BIM技术在工程项目管线综合设计中的应用[J].建筑技术开发,2015,4:38.
[3]纪凡荣,徐友全,曾大林等.BIM技术在某项目管线综合中的应用[J].施工技术,2013,3:108.
[4]刘婧,郑威,秦光.BIM技术在管线综合排布中的应用[J].建设监理,2015,3:23.