变频节能技术在地铁通风空调系统中的应用研究

范东林

（重庆市轨道交通设计研究院有限责任公司，重庆 401122）

0 引言

随着我国经济水平的不断提高，城市化建设不断推进，人们的生活质量也在不断提升。背景下，我国交通行业也得到了不断发展和完善。尤其是地铁行业在近些年来取得了巨大的进步。为了推动地铁建设，提升交通运输水平，为人民日常生活提供保障，需要对地铁行业中所涉及的种种问题进行针对性处理和解决。现阶段，地铁通风问题成为地铁行业中比较重要的问题之一，地铁系统的通风效果决定着行业能否实现可持续发展。在地铁环境的调节系统当中，为了最大限度满足的最高功率需求，其输出的功率在设计中比较容易出现误区。在实际运行过程中容易造成能源的浪费。运用变频节能技术对改善地铁通风系统的效果十分明显，本文针对此类问题进行研究。

1 变频节能技术在地铁通风空调系统中的应用意义

随着我国科学技术的不断进步，地铁通风空调系统的研究设计取得了重要进展，当前已经可以设计出变风量空调通风系统，该系统包含空调冷风机，水泵以及排热风机等多个可以使用变频控制的装置。地铁行业的技术革新，在人们的日常生活当中也起着举足轻重的作用[1]。为了使节能技术不断改进和完善，地铁公司对车站内部系统进行了针对性的优化。就目前而言，除了地铁的出入口以及并排风口以外，其他的地方基本上是与外界隔绝的，如果地铁运行过程中产生的热量不能够及时排出，会使站台内的温度急剧上升，对车内乘客的乘坐环境也会造成不良影响。变频器工作原理如图1所示。

图1 变频器工作原理

综上所述，合适的地铁环控系统对于地铁正常运行有着很大的影响，可以为乘客营造舒适的乘车环境，并为列车的工作人员提供良好的工作环境。随着我国经济水平不断提高，可再生能源不断减少。目前我国面临着严重的能源危机，由于能源价格不断提升，使得我国地铁的运营成本也水涨船高，带来了巨大的经济损失。通过查询相关的文献和资料，可以发现地铁车站通风空调系统产生的热量是巨大的，消耗的电量占总耗能近50%。如果依靠先进的科学设备和技术，结合地铁本身能源消耗的实际情况，通过适当的通风系统设备，则可以减少能源的消耗。采用变频节能技术不仅能够保证地铁的正常运行、优化地铁的室内环境，还能够达到能源节约的目的，提升运营企业的经济效益，也推动了我国地铁行业的建设和发展。由于我国地铁行业相较于其他国家来说起步较晚，到目前为止，地铁行业的相关技术还没有完全发挥应有的功效[2]。在能源危机日益严重的今天，通过变频节能技术就可以有效解决此类问题，目前也得到了绝大多数地铁行业工作者的认可和推崇。

2 变频通风空调系统的相关节能原理分析

2.1 空调负荷分析变频空调的节能原理

地铁的成员单位以及新风负荷是整体变频通风空调系统的主要组成部分，相关设计人员需要根据站内实际的负荷，对照风量和水量的需求，然后进行科学合理的调节。尤其需要注意的是，风机和水泵输配系统是车站节能的重要设备，要想在站内运行电量消耗分析过程中对其进行合理的选择和类型分配，就需要对车站负荷变化进行大致预测，调节风机水泵等设备的运行状态，最大限度降低系统的运行成本。

2.2 地铁到站的节能原理

在地铁车站设计过程中，设计人员需要主动配合建筑行业对隧道的通风管道进行优化，对房间的具体布局以及空调系统的安装进行合理的设计。风井与机房位等建筑物的位置则需要在保证管路通畅的前提下进行设置，这样做能够最大限度地降低施工以及设计当中的不合理结构，而且能够有效避免能源耗损过大。在进行通风空调系统设计的过程中，需要增强设计者的竞争意识，相关的设计工作人员需要对地铁具体的符合特征进行数据整理与分析，最终生成优化后的设计方案[3]。设计过程中要尽量避免风管直角弯，科学合理地选择空调设备，使得其功率与地铁的能源消耗基本匹配，争取用最少的能源来为地铁运营企业带来最大的经济效益，提升企业的经济水平，同时也推动地铁行业的持续性发展。

