地铁通风系统节能技术的探讨

吴晓凤（西安铁路职业技术学院　,西安　710014）

地铁通风系统节能技术的探讨

吴晓凤
（西安铁路职业技术学院,西安710014）

摘要：地铁已经成为城市交通最重要的组成部分，但巨大的能耗成为制约其发展的主要因素。本文通过对地铁通风系统的研究，提出了变频变风控制技术在地铁通风系统中应用，不仅有效提高了通风效果，而且大大节约了地铁系统能耗。

关键词：地铁;通风;变频变风;能耗

0　引言

目前，我国城市交通问题越来越严重，地铁具有运量大、速度快、安全、环保、乘坐方便等优点，成为解决城市交通问题的首选方式，但地铁巨大的投资和运营成本却成为制约其发展的主要因素。因此，有效降低运营成本是地铁可持续发展必须要解决的问题，在运营成本中，通风系统的运行能耗约占地铁总能耗的1/3。[1]在通风系统中，风机、空气压缩机等大功率设备基本采用恒定转速恒定风量运行，造成巨大的能耗浪费，分析如何利用变频技术来解决负载变化时，通过风量控制来合理利用能源，对于降低地铁运行能耗是非常有意义的。

1　地铁通风系统结构

西安地铁二号线通风系统采用屏蔽门制式环控系统，包括大系统和小系统，大系统是指车站公共区空调通风兼排烟系统，小系统是指设备管理用房空调通风系统兼排烟系统。由于大系统包括组合式空调箱、回排风机等大功率设备，因此，将大系统作为研究变频节能技术的主要目标，其典型结构图如图1所示。

图1　大系统典型结构图

2　地铁通风系统控制方式

目前，地铁通风系统中主要有两种控制方式：定风量运行和变风量控制[4]。

2.1定风量运行方式

定风量运行方式是指通过调节设备的运行台数来适应车站的负荷变化，而通风系统是按照早晚两个客流负荷高峰进行设计选型的，必须满足两个峰值的风量，但是在非高峰负荷时，就会造成风量浪费；通常，设备选型还需要考虑远期客流量，通常是按照近期客流量的2～3倍进行考虑，因此，所选设备的容量会远远大于近期车站负荷。由于通风系统大部分是在部分负荷情况下运行，长期处于“大马拉小车”的状况下，造成能源的浪费，通常风机运行时的平均风量能耗仅为设计的70%左右，因此，定风量运行方式不能降低地铁运行能耗。

2.2变风量控制方式

变风量控制是指通过改变送入车站的风量来满足负荷的变化。根据上面分析，通风系统大部分时间在部分负荷下运行，通过风量的减小达到风机能耗的降低，不仅可以达到降低地铁运行能耗的目的，而且可以大大减小机械的磨损，减小维护时间，改善设备性能。

3　地铁通风系统变频控制

3.1变频节能原理

风机采用转速调节改变风量、流量，可以节约电能，常规采用控制挡板和阀门的开度节流调节，浪费电能[2]。

风量Q与转速n成正比：

风压H与转速n的平方成正比：

电动机的轴功率Ρ与QH成正比，即与转速n的三次方成正比：

式中K1，K2，K3为常数

轴功率Ρ还可以表示为：

式中η—风机效率；

Q—风量，m3/s；

H—风压，Ρа；

N—转速，r/min。

由式（1）可知，如需将风量降低1/2，只需将转速降低1/2即可，而同时轴功率减少为原来的1/8，即减少了7/8的轴功率，节能效果明显。

3.2地铁通风变频节能控制

地铁通风工程中变频变风调速主要采用以下几种方式：

（1）仅隧道排热风机兼站台隧道排风机采用变频调节；

（2）大系统中回排风机、组合空调器采用变频调节；

（3）大系统回排风机、组合空调器、冷水泵都采用变频调节[5]；

实际运行中，隧道排热通风系统风机属于长期运行风机，在初期使用低速档运行，远期采用高速档运行，因此采用双速风机即可实现节能。

由于在地铁通风系统运行中风机能耗占最大的比例，因此大系统中风机、空调器,、冷水泵采用变频变风量调节，可以大大降低能耗，减小地铁运行成本。

3.2.1风机变频控制

风机变频节能控制采用变频器进行转速调节，达到调节风量的目的。同时变频器带有旁路功能，当需要满负荷运行时切换的工频运行，通过站内各种温度、气体浓度反馈信号，利用智能控制算法控制变频器的运行频率和风阀的开度，调节风量。

图2　风机变频控制原理图

在实际运行中，不用所有风机控制都配变频器，这样会增加成本，因为不是所有的风机都需要变频运行的，可以通过部分风机进行变频控制，其余风机工频运行的方式，即达到了节能的目的，又降低了投资成本。

