變頻控制技術在地鐵站空調通風系統中的節能應用研究

劉歡

摘要：地鐵站內空間大，維持正常運營需耗費大量能源，所以有必要科學采取節能降耗舉措。利用變頻控制技術可實現地鐵站通風空調系統正常運轉，達到環保節能的目的。圍繞變頻控制技術在地鐵站空調通風系統中的節能應用展開討論，分析地鐵空調通風系統的結構組成，介紹變頻控制技術實現原理，并系統闡述了基于變頻控制技術的空調通風系統節能原理及應用。

關鍵詞：變頻控制技術；地鐵站；空調通風系統；節能

0? ?引言

地鐵工程中，通風空調系統是重要的機電設備組成，其包含設備數量多、運行環節復雜，整體設施運行需較大功率能耗維持，易導致能源浪費。變頻控制技術是一類新型自動化控制技術，可有效改善通風空調系統控制運行效率，在保證正常通風、制冷功能的同時，可降低系統工作噪聲，實現節能降耗[1]。本文針對變頻控制技術在地鐵站空調通風系統的實際應用展開探討，以充分發揮變頻控制技術特征優勢，形成科學合理的節能降耗調控方案，為地鐵通風空調系統節能運行提供借鑒。

1? ?地鐵空調通風系統的結構組成

地鐵站空調通風系統主要由風機、進出風口、過濾設備、送風管路等設施構成。

1.1? ?風機設備

空調通風系統中的風機主要用于調控地鐵站內外空氣流轉，可實現短時間內的地鐵站內空氣傳送，提升站內換氣效率[2]。地鐵站空調通風系統實施變風量調控通常參考站內運轉情況及實際客流量情況。實際調控過程中，站內運轉負荷通常低于變風量設施容量。

1.2? ?進出風口

空調通風系統進出風口可分成進風口和出風口兩部分，進風口主要用于將站外空氣引進站內，以實現站內具備充足的新鮮空氣量；出風口主要用于將站內不新鮮的空氣抽出至站外，以保證站內具備新鮮的空氣質量。通過合理調節進、出風口，可實現站內空氣質量的有效提升。

1.3? ?過濾設備

過濾設備主要用于地鐵站內的空氣的過濾，避免空氣內雜質進入地鐵站，被乘客呼入至體內形成呼吸危害。過濾設備通過將外界空氣有效過濾、隔離操作，以達到降低進入站內的空氣污染指數、改善站內空氣質量的目的。

1.4? ?送風管路

空調通風系統送風管路主要用于系統空氣輸送，通風系統中進氣、排氣功能均應通過管路實現。送風管路設計應參照建筑實際整體結構完成設定，送風管路的長度應參考站內需要設計，通常送風管路需裝設于地鐵站墻體外側。地鐵站空調通風系統整體架構如圖1所示。

2? ?變頻控制技術實現原理

變頻控制技術是節能降耗的重要實施手段，實現過程主要依據系統負荷情況，控制設備運行頻率，在有效調控空調通風系統風機轉速的基礎上，完成風機輸出功率的科學調節，以達到降耗節能的運行目標。在地鐵空調通風系統中合理運用變頻控制技術，可有效提高節電效率，實現節能降耗[3]。

在地鐵站空調通風系統中應用變頻技術，在不改變風機電動機狀況的前提下，單臺風機應搭配1臺變頻器。空調通風系統風機多通過工頻直啟動，產生的啟動瞬時電流為額定電流的4～7倍。相較于工頻風機電動機，變頻器風機電動機脈動電流相對較大。

地鐵空調通風系統變頻器風機通常為二級負載裝置，通過主備電源提供電源供給。其電源工作中易產生電壓波動、電源故障等，導致主備電源間頻繁切換。完成切換實現變頻器二次啟動時，如電動機頻率同電源輸出頻率未形成匹配，易導致過流保護或過壓保護，甚至會損壞設備。因此在選取變頻器時，應確定其具備瞬間停電二次啟動模式，同時應考慮消防方式、后續方便開發等因素。

