铁路信号设备室环境集成控制系统节能研究

铁路信号设备室环境集成控制系统节能研究

程敏

中铁二院工程集团有限责任公司

摘要：铁路信号设备室目前采用密闭防尘、空调降温的方式来保证机房的环境温度、湿度及洁净度，致使信号机房空调用电量巨大。本文提出在既有专用空调的基础上，引入新风系统，并将空调、新风系统等集中统筹监控，实现环境综合控制，以充分利用室外自然冷空气来降低设备室温度，减少专用空调的使用时间，达到节能的效果。

关键词：铁路；信号；设备室；环境；集成；控制；节能；研究

一、研究背景

铁路运营用电量颇大，其中机电设备房的用电量不可忽视，以信号系统设备室为例，由于信号系统使用了大量计算机及各类电子设备，而这些设备对环境温度、湿度、洁净度要求较严格，因此，信号设备室对环境状况的要求较高；而信号系统设备数量较多，其中的电源屏、计算机柜、尤其现在广泛运用的ZPW-2000设备等会产生大量热量；同时，为满足洁净度的要求，信号设备室目前均采用密闭门窗防尘，导致信号设备产生的热量无法排除，即使在寒冷的冬季，室内温度也很高，必须采用大功率的铁路专用空调控制温度和湿度，才能保证设备的使用环境，而长期启动空调，会消耗大量的电能。据调查，某电务段每年的电费大约为1200～1600万元，其中空调用电就占50%。因此，研究对铁路机电设备机房的环境控制系统采取节能措施（以信号系统为例，其它系统类似）具有十分必要的现实意义。

二、室内环境控制基本原理

室内空气环境一般受到两方面的影响：一是来自空间内部的生产过程、设备及人体等所产生的热、湿和其他有害物的干扰；二是来自空间外部的气候变化、太阳辐射及外部空气有害物等。

室内环境控制的意义在于“使空气达到所要求的状态”，据此，一个内部受控的空气环境，一般是指在某一特定空间内，对空气的温度、湿度以及清洁度进行人工调节，以满足工作、生活和工艺生产过程的要求。

我们的目的是尽可能地利用有利的环境因素，设法控制不利的干扰因素，主要技术方法有：采用换气法保证室内环境空气新鲜；采用热湿交换法保证内部环境温湿度。

1.通风降温

通风方式指不依靠空调设备、而是利用自然空气资源维持适宜的室内环境；通风可分为自然通风与机械通风两种方式，自然通风以热压和风压作用、不消耗机械动力，主要用于排除室内余热余湿。当自然通风不能满足要求时，可采用机械通风；通风提供大量的室外新鲜空气，减少建筑物冷负荷。

2.空调降温

利用空气调节系统对建筑物/构筑物内环境空气的温、湿度、洁净度等参数进行调节和控制。空气调节系统一般由空气处理和空气输送及空气分配装置等部分组成。

3.环境集成控制系统（后简写为：EIMS）

将通风与空调方式融合，设置必要的监测传感器、通风机组和相应的系统工况转换执行机构。通过准确计算和合理控制，在既有空调基础上，引入室外新风、调节机房环境，调节过程应遵循的原则：

1）优先使用自然通风；

2）若控制参数不满足要求，采用机械通风；

3）仍不能满足要求时，启动空调系统。

环境集成控制系统由智能控制器、通风机组设备、空调设备、过滤装置、温湿度探测传感器等组成，如图1所示。其基本工作原理是：利用温、湿度传感器探测机房内、外情况，当温度达到某个设定值时，开启进风和排风单元的自然通风模式，通过自然循环将室外冷空气吸入机房、排出室内热量，以此降低室温；

若自然通风不足以降低室温，则当温度达到某个设定值时，开启机械通风模式：通风机组的进风单元和离心风机将室外冷空气吸入机房，经过过滤装置的处理，空气的洁净度可满足信号设备室的环境要求；同时排风单元开启风机，排出机房内的热空气，维持机房内一定的正压。

处于自然新风或机械通风模式时，机房既有的空调系统、全部制冷功能停止工作。当新风系统工作后仍无法降低室内温度时，则启动专用空调（因空调有完整的工作程序，本文不赘述）。

三、铁路信号设备室环境集成控制节能措施

1.节能降耗的基本原则

铁路信号设备房的环境要求比较特殊，每类机房都有一定的温、湿度以及洁净度的要求。引进节能技术须遵循以下基本原则：

1）确保机房安全。采用节能技术后不能影响生产安全，要确保电子设备安全、稳定的运行，满足维护作业规范中规定的机房环境要求。

2）采用的节能技术具有可行性以及高效性。节能技术种类繁多，但每种技术各有优缺点，实际应用中应采用适合机房现状、具有可实施性的节能技术，确保实现最大化节能。

3）确保满足电气设备环境需求。由于电气设备由大量集成电路及电子组件构成，工作环境条件有特定要求。采用的的节能技术必须满足信号机房内设备对温、湿度及洁净度的要求，不得影响信号设备的可靠性及使用寿命。

