变频控制技术在地铁站空调通风系统中的节能应用研究

刘欢

摘要：地铁站内空间大，维持正常运营需耗费大量能源，所以有必要科学采取节能降耗举措。利用变频控制技术可实现地铁站通风空调系统正常运转，达到环保节能的目的。围绕变频控制技术在地铁站空调通风系统中的节能应用展开讨论，分析地铁空调通风系统的结构组成，介绍变频控制技术实现原理，并系统阐述了基于变频控制技术的空调通风系统节能原理及应用。

关键词：变频控制技术；地铁站；空调通风系统；节能

0   引言

地铁工程中，通风空调系统是重要的机电设备组成，其包含设备数量多、运行环节复杂，整体设施运行需较大功率能耗维持，易导致能源浪费。变频控制技术是一类新型自动化控制技术，可有效改善通风空调系统控制运行效率，在保证正常通风、制冷功能的同时，可降低系统工作噪声，实现节能降耗[1]。本文针对变频控制技术在地铁站空调通风系统的实际应用展开探讨，以充分发挥变频控制技术特征优势，形成科学合理的节能降耗调控方案，为地铁通风空调系统节能运行提供借鉴。

1   地铁空调通风系统的结构组成

地铁站空调通风系统主要由风机、进出风口、过滤设备、送风管路等设施构成。

1.1   风机设备

空调通风系统中的风机主要用于调控地铁站内外空气流转，可实现短时间内的地铁站内空气传送，提升站内换气效率[2]。地铁站空调通风系统实施变风量调控通常参考站内运转情况及实际客流量情况。实际调控过程中，站内运转负荷通常低于变风量设施容量。

1.2   进出风口

空调通风系统进出风口可分成进风口和出风口两部分，进风口主要用于将站外空气引进站内，以实现站内具备充足的新鲜空气量；出风口主要用于将站内不新鲜的空气抽出至站外，以保证站内具备新鲜的空气质量。通过合理调节进、出风口，可实现站内空气质量的有效提升。

1.3   过滤设备

过滤设备主要用于地铁站内的空气的过滤，避免空气内杂质进入地铁站，被乘客呼入至体内形成呼吸危害。过滤设备通过将外界空气有效过滤、隔离操作，以达到降低进入站内的空气污染指数、改善站内空气质量的目的。

1.4   送风管路

空调通风系统送风管路主要用于系统空气输送，通风系统中进气、排气功能均应通过管路实现。送风管路设计应参照建筑实际整体结构完成设定，送风管路的长度应参考站内需要设计，通常送风管路需装设于地铁站墙体外侧。地铁站空调通风系统整体架构如图1所示。

2   变频控制技术实现原理

变频控制技术是节能降耗的重要实施手段，实现过程主要依据系统负荷情况，控制设备运行频率，在有效调控空调通风系统风机转速的基础上，完成风机输出功率的科学调节，以达到降耗节能的运行目标。在地铁空调通风系统中合理运用变频控制技术，可有效提高节电效率，实现节能降耗[3]。

在地铁站空调通风系统中应用变频技术，在不改变风机电动机状况的前提下，单台风机应搭配1台变频器。空调通风系统风机多通过工频直启动，产生的启动瞬时电流为额定电流的4～7倍。相较于工频风机电动机，变频器风机电动机脉动电流相对较大。

地铁空调通风系统变频器风机通常为二级负载装置，通过主备电源提供电源供给。其电源工作中易产生电压波动、电源故障等，导致主备电源间频繁切换。完成切换实现变频器二次启动时，如电动机频率同电源输出频率未形成匹配，易导致过流保护或过压保护，甚至会损坏设备。因此在选取变频器时，应确定其具备瞬间停电二次启动模式，同时应考虑消防方式、后续方便开发等因素。

3   基于变频控制技术的空调通风系统节能技术

3.1   风机系统变频控制

风机系统实施变频控制通常可分为3类模式：一是单一排热风机变频模式，二是排热风机和大系统共同变频模式，三是空调器机组、水泵与排热风机组合变频模式。地铁站内空匹配的风机功率大且运行时间长[4]，为達到理想节能降耗目标，应对风机实施变频控制。

3.1.1   地铁站通风调控

地铁站空调通风系统通常包括排风设备、空调箱、回风设备等。通风系统设计安装前，应主要参考客流峰值阶段用风量[5]。若选用定风量通风模式，在非高峰时段即会形成风量浪费，对此可通过变风量通风模式实现节能控制。基于变频控制技术下的变风量控制，可实现风量降低条件下保持风机使用效率不受影响，达到预计节能效果。利用变频控制技术可精准调控系统运转速率，避免开启风机通风系统对电力系统的负载冲击，保证通风系统的使用寿命。

3.1.2   地铁隧道通风调控

地铁站台下部及隧道顶端排热通风系统的工作时长，通常等同于地铁站的整体运行时长。为降低列车运营时产生的热量对站内形成的不利影响，在长时间热量清排工作模式下，感应装置一旦监测热量达到特定区间，即通过变频风机调控地铁隧道排风量，实现热量的及时清排调控。

3.2   空调水系统变频控制

空调水系统冷却水泵的型号和实际容量，是参照站内最大客流量负荷设计选型的[6]。空调水系统工作期间，通常长时间处在低功率运转模式下，会耗费大量的能量和资源。通过加装变频器实施变频控制，可实现水流量控制，降低水源浪费及污水排放。如对冷冻水泵实施变频控制，可防止空调不同系统间的相互干扰。

