基于BAS的京张高铁站房能源管理系统研究

李金冬，张 苏，韩 松，毛虎林，王 兵，胡成明，杨 升，许 茁，郑 玲，张 倩

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司建筑工程设计研究院，北京 100055；2.中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京 100844；3.成都四为电子信息股份有限公司，成都 610041)

1 概述

近年来，越来越多的机电设备及子系统应用到高铁站房中，如电动开启窗、电热风幕、电伴热、电动百叶、能源管理系统(远程抄表)等等[1]，多为人工控制或独立控制，管理不便且能耗浪费较大。仅对空调通风、照明和扶梯等常规机电设备进行监控的BAS系统[2]，已经不能满足智能运营管理节能减排的要求。

为落实习总书记绿色办奥运的重要指示精神，扎实推进京张高铁建设“精品工程、智能京张”及“畅通融合、绿色温馨、经济艺术、智能便捷”的客站建设工作要求，打造保护环境和节约能源的示范工程，全面提升铁路站房运营节能减排管理现代化水平，京张全线站房设计采用了基于BAS的能源管理系统。

2 基于BAS的能源管理系统在京张高铁站房应用的适用性分析

基于BAS的能源管理系统，除了对车站内的空调通风、照明、电扶梯、给排水、低压变配电进行监控外，还对电热风幕、电动窗、电动遮阳百叶、电伴热、充电桩、电开水器等用电设备进行监控，涵盖了车站内的所有用电设备。

北京至张家口铁路全长174 km，东起北京市，西迄张家口市，全线共设10个车站，分别为北京北、清河、沙河、昌平、八达岭长城站(地下站)、东花园北站、怀来、下花园北、宣化北、张家口。全线站房均设置了通风空调、照明、扶梯、电动开启窗、电热风幕、电伴热等机电设备。如采用基于BAS的能源管理系统，对站房机电设备进行全面监控，在提升运营管理水平的同时，也具有较大的节能减排作用。

3 基于BAS的能源管理系统架构

基于BAS的能源管理系统是一个全新应用集成系统。能源管理系统与其他各子系统的数据通讯通过BAS平台连接起来，通过内部集成及外部集成的方式，实现对子系统的能耗进行智能分析，通过BAS进行控制，达到节约能耗和实现对子系统安全、合理、科学化的管理。是一个综合性的针对现代化高铁站房机电设备的运维管理和应用平台

基于BAS能源管理系统采用分层分布式结构，系统自上而下共分3层，即监控管理层、通信层和现场设备层。

监控管理层：为现场操作、管理人员提供充足的信息，制定能量优化策略，优化设备运行，通过联动控制实现节能控制和能效管理，提高经济效益及环境效益。如果需要可以将系统数据转发至上级监控管理中心，在更大范围内做好能量的管理。

通信层：通过现有的各种技术手段把各子系统、现场设备等接入系统。常用的方式有：通过光纤组成环型自愈以太网；采用现场总线技术组网，如RS-485、LonWorks等；使用无线传输；采用GPRS/3G、4G通信网络等。具体实施要根据实际情况，既可以选择单一组网方式也可以多种方式混合使用。

现场设备层：现场设备负责采集各种能量、环境数据，主要包括以下设备：分布于各个子系统中的智能电能表、高低压配电柜中的测控保护装置、智能仪表、温湿度传感器等。站房各自动化子系统：如BAS系统(含空调、通风、照明、热风幕、电伴热)等。现场设备在站房内组成物联网，与监控层通信完成数据交换。

能源管理系统使用B/S架构，建立实时、在线的能耗计量监测系统；提供能耗统计分析和日常运行监控功能应用；建立高铁站房能效评估指标体系，实施精细化的科学量化管理；寻找能耗漏洞，与其他各系统的数据通讯通过BAS平台连接起来，通过内部集成及外部集成的方式，在保证客运服务安全、旅客舒适的前提下，为用户制定节能整改措施，提高能源使用效率，指导BAS系统进行控制，达到节约能耗的目的。

系统功能包括数据采集、数据处理、计算引擎及统计、控制操作、图形化界面、历史数据、系统安全性管理接口及智能联动。

其中数据采集，包括各种BAS数据和能耗数据；数据处理包括提供丰富的数据处理功能，处理之后存储到历史数据库中。根据需求对历史数据进行处理、分析和转发等。历史数据包括所有的历史数据均保存于数据库服务器，本机也有当年数据的备份。

本系统具有良好的开放性，可以与其他自动化设备或系统接口，能够方便地实现接口及智能联动功能。

4 控制策略

北京至张家口铁路沿线属温带大陆性季风气候。气候特点是：一年四季分明，冬季寒冷而漫长；春季干燥多风沙；夏季炎热短促降水集中；秋季晴朗冷暖适中。光资源丰富，昼夜温差大；雨热同季，生长季节气候爽凉；高温高湿炎热天气少[3]。

张家口站预计能耗分布如图1所示。下面以张家口站为例，按能耗顺序说明控制策略。

各子系统控制策略如下。

4.1 空调及通风系统，充分根据气候特点进行控制。

张家口市采暖季11～3月份，制冷季6～8月份，过渡季4、5、9、10月份。

京张高铁站房采用冷热源群控系统。群控系统通过对中央空调系统从冷热源站和通风系统全面的监控，实现有效的控制与管理，结合基于BAS的能源系统，在确保达到环境质量要求的同时，尽可能降低空调系统运行能耗，实现设备智能控制与能耗管控[4]。主要参数有开关机设计、顺序启停、最短运行时间开机等。张家口站能耗分布见图1。