2.3 系统节能原理

在分析空调机组系统的节能原理之前，要先对车站空调通风系统的结构进行分析。通常情况下，车站空调通风系统主要包括车站公共区空调通风系统以及设施管理用房空调通风系统，具体到某一车站，则需要针对车站空调通风系统的实际设置情况进行分析，其中，设施管理用房空调冷负荷会因为车站结构与规模的差异而受到不同的影响。如果不使用变频控制系统，在实际应用过程中就会受到很大程度的限制。本文主要针对车站公共区空调通风系统进行分析。通过对相关文献资料的分析，室外新风通过新风机送到新回风混合式。当外部的新风与车站内部的回风充分结合后，会通过组合式空调机组进行降温，然后将其输送到车站站厅以及站台等公共区域。在地铁车站空调通风负荷的设计工作中，其标准主要以30年为单位。以30年后远期规划的客流量为标准进行设计，其初期运行主要考虑3~5年内的客流量，通常情况下要比远期的小。通常情况下，在节假日以及上下班高峰期，车站客流量会逐渐增大，一年四季的气温变化也会对客流量产生一定程度的影响。若车站空调通风系统按照额定功率运行，就会造成一部分的能源浪费，或者造成一部分能量不足以支撑车站空调的正常运行和工作，导致设备超负荷运行[4]。变频控制系统的应用能够很好地解决这个问题，使车站空调系统能够根据实际情况进行合理的变化，在空调符合程度较低的时候，将空调风机转速适当减小，不仅能够节约能源，而且有利于避免设备的磨损；当空调负荷较高的时候，系统会自主控制空调风机转速，满足能量需求，为乘客提供一个舒适的乘坐环境。变频调速不仅在地铁车站和空调系统中有广泛的应用，在其他的领域，如环控系统中也有相关的应用经验，由于大部分应用场景仍然在摸索当中，车站公共区环控系统的消耗是非常大的，会随着人员的变化以及室外气象条件变化而发生显著改变。综上所述，未来无论怎么选择，变频节能技术都是主流，而且具有广阔的发展前景。地铁站环控大系统如图2所示。

图2 地铁站环控大系统

3 地铁空调系统的变频控制方案

3.1 回排风机的变频控制方法

通过对回排风机的具体变频控制方法进行分析可以发现，如果存在两台功率相同的回排风机，在变频和工频状态下都能有效工作。由于回排风机使用的是变频控制，可以根据站厅内与站台的实际温度、室外温度，比对站内二氧化碳浓度，将其参数维持在标准范围内，从而对系统结构进行功率调整，借助智能控制算法来控制回风阀的开度和回排风机的运行频率。单台风机的额定送风量小于回排风量时，回排风机运行在公平，另一台工作在变频；如果单台风机的额定送风量高于回排风量，则将会关闭一台风机，而另一台风机会在变频状态下正常工作。

3.2 空调机组及水系统的变频控制方法

变频空调机组用于站厅和站台温度的调节，开始是通过公共区温度的反馈来控制空调机组的送风量，采用PID（proportional integral derivative）控制方法实现。当空调送风量减少到一定程度后再调节水系统中冷冻水的流量。电动二通调节阀开度大小调节是依据冷却水进出水管温差。冷水泵使用变频控制，运行频率由水泵两端水压差来决定。水泵采用在此系统中的冷量与水量不是比例关系，水量延缓于冷量的变化，会出现“小温差，大流量”的情况。冷冻水温差控制采用分季节、分时段控制，室外温度传感器反馈作为辅助控制，如温度和季节完全不符合，就会做出相应调整，以适应各种季节的特殊天气[5]。水系统结构如图3所示。

图3 水系统结构

3.3 控制电路结构

地铁车站的变频节能改造控制是一个系统方案，除了增加变频器外，要将变频控制方法融入软件控制系统中。可以通过在现有人机界面（human machine interface,HMI）、可编程逻辑控制器（prograˉmmablelogic controller,PLC）上进行深度的集成，增加变频工艺参数及相关监控功能。同时将变频控制的相关参数（如频率、自动/手动控制方式等）上传至车站环境与设备监控系统（building automatic system,BAS）并上传至调度中心。环调通过BAS实现对车站温度的自动控制及必要时的手动干预，从而满足车站舒适度与节能要求。变频改造兼顾车站火灾防排烟功能，BAS启动火灾模式后，变频风机能自动切换到工频运行，与火灾控制模式保持一致[6]。硬件连接如图4所示。

图4 硬件连接

4 结语

随着我国城市化建设规模的不断扩大，对于地铁系统的要求也会不断提高。通过对变频节能技术的研究和改进，可以推动地铁行业的持续发展。而且近些年来，随着变频节能技术的不断发展，应用范围也不断扩大，在地铁行业应用的过程当中，相关工程的成本不断降低，为企业运营带来了足够的经济效益。针对我国的地铁通风空调系统而言，变频器的使用有效缓解了城市化进程加快和能源紧缺之间的矛盾，地铁设计工作人员需要及时认识到这一点，并且对系统进行改进，推动变频节能技术在地铁系统中的普及，促进行业进步。