變頻節能技術在地鐵通風空調系統中的應用研究

范東林

（重慶市軌道交通設計研究院有限責任公司，重慶 401122）

0 引言

隨著我國經濟水平的不斷提高，城市化建設不斷推進，人們的生活質量也在不斷提升。背景下，我國交通行業也得到了不斷發展和完善。尤其是地鐵行業在近些年來取得了巨大的進步。為了推動地鐵建設，提升交通運輸水平，為人民日常生活提供保障，需要對地鐵行業中所涉及的種種問題進行針對性處理和解決?，F階段，地鐵通風問題成為地鐵行業中比較重要的問題之一，地鐵系統的通風效果決定著行業能否實現可持續發展。在地鐵環境的調節系統當中，為了最大限度滿足的最高功率需求，其輸出的功率在設計中比較容易出現誤區。在實際運行過程中容易造成能源的浪費。運用變頻節能技術對改善地鐵通風系統的效果十分明顯，本文針對此類問題進行研究。

1 變頻節能技術在地鐵通風空調系統中的應用意義

隨著我國科學技術的不斷進步，地鐵通風空調系統的研究設計取得了重要進展，當前已經可以設計出變風量空調通風系統，該系統包含空調冷風機，水泵以及排熱風機等多個可以使用變頻控制的裝置。地鐵行業的技術革新，在人們的日常生活當中也起著舉足輕重的作用[1]。為了使節能技術不斷改進和完善，地鐵公司對車站內部系統進行了針對性的優化。就目前而言，除了地鐵的出入口以及并排風口以外，其他的地方基本上是與外界隔絕的，如果地鐵運行過程中產生的熱量不能夠及時排出，會使站臺內的溫度急劇上升，對車內乘客的乘坐環境也會造成不良影響。變頻器工作原理如圖1所示。

圖1 變頻器工作原理

綜上所述，合適的地鐵環控系統對于地鐵正常運行有著很大的影響，可以為乘客營造舒適的乘車環境，并為列車的工作人員提供良好的工作環境。隨著我國經濟水平不斷提高，可再生能源不斷減少。目前我國面臨著嚴重的能源危機，由于能源價格不斷提升，使得我國地鐵的運營成本也水漲船高，帶來了巨大的經濟損失。通過查詢相關的文獻和資料，可以發現地鐵車站通風空調系統產生的熱量是巨大的，消耗的電量占總耗能近50%。如果依靠先進的科學設備和技術，結合地鐵本身能源消耗的實際情況，通過適當的通風系統設備，則可以減少能源的消耗。采用變頻節能技術不僅能夠保證地鐵的正常運行、優化地鐵的室內環境，還能夠達到能源節約的目的，提升運營企業的經濟效益，也推動了我國地鐵行業的建設和發展。由于我國地鐵行業相較于其他國家來說起步較晚，到目前為止，地鐵行業的相關技術還沒有完全發揮應有的功效[2]。在能源危機日益嚴重的今天，通過變頻節能技術就可以有效解決此類問題，目前也得到了絕大多數地鐵行業工作者的認可和推崇。

2 變頻通風空調系統的相關節能原理分析

2.1 空調負荷分析變頻空調的節能原理

地鐵的成員單位以及新風負荷是整體變頻通風空調系統的主要組成部分，相關設計人員需要根據站內實際的負荷，對照風量和水量的需求，然后進行科學合理的調節。尤其需要注意的是，風機和水泵輸配系統是車站節能的重要設備，要想在站內運行電量消耗分析過程中對其進行合理的選擇和類型分配，就需要對車站負荷變化進行大致預測，調節風機水泵等設備的運行狀態，最大限度降低系統的運行成本。

2.2 地鐵到站的節能原理

在地鐵車站設計過程中，設計人員需要主動配合建筑行業對隧道的通風管道進行優化，對房間的具體布局以及空調系統的安裝進行合理的設計。風井與機房位等建筑物的位置則需要在保證管路通暢的前提下進行設置，這樣做能夠最大限度地降低施工以及設計當中的不合理結構，而且能夠有效避免能源耗損過大。在進行通風空調系統設計的過程中，需要增強設計者的競爭意識，相關的設計工作人員需要對地鐵具體的符合特征進行數據整理與分析，最終生成優化后的設計方案[3]。設計過程中要盡量避免風管直角彎，科學合理地選擇空調設備，使得其功率與地鐵的能源消耗基本匹配，爭取用最少的能源來為地鐵運營企業帶來最大的經濟效益，提升企業的經濟水平，同時也推動地鐵行業的持續性發展。

