地鐵通風空調系統的變頻節能技術研究

胡祝銀，余朝剛，張宇深

（1.深圳市賽為智能股份有限公司，工程師，廣東 深圳 518057；

上海工程技術大學電子電氣工程學院，2.副教授，3.本科生，上海 松江 201620)

為促進經濟社會可持續發展，國家制定了2020年單位國內生產總值（GDP）二氧化碳排放比2005年下降40%至45%的目標。在軌道交通環境調節系統中，風機、水泵、空氣壓縮機等大功率設備為滿足運行中的最高功率要求，輸出功率經常有很大的設計冗余，容易造成巨大的能源浪費。研究怎樣使用變頻器控制這些設備根據實際負載需要，調整電機轉速來調整輸出功率，使電動機的輸出能量得到高效利用，這在節能減排方面具有重要意義。

1 地鐵空調系統的結構及控制方式

1.1 地鐵車站通風空調系統的發展及現狀地鐵車站通風空調系統主要經歷了開式、閉式和屏蔽門系統的變遷。目前國內在建和已建成的大部分軌道交通線路采用屏蔽門系統。如上海地鐵除2號線外均設置屏蔽門,廣州地鐵除1號線外均設置屏蔽門，成都地鐵1號線，天津地鐵2號和3號線，深圳地鐵一期工程等均設置了屏蔽門。

1.2 屏蔽門式通風空調系統結構采用屏蔽門系統的情況下，車站環控系統可以分為大系統、小系統和水系統3個子系統〔1〕。大系統指車站公共區（站臺、站廳）的空調通風系統，包括組合式空調箱、回排風機等能耗設備，大系統是研究變頻節能的主要對象，其典型結構如圖1所示。小系統指車站設備管理用房的空調通風系統，包括柜式風機盤管、回排風機等能耗設備；水系統指為大系統、小系統提供冷源的系統，包括冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔等耗能設備。

圖1 地鐵站環控大系統示意圖

1.3 定風量運行的缺陷由于車站冷負荷和空調系統風量是按遠期晚高峰客流量運營條件來計算，并以此計算結果為依據進行車站制冷、空調、通風設備的選型設計，但初近期的客流量往往僅是遠期客流量的1/3～1/2，因此所選設備的容量遠遠大于初近期的車站負荷。即使在遠期，一天內隨著客流和氣候的變化，車站負荷也有較明顯的變化。由于空調通風系統大部分時間在部分負荷下運行，風機采用恒定轉速運行方式不利于節約能源，需要采用變風量運行方式，風量、水量的減少可帶來能耗的降低。

1.4 變風量控制的現狀變風量控制首先在美國應用，目前成為國際上的主流。變風量控制，就是通過改變送入車站內的風量來滿足室內變化的負荷。采用變頻變風量控制不僅可以合理地利用能源，還可以大大減少機械的磨損，減少其維護時間，改善設備的性能。

目前國內運行的地鐵線路的風機基本上采用的都是恒定轉速運行。由于變速控制的一系列優點，一些車站進行了變頻節能改造，對風量、空調水系統使用變頻控制，而一些地鐵線路在設計時就開始使用變頻控制方式。

2 地鐵空調系統的變頻控制方案

2.1 變風量控制是節能的重點通過變頻技術來降低地鐵通風空調系統能耗的具體技術方案各不相同，按變頻器應用的程度分為3種。第1種是僅排熱風機變頻，第2種是排熱風機和大系統中回排風機、組合空調器都變頻。第3種是排熱風機和大系統中回排風機、組合空調器、水泵都變頻。目前地鐵環控系統基本采用全空氣系統，由于地鐵的負荷特點，風機的運行時間要長于制冷機，而且風機的功率遠大于一般建筑的空調系統的風機，風機能耗比例通常大于一般建筑的空調系統的風機能耗比例。由于在地鐵空調系統運行能耗中風機能耗所占比例最大，車站節能的重點應放在風系統的變頻節能上。

2.2 回排風機的變頻控制方法圖1所示的2臺同等功率的回排風機可以工作在變頻狀態，也可以工作在工頻狀態下。根據站廳溫度、站臺溫度、室外溫度、站內CO2濃度，利用智能控制算法控制回排風機運行頻率和回風閥、新風閥、排風閥的開度。當需要回排風量大于單臺風機額定送風量時，一臺回排風機運行在工頻，另一臺工作在變頻狀態。如果需要回排風量小于單臺風機的額定送風量，則關閉一臺風機，另一臺風機工作在變頻狀態。