4）有切实可行的测评机制。应有一套健全、可行、有效的测评机制，监测评估、跟踪测试：使用了节能技术后究竟能否节能？节能多少？

5）完善的监控网络能力。提供监控接口，满足网络管理要求。

2.空调节能降耗的方案

目前机电设备房常用的空调节能措施有：借助于室外冷空气的新风技术；采用蓄电池恒温箱减少空调能耗的技术；利用换热器的热管换热技术；能减轻对电网冲击和对供电容量要求、同时减少无功损耗的空调变频技术等。

新风技术能量利用率较高、自动化程度高、技术成熟且稳定性好、成本相对较低、设计易于实现，适合铁路机电系统设备室的温度控制。在合适的室外气候条件下，全年可节能30%～50%，5年左右可收回投资成本。使用通风系统可减少空调机的使用时间、延长使用寿命，并可减少机房备用空调配置，可节约企业成本，因此，本次研究拟在既有空调系统基础上，增加新风节能系统，并采用综合监控技术将空调系统、新风系统等集中监控，达到既满足环境温度控制和消防要求，又尽可能地降低能耗的要求。

3.信号设备室环境状态监控系统方案

铁路信号设备房温度的升高主要原因是电子设备的运行发热，现在全年均用空调来降温，完全没有利用冬、春、秋三季及夏季早晚时段的室外低温空气的有利自然资源。本建议方案在既有专用空调系统设置不改变的状态下，增加节能的自然风环节，利用低于25℃（具体温度可酌情选择）的室外自然空气为冷源，采用智能控制和温湿度传感技术，当室外空气温度低于室内环境温度设定值时，通过具有净化功能的新风系统来置换机房内热量，实现机房内散热、降温的目的，达到机房环境温度控制系统节能降耗的最佳效果。

1）系统工作原则

（１）正常工况下，利用热空气向上的自然通风原理，通过新风系统的通风口，将室外的冷空气流入室内，室内的热空气排出室外。

所有进入室内的冷空气必须经过通风口的过滤网清理尘土，达到室内洁净度的环境要求

（２）当自然通风方式不能降低室内温度时，启动自然风系统的主动换气机械通风功能，通过排气系统将室内热空气排出室外。

（３）当主动排气系统启动后，仍不能达到需要的室内工作温度，或室外环境温度大于室内温度时，关闭自然通风，启动空调系统，。

（４）特殊工况下，如消防系统监测到室内有火灾发生时，智能通风系统关闭所有通风口，启动气体灭火装置，在灭火完成后，再自动打开通风口，启动排烟功能。

（2）系统组成

信号设备室环境控制系统由新风系统、空调系统、气体灭火系统、环境集成监控系统EIMS组成，能实现对室内温度、湿度的恒定控制，并能配合气体灭火系统完成灭火、排烟等消防功能。因空调系统、消防系统都是成熟的既有技术、完成相应功能，本方案着重叙述新风系统、EIMS的功能及作用。

新风系统主要由进风、过滤、排风、加湿（可选）等装置、及环境监测传感器和其他安装附件组成。进、排风装置组成通风系统，排风机（或自然进风口）引入室外冷空气，形成室内气流循环，排风机将热气排出室外，以此降低室温。环境监测传感器主要用于测量机房室内外温、湿度，将数据传输到EIMS。EIMS通过逻辑判断，并结合消防系统的状态，控制通风系统和空调机组的启停，尽量以低功耗的通风系统代替高功耗的空调机组工作，达到节省电能的目的。同时，减少了空调机组的工作时间，延长了空调的使用寿命。对于特殊情况的处置：

1空调故障或市电停电，房间室内温度≥28℃（可设定），机房报警的状况下，若室外温度低于机房室内温度，新风节能系统强制启动，以缓解机房内温度急剧上升。

②当室外相对湿度≥90％或室内相对湿度>80％时，关闭新风节能系统。

③当机房火警报警时，关闭新风节能系统。

四、经济性分析

与现在信号设备室仅设专用空调的方案相比，本室内环境温度监控方案增加了新风系统的自然通风及机械通风环节（利用增加的进、出气口和排风机）、温湿度传感器及相应的控制单元，每个信号设备室约增加投资10万左右。

空调仅在室外温度或室内湿度极高的炎热夏季开启，其余大部分季节的时间可由通风机组实现降温功能，信号设备室的通风机组功率约为200W，耗电较少，电能损耗大大下降。全年节能率达30%～50%，一个中等规模车站一年的信号用电量能节约电费约2万左右，粗略计算5年左右即可收回投资成本。

五、研究结论

通过系统分析、比较、研究，铁路信号设备室采用EIMS，与原来只依靠专用空调设备降低室内温度的方式相比，能大大降低电能的消耗，同时减少了空调的工作时间，能延长空调的使用寿命，而且本系统采集既有消防系统的工作状态，既能有效监控环境状况，又不会影响消防系统的技术性能指标。EIMS系统预留网络通信接口，能方便接入既有信号集中监测系统、实现远程监控。总之，本EIMS方案若在目前的铁路信号设备室运用，能大大降低用电量、实现节能减排增效的目的。