2.3 系統節能原理

在分析空調機組系統的節能原理之前，要先對車站空調通風系統的結構進行分析。通常情況下，車站空調通風系統主要包括車站公共區空調通風系統以及設施管理用房空調通風系統，具體到某一車站，則需要針對車站空調通風系統的實際設置情況進行分析，其中，設施管理用房空調冷負荷會因為車站結構與規模的差異而受到不同的影響。如果不使用變頻控制系統，在實際應用過程中就會受到很大程度的限制。本文主要針對車站公共區空調通風系統進行分析。通過對相關文獻資料的分析，室外新風通過新風機送到新回風混合式。當外部的新風與車站內部的回風充分結合后，會通過組合式空調機組進行降溫，然后將其輸送到車站站廳以及站臺等公共區域。在地鐵車站空調通風負荷的設計工作中，其標準主要以30年為單位。以30年后遠期規劃的客流量為標準進行設計，其初期運行主要考慮3~5年內的客流量，通常情況下要比遠期的小。通常情況下，在節假日以及上下班高峰期，車站客流量會逐漸增大，一年四季的氣溫變化也會對客流量產生一定程度的影響。若車站空調通風系統按照額定功率運行，就會造成一部分的能源浪費，或者造成一部分能量不足以支撐車站空調的正常運行和工作，導致設備超負荷運行[4]。變頻控制系統的應用能夠很好地解決這個問題，使車站空調系統能夠根據實際情況進行合理的變化，在空調符合程度較低的時候，將空調風機轉速適當減小，不僅能夠節約能源，而且有利于避免設備的磨損；當空調負荷較高的時候，系統會自主控制空調風機轉速，滿足能量需求，為乘客提供一個舒適的乘坐環境。變頻調速不僅在地鐵車站和空調系統中有廣泛的應用，在其他的領域，如環控系統中也有相關的應用經驗，由于大部分應用場景仍然在摸索當中，車站公共區環控系統的消耗是非常大的，會隨著人員的變化以及室外氣象條件變化而發生顯著改變。綜上所述，未來無論怎么選擇，變頻節能技術都是主流，而且具有廣闊的發展前景。地鐵站環控大系統如圖2所示。

圖2 地鐵站環控大系統

3 地鐵空調系統的變頻控制方案

3.1 回排風機的變頻控制方法

通過對回排風機的具體變頻控制方法進行分析可以發現，如果存在兩臺功率相同的回排風機，在變頻和工頻狀態下都能有效工作。由于回排風機使用的是變頻控制，可以根據站廳內與站臺的實際溫度、室外溫度，比對站內二氧化碳濃度，將其參數維持在標準范圍內，從而對系統結構進行功率調整，借助智能控制算法來控制回風閥的開度和回排風機的運行頻率。單臺風機的額定送風量小于回排風量時，回排風機運行在公平，另一臺工作在變頻；如果單臺風機的額定送風量高于回排風量，則將會關閉一臺風機，而另一臺風機會在變頻狀態下正常工作。

3.2 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（proportional integral derivative）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。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的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。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，就會做出相應調整，以適應各種季節的特殊天氣[5]。水系統結構如圖3所示。

圖3 水系統結構

3.3 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?？梢酝ㄟ^在現有人機界面（human machine interface,HMI）、可編程邏輯控制器（prograˉmmablelogic controller,PLC）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）上傳至車站環境與設備監控系統（building automatic system,BAS）并上傳至調度中心。環調通過BAS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[6]。硬件連接如圖4所示。

圖4 硬件連接

4 結語

隨著我國城市化建設規模的不斷擴大，對于地鐵系統的要求也會不斷提高。通過對變頻節能技術的研究和改進，可以推動地鐵行業的持續發展。而且近些年來，隨著變頻節能技術的不斷發展，應用范圍也不斷擴大，在地鐵行業應用的過程當中，相關工程的成本不斷降低，為企業運營帶來了足夠的經濟效益。針對我國的地鐵通風空調系統而言，變頻器的使用有效緩解了城市化進程加快和能源緊缺之間的矛盾，地鐵設計工作人員需要及時認識到這一點，并且對系統進行改進，推動變頻節能技術在地鐵系統中的普及，促進行業進步。