3? ?基于變頻控制技術的空調通風系統節能技術

3.1? ?風機系統變頻控制

風機系統實施變頻控制通常可分為3類模式：一是單一排熱風機變頻模式，二是排熱風機和大系統共同變頻模式，三是空調器機組、水泵與排熱風機組合變頻模式。地鐵站內空匹配的風機功率大且運行時間長[4]，為達到理想節能降耗目標，應對風機實施變頻控制。

3.1.1? ?地鐵站通風調控

地鐵站空調通風系統通常包括排風設備、空調箱、回風設備等。通風系統設計安裝前，應主要參考客流峰值階段用風量[5]。若選用定風量通風模式，在非高峰時段即會形成風量浪費，對此可通過變風量通風模式實現節能控制。基于變頻控制技術下的變風量控制，可實現風量降低條件下保持風機使用效率不受影響，達到預計節能效果。利用變頻控制技術可精準調控系統運轉速率，避免開啟風機通風系統對電力系統的負載沖擊，保證通風系統的使用壽命。

3.1.2? ?地鐵隧道通風調控

地鐵站臺下部及隧道頂端排熱通風系統的工作時長，通常等同于地鐵站的整體運行時長。為降低列車運營時產生的熱量對站內形成的不利影響，在長時間熱量清排工作模式下，感應裝置一旦監測熱量達到特定區間，即通過變頻風機調控地鐵隧道排風量，實現熱量的及時清排調控。

3.2? ?空調水系統變頻控制

空調水系統冷卻水泵的型號和實際容量，是參照站內最大客流量負荷設計選型的[6]。空調水系統工作期間，通常長時間處在低功率運轉模式下，會耗費大量的能量和資源。通過加裝變頻器實施變頻控制，可實現水流量控制，降低水源浪費及污水排放。如對冷凍水泵實施變頻控制，可防止空調不同系統間的相互干擾。

3.3? ?空調工作模式變頻控制

地鐵空調系統運行時，應重點關注風量和水量的變頻控制，根據氣候天氣不同設定差異化工作方式，以實現節能降耗目的[7]。地鐵站滿負荷運營時間較少，大多數時間空調系統負荷較小，應用變頻控制可實現站內風量和水量的按需調節，實現節能降耗和降本增效目的。

對空調水泵系統實施閉環改造，有利于提高運行效率、降低能源消耗。以時下主流的冷卻水系統閉環控制改造方案為例，在確保冷卻水外流的基礎上，通過變頻裝置調控冷卻水的流量。若空調中冷卻水出水溫度偏低，應相應變頻調低冷卻水流量。若空調中冷卻水出水溫度偏高，應相應變頻增加冷卻水流量。

3.4? ?差異化模式下空調變頻控制

3.4.1? ?制冷模式下空調冷凍水泵閉環變頻調控

滿足地鐵站空調系統末端設備冷凍水流量正常供給時，可將空調冷凍水泵設定至最低頻率。在空調冷凍水系統主干管上配有溫度傳感裝置，用于觀測冷凍水回水水溫。依據預先設定好的溫度控制器對應變頻器頻率關系，參考實際水溫調控變頻狀態調整冷凍水泵頻率，如冷凍水回水溫度高于預設水溫，可將變頻器頻率適當調大，反之將頻率調小。

3.4.2? ?制熱模式下空調冷凍水泵閉環變頻調控

此模式下的地鐵站空調冷凍水泵閉環變頻調控，通常在空調熱泵工作時完成。在確保空調系統末端設備冷凍水流量正常供給的前提下，將最低冷凍水泵變頻頻率設定為下限工作頻率。空調冷凍水泵閉環頻率設定，依據裝設在回水主干管溫度傳感器測定的回水溫度，根據預設的變頻器頻率與溫度控制器溫度對應關系，實現變頻器的合理調節。與制冷模式相區別的是，冷凍水回水水溫越高，變頻器對應的疏松頻率越小。利用裝設在冷凍水系統回水管的傳感器監測溫度，依據變頻器預設參數，控制空調水系統溫度處于合理區間。