2.3 空調機組及水系統的變頻控制方法變頻空調機組用于站廳和站臺溫度的調節，開始是通過公共區溫度的反饋來控制空調機組的送風量，采用PID控制方法實現。當空調送風量減少到一定程度后再調節水系統中冷凍水的流量。水系統的結構如圖2所示〔2〕，旁通管上設有壓差控制閥A，系統末端安裝有二通調節閥B。2臺冷水泵LD并聯，然后再與冷水機組LS串聯。電動二通調節閥開度大小調節是依據冷卻水進出水管溫差。冷水泵使用變頻控制，運行頻率由水泵兩端水壓差來決定。水泵采用在此系統中冷量與水量不是比例關系，水量延緩于冷量的變化，會出現“小溫差，大流量”的情況。如果系統需要的冷量高于額定冷量的50%時，2臺冷水機組、冷水泵同時運行。當出現冷量減少到一半的工況時，就關掉一臺冷水機組和一臺冷水泵。冷凍水溫差控制采用分季節、分時段控制，室外溫度傳感器反饋作為輔助控制，如溫度和季節完全不符合，就相應做出調整，以適應各種季節的特殊天氣。

圖2 水系統結構圖

2.4 控制電路結構地鐵車站的變頻節能改造控制是一個系統方案，除了增加變頻器外，要將變頻控制方法融入軟件控制系統中。可以通過在現有HMI（人機界面）、PLC（可編程邏輯控制器）上進行深度的集成，增加變頻工藝參數及相關監控功能。同時將變頻控制的相關參數（如頻率、自動／手動控制方式等）上傳至車站BAS（環境與設備監控系統）并上傳至調度中心。環調通過BAS系統實現對車站溫度的自動控制及必要時的手動干預，從而滿足車站舒適度與節能要求。變頻改造兼顧車站火災防排煙功能，BAS系統啟動火災模式后，變頻風機能自動切換到工頻運行，與火災控制模式保持一致。

3 變風量控制的效益分析

變風量控制的優越性得到越來越多單位的認可，并運用到項目改造、設計施工中。

3.1 三山街站的變頻節能效果隋海美等在2010年選取三山街站2天的地鐵站空調通風系統運行能耗進行對比〔1〕，一天使用自動變頻工作方式，在該工作方式下冷水機組、冷水泵、冷卻泵、冷卻塔風機、大系統變頻風機和小系統變頻風機的總能耗僅為1852.8 kW,而另一天使用手動定頻工作方式時的總能耗為5178.3 kW，自動變頻模式下的能耗僅僅是手動定頻控制的35.8%，節能效果明顯。

3.2 華僑城站的變頻節能效果深圳市地鐵集團有限公司運營分公司的王憲等〔3〕，在2011年分析了華僑城站變頻改造的節能效果。改造前一年能耗1 329 248 kW，變頻改造后1年能耗為946 425 kW，變頻運行的能耗是定頻運行的71.8%，每年可以節約電費31.4萬元，3年可收回變頻改造成本。

3.3 杭州地區地鐵變頻節能中鐵二院的楊巨瀾〔4〕在2008年對杭州某地鐵站進行分析后認為，變頻系統節能約40%，雖然初投資略高于定頻系統，但是運行費用低。由于初、近期客流負荷更小，節能效果也就更明顯，所以在運行2年之內即可收回加裝變頻器所增加的初投資。

3.4 上海浦電路站的變頻節能上海軌道交通4號線浦電路站的變頻控制排熱風機、空調風機和回排風機3臺風機總計節能率達到70.17%，節能效果十分顯著〔5〕。

4 結束語

地鐵環控系統的能源消耗與外界氣侯條件、列車運行模式、客流量、系統控制方式和風機運行模式等諸多因素有關。地鐵車站空調系統運行時可以根據實際負荷需求對風量、水量進行變頻控制，也可以根據不同季節時間來決定運行模式，采用控制策略不同獲得的節能效果不同。要取得理想的節能效果，還需要根據氣候條件，合理設計環境調節系統，優化控制算法。研究人員和地鐵施工方可以針對地鐵的變頻節能方案進行深入研究，用科學的智能控制方法，使變頻變風量、變水量控制方法既能滿足乘客舒適性要求，又能夠充分節約能源。

〔1〕隋海美,陸源清.淺談南京地鐵一號線BAS系統的節能效應〔J〕.制冷空調，2010,131（31）：64-67.

〔2〕李麗.軌道交通車站冷凍水系統變頻節能技術探討〔J〕.地下工程與隧道,2007（4）：49-51.

〔3〕王憲,李夔.深圳地鐵車站中央空調系統變頻節能改造方案分析〔J〕.制冷,2011,30（4）：45-48

〔4〕楊巨瀾,地鐵通風空調系統變頻技術方案探討〔J〕,制冷與空調，2008，22（4）：37-41

〔5〕張光達,何斌,王曉保.基于變頻控制的地鐵站環控系統節能效果測試〔J〕.現代城市軌道交通,2010（1）：28-30.