风机变频控制原理图如图2所示，变频工作时，断路器QF1，QF2闭合，QF3断开，变频器接入控制回路，可以通过对检测到的各种反馈信号进行分析，从而对变频器的输入频率进行自动调整，达到调整风机转速的目的，也可以通过手动方式对变频器进行就地和远程操作。正常情况下，风机处于自动工作模式，即通过DCS对采集的反馈信号进行分析，与变频器的给定频率值进行连锁设定，自动调整输入频率，从而对风机转速进行自动调节，控制通风机风量，达到与负荷匹配的目的，当车站温度或二氧化碳浓度过高，则调高转速，增大新风，当车站温度或二氧化碳浓度较低时则降低转速，使风机按照经济方式运行，从而节约电能。当变频器故障或者风机需要全负荷运行时，可自动切换到工频运行，此时断路器QF1，QF3闭合，QF2断开，通过接触器进行风机的启停，正反转操作。

3.2.2冷水泵变频控制

地铁空调器采用变频空调，通过公共区的温度反馈来控制空调器的送风量，当空调送风量调整到一定程度后采用调节冷冻水的流量来控制温度。水系统的结构如图3所示[3]，图中旁通管道上设置一个压差控制阀A，系统末端设置一个双通调节阀B，两台冷水泵LB并联，再与冷水机组LS串联。电动双通调节阀根据冷却水进出水管的温差进行调节开度大小，冷水泵采用变频控制，根据水泵两端的水压表的值来调整变频器的输入频率，达到调整冷水泵流量的目的。这种方式比采用阀门来调整流量节省电能，通过阀门调整流量时，冷水泵一直处于额定功率运行，能量大多消耗在了阀门处，浪费电能。因此冷水泵采用变频控制可以节约电能，降低地铁运行成本。

4　结语

在地铁通风系统中采用变频变风技术，不仅可以通过实际负荷对风量和水量进行自动调节，而且具有显著的节能效果。

图3　水系统结构图

参考文献：

[1]城市轨道交通通风空调多功能设备集成系统[J].暖通空调,2009(39).

[2]变频调速器在风机中的节能应用[J].风机技术,2003(02).

[3]轨道交通车站冷冻水系统变频节能技术探讨[J].地下工程与隧道,2007(04).

[4]城市轨道交通通风空调系统技术发展新趋势[J].都市快轨交通,2004(06).

[5]浅析变频控制技术在空调通风系统中的节能应用[J].东莞理工学院学报,2008(06).

点光源LED智能航标灯器的发光功率为3W时，LED发出的光通量是220lm，带入以上公式，考虑到防护罩的透光率，计算得出

根据中华人民共和国交通行业标准JT7007-93《航标灯光强测量和灯光射程计算》。

航标灯闪光的有效光强计算采用“布朗德尔-雷”公式：Ie=I。t/(α+t)

式中：

Ie为航标灯闪光有效光强，单位为坎德拉（cd）；

I。为定光光强，单位为坎德拉（cd）；

t为闪光的明的持续时间，单位为秒（s），此处按0.2秒取值；

α为视觉时间常数，此处取0.2。

据此计算得出灯器的有效光强为51cd。

航标灯的灯光射程指在黑暗情况下，气象能见度在反差率为0.05的条件下，距离为10nmile（对应于大气透射系数T=0.74）时，该灯光在肉眼上所产生的光照度E为0.2Lux时所处的距离。

采用阿拉特定律，根据灯光光强求出灯光射程：

式中各参数定义为：

D为灯光射程（nmile）；

E为照度阈值，E=0.586；

T为大气投射系数，T=0.74；

I为灯光光强（cd），计算时以有效光强代入

根据此公式计算，得出灯器的最大射程为4.5海里，超过了设计要求。

5　LED的安全驱动

普通小功率LED驱动，只要能够满足恒流输出，就可以正常驱动，而大功率LED除了要满足基本的恒流外，还要解决散热、异常保护等问题，为使LED的长期稳定工作，灯器采取如下措施：（1）设置了高效的散热系统，由铜基板和太阳花自然冷却散热器组成的散热系统，可以使LED24小时稳定发光；（2）选用宽电压输入范围和具有短路、断路保护功能的高驱动电流降压型恒流LED驱动芯片LM3406，它内部集成2.0AMOSFET驱动管，输入电压6-42V，最大电流1.7A，具有ΡWM调光功能；利用该电路配合外围电路便可构成高效率、保护完善的LED驱动电路。由外部输入的9－36V直流电压，经过LM3406降压、恒流后输出，供LED使用。利用LM3406的DIM和RON控制输入，可以实现ΡWM输出功率调节和发光的休眠控制。将LM3406的RON和DIM端口，分别连接至ARM处理器的灯质控制口和ΡWM功率调节输出口，完成灯质和功率控制的功能。

6　结语

大功率LED与自由曲面侧发光透镜相结合，应用于航标灯器，设计了真正的点光源LED航标灯，实现了航标灯器的一个技术创新，该灯器消耗4W的功率，即可达到4.5海里以上的有效射程，节能效果明显，在航标灯器低功耗、高稳定方面也取得了一定的突破。

由于水平所限，文中不足之处在所难免，敬请各位专家批评指正。

[1]王英志.航标学[M].大连海事大学出版社,1997(09).

[2]郝允详,陈遐举,张保洲.光度学[M].中国计量出版社,2010(10).

作者简介：吴晓凤(1983-)，女，河南濮阳人，研究方向：电气自动化。 马睿(1982-)，男，山东青岛人,硕士，研究方向：航标管理。