4? ?變頻控制技術在地鐵站空調通風系統的應用

4.1? ?空調通風系統變頻節能模式優化

實施地鐵站變頻節能項目優化改造時，應保證改造方案的全面系統性，在增加規定數量變頻硬件設備的基礎上，將自動化軟件控制系統同變頻調控方法有效結合，以充分實現節能效果。

空調通風系統變頻節能模式優化流程如下：將變頻控制系統中調節方式、頻率給定等參數，上傳至地鐵站設備管理平臺及調度指揮中心。通過BAS系統實現地鐵站環境溫度的自動化調節，特殊情況下可通過手動調節，以保證站內處于適宜的溫度環境，并達到節能降耗的目的。變頻節能方案中，還應考慮設置站內火災消防排煙功能，一旦開啟BAS系統的火災模式，變頻風機可自動切至工頻工作方式，實現同火災控制模式保持一致。經變頻節能優化的空調通風系統結構如圖2所示。

4.2? ?變風量變頻控制應用

將變頻控制技術應用到地鐵站空調通風系統中，主要應用范圍包括水系統、小系統、大系統等系統環境，尤其在大系統中應用效果顯著。通過將箱送風機、回排風機實施變頻控制，將新風設備實施風量定量運轉，選擇穩定送風模式調節送風量，可實現空調送風量及送風溫度控制。與控制系統配合運轉，通過變風量系統供給風量，在滿足實際站內需要基礎上，最大限度降低風量變化對功率的影響，通過自動化變頻調控提升頻率控制的靈活性，可達到節能降耗的效果。

從工作時長的角度分析，風機工作時長顯著大于制冷時長。地鐵站內空間大、人流多，風機運行功率也應高于制冷機功率。基于這一情況，利用變頻控制技術對風量和風速實現控制調節，充分滿足實際用風量需求。同時減少了通風啟動瞬時對電力系統的破壞，有利于提高通風系統使用效率和使用壽命。

4.3? ?水系統和空調機組的變頻控制方式應用

將變頻控制技術應用到空調機組中，主要完成地鐵站站臺、站廳的溫度調控。通過站內區域溫度感應反饋，利用PID法控制調節空調機組送風量，以達到具有節能屬性的溫度控制效果。將變頻裝置應用在變頻器轉速控制調節中，送風溫度會隨著送風量的變化而變化，以此達到借助調節閥控制空調箱內冷水量的目的。如空調系統送風量降至一定區間，可對水系統的冷凍水泵實施閉環變頻二次控制調節。具體為參照冷卻水進、出水管溫差參數，實現電動二通控制閥的水量調控。

通過采用變頻節能控制技術，可對冷水泵實施有效控制，泵體頻率調節主要由水泵兩側水壓力差決定，水泵運行時主要參照系統內水量和冷量的對應關系。冷凍水溫差的變頻調節，應參考氣候、溫度等條件變化，借助地鐵站室外溫度傳感裝置輔助配合，若監測季節同溫度不匹配，變頻控制系統即可自動化調整。

5? ?結束語

本文通過分析地鐵空調通風系統的結構組成，進而論述變頻控制技術實現原理，探討基于變頻控制技術的空調通風系統節能實現過程，并提出了變頻控制技術在地鐵站空調通風系統的實際應用過程。將變頻控制技術科學應用到地鐵站空調通風系統中，可有效改善通風空調系統調控運行效率，在滿足站內正常通風、制冷效果的前提下，降低系統運行過程噪聲及能耗，減少運營成本。

參考文獻

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[2] 劉浩愷，馬飛，張德勝，等.地鐵車站通風空調系統風水控制工藝節能難點及實現方法[J].工程技術研究，2021，6（21）：38-39.

[3] 戎峻.淺析變頻控制技術在空調通風系統中的節能應用[J].山東工業技術，2017（16）：267-268.

[4] 王卉.變頻控制技術在空調通風系統中的節能應用探討[J].黃岡職業技術學院學報，2018，20（3）：116-118.

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[7] 陳志慧.變頻技術在煤礦機電設備中的應用[J].陜西煤炭，2019，38（4）：220-222.