各个季节的空调、通风系统的控制策略如下。

在过渡季，候车厅、售票厅设有电动开启窗和机械通风，BAS系统根据二氧化碳浓度、PM2.5、PM10和温、湿度等参数控制打开或者关闭，从而进行和外部的空气交换，达到节能降耗、提高旅客舒适度的目的。过渡季控制策略见表1。

图1 张家口站能耗分布

表1 过渡季控制策略

在制冷季，张家口地区早晚温差比较大，凌晨5:00～7：00左右达到一天的最低温度。在空调开启前，BAS系统根据CO2浓度、PM2.5、PM10和温、湿度等参数控制打开电动开启窗自然通风、启动机械通风，降低室内温度和CO2浓度，从而达到节能降耗、提高旅客舒适度的目的。

可以根据天气预报的气温控制空调启停，当最高气温<25 ℃时，不开空调或者变频风机低频运行。根据历史数据，这样可以将开空调的天数大概减少1/3，考虑到温差较大，早晨也一般不用开空调，可以根据实时的温度信息调整空调的运行参数，这样也能降低很大的能耗。

4.2 根据照度和列车到发信息，自动调整照明

根据国铁集团鉴定中心《关于铁路站房LED照明设计研讨会会议纪要》(鉴电函[2018]151号)的要求，采用LED照明，相对传统的金卤灯具就节约大量的能源，在此基础上，根据室外环境因素等制定控制策略进行精细控制，如表2所示。

表2 照明控制策略

4.3 电扶梯

预留电扶梯接口，可以查询运行及能耗信息。

4.4 电伴热分级控制，根据室外天气情况进行控制

选用功率分档的电伴热，可以根据气候情况(下雪)、温度等参数控制挡位，达到节能的目的。

4.5 热风幕分级控制，根据室内外温度分级控制

张家口站总共设置了91台功率10 kW电热风幕，共计为910 kW。

常规电热风幕功率只有0和10 kW两档。设计选用了节能型电热风幕[4]，功率为0，3，7，10 kW四个档位，并将电热风幕控制纳入BAS系统。采暖季时档位和温度之间的关系通过分析可以按表3设置。T1为送风温度，T2为室外温度。

表3 张家口站电热风幕控制策略

室外温度一定时，当客流量大时，电热风幕开启的档位应该更高；客流量小时，电热风幕开启的档位会小一些。

制冷季时，可以根据温差开启风幕风机。

通过查询张家口市2016～2017年度冬季温度，对张家口站热风幕控制进行模拟，最终的模拟结果为采用节能型电热风幕，并采取相应的控制策略后，每年可节约电能7.9万kW·h，按1 kW·h电0.9元计算，估计每年节约7.1万元。

4.6 卫生间异味通风

在卫生间设置异味传感器和通风装置，当异味达到一定的浓度后启动通风装置，提高了旅客舒适度。

4.7 电开水器控制

根据高铁运行时间和客服需要，启停部分电开水器，达到节能降耗的目的。

4.8 电动遮阳百叶

清河站设电动遮阳百叶，制冷季制冷时关闭遮阳百叶，遮挡阳光，减少站房与外界的热交接，防止室内温度上升；采暖季打开遮阳百叶，利用太阳的辐射提高室内温度；过渡季打开遮阳百叶，通过自然采光补充室内照明，根据不同时段进行开启/关闭，达到节能降耗和提高旅客舒适度的目的。

4.9 充电桩、低压变配电等通信接口

预留充电桩接口，可以查询充电桩能耗信息；预留低压变配电接口，可以查询运行状态。

5 节能效果预测分析

京张高铁站房地处北方寒冷地区，四季分明。通过对空调通风、照明、电扶梯、给排水、电热风幕、电动窗、电动遮阳百叶、电伴热、充电桩、电开水器设备等采取相应的控制策略后，预计节能10%～15%。

6 结语

基于BAS能源管理系统是一个全新的应用集成系统，是一个综合性的针对现代化站房智能建筑设备的运维管理和应用平台。借助于本系统，管理人员能够及时、方便、直观地了解站房中各类能源和各项能源的使用情况，掌握能源使用中的问题，找出耗能点，更加合理地分配和调度管理能源，同时作为节能减排、管理能源的重要手段。本系统能够对电气设备的运行及状态的安全性、合理性进行实时监控及科学化的管理，通过精细化控制，实现显著的节能效果，达到可观的节能收益。基于BAS能源管理系统同时为高铁站房运营提供数据支持及解决方案。

基于BAS的能源管理，是一个系统工程，需要建筑、给排水、暖通空调、电力、信息等专业密切配合。现阶段，它还是依靠工程师进行逻辑设定的专家型系统。下一个阶段的研究目标，通过高铁站房运行中的各数据进行全面检测和分析，不断优化高铁站房内各子系统的控制策略，从而使本系统变成一个智慧的、非单一功能的、融合变化的、可成长的、可自主学习的智能系统。