3.3   空调工作模式变频控制

地铁空调系统运行时，应重点关注风量和水量的变频控制，根据气候天气不同设定差异化工作方式，以实现节能降耗目的[7]。地铁站满负荷运营时间较少，大多数时间空调系统负荷较小，应用变频控制可实现站内风量和水量的按需调节，实现节能降耗和降本增效目的。

对空调水泵系统实施闭环改造，有利于提高运行效率、降低能源消耗。以时下主流的冷却水系统闭环控制改造方案为例，在确保冷却水外流的基础上，通过变频装置调控冷却水的流量。若空调中冷却水出水温度偏低，应相应变频调低冷却水流量。若空调中冷却水出水温度偏高，应相应变频增加冷却水流量。

3.4   差異化模式下空调变频控制

3.4.1   制冷模式下空调冷冻水泵闭环变频调控

满足地铁站空调系统末端设备冷冻水流量正常供给时，可将空调冷冻水泵设定至最低频率。在空调冷冻水系统主干管上配有温度传感装置，用于观测冷冻水回水水温。依据预先设定好的温度控制器对应变频器频率关系，参考实际水温调控变频状态调整冷冻水泵频率，如冷冻水回水温度高于预设水温，可将变频器频率适当调大，反之将频率调小。

3.4.2   制热模式下空调冷冻水泵闭环变频调控

此模式下的地铁站空调冷冻水泵闭环变频调控，通常在空调热泵工作时完成。在确保空调系统末端设备冷冻水流量正常供给的前提下，将最低冷冻水泵变频频率设定为下限工作频率。空调冷冻水泵闭环频率设定，依据装设在回水主干管温度传感器测定的回水温度，根据预设的变频器频率与温度控制器温度对应关系，实现变频器的合理调节。与制冷模式相区别的是，冷冻水回水水温越高，变频器对应的疏松频率越小。利用装设在冷冻水系统回水管的传感器监测温度，依据变频器预设参数，控制空调水系统温度处于合理区间。

4   变频控制技术在地铁站空调通风系统的应用

4.1   空调通风系统变频节能模式优化

实施地铁站变频节能项目优化改造时，应保证改造方案的全面系统性，在增加规定数量变频硬件设备的基础上，将自动化软件控制系统同变频调控方法有效结合，以充分实现节能效果。

空调通风系统变频节能模式优化流程如下：将变频控制系统中调节方式、频率给定等参数，上传至地铁站设备管理平台及调度指挥中心。通过BAS系统实现地铁站环境温度的自动化调节，特殊情况下可通过手动调节，以保证站内处于适宜的温度环境，并达到节能降耗的目的。变频节能方案中，还应考虑设置站内火灾消防排烟功能，一旦开启BAS系统的火灾模式，变频风机可自动切至工频工作方式，实现同火灾控制模式保持一致。经变频节能优化的空调通风系统结构如图2所示。

4.2   变风量变频控制应用

将变频控制技术应用到地铁站空调通风系统中，主要应用范围包括水系统、小系统、大系统等系统环境，尤其在大系统中应用效果显著。通过将箱送风机、回排风机实施变频控制，将新风设备实施风量定量运转，选择稳定送风模式调节送风量，可实现空调送风量及送风温度控制。与控制系统配合运转，通过变风量系统供给风量，在满足实际站内需要基础上，最大限度降低风量变化对功率的影响，通过自动化变频调控提升频率控制的灵活性，可达到节能降耗的效果。

从工作时长的角度分析，风机工作时长显著大于制冷时长。地铁站内空间大、人流多，风机运行功率也应高于制冷机功率。基于这一情况，利用变频控制技术对风量和风速实现控制调节，充分满足实际用风量需求。同时减少了通风启动瞬时对电力系统的破坏，有利于提高通风系统使用效率和使用寿命。

4.3   水系统和空调机组的变频控制方式应用

将变频控制技术应用到空调机组中，主要完成地铁站站台、站厅的温度调控。通过站内区域温度感应反馈，利用PID法控制调节空调机组送风量，以达到具有节能属性的温度控制效果。将变频装置应用在变频器转速控制调节中，送风温度会随着送风量的变化而变化，以此达到借助调节阀控制空调箱内冷水量的目的。如空调系统送风量降至一定区间，可对水系统的冷冻水泵实施闭环变频二次控制调节。具体为参照冷却水进、出水管温差参数，实现电动二通控制阀的水量调控。

通过采用变频节能控制技术，可对冷水泵实施有效控制，泵体频率调节主要由水泵两侧水压力差决定，水泵运行时主要参照系统内水量和冷量的对应关系。冷冻水温差的变频调节，应参考气候、温度等条件变化，借助地铁站室外温度传感装置辅助配合，若监测季节同温度不匹配，变频控制系统即可自动化调整。

5   结束语

本文通过分析地铁空调通风系统的结构组成，进而论述变频控制技术实现原理，探讨基于变频控制技术的空调通风系统节能实现过程，并提出了变频控制技术在地铁站空调通风系统的实际应用过程。将变频控制技术科学应用到地铁站空调通风系统中，可有效改善通风空调系统调控运行效率，在满足站内正常通风、制冷效果的前提下，降低系统运行过程噪声及能耗，减少运营成本。

参考文献

[1] 程远维.地铁通风空调系统设计及节能研究[J].建材与装饰，2018（40）：274-275.

[2] 刘浩恺，马飞，张德胜，等.地铁车站通风空调系统风水控制工艺节能难点及实现方法[J].工程技术研究，2021，6（21）：38-39.

[3] 戎峻.浅析变频控制技术在空调通风系统中的节能应用[J].山东工业技术，2017（16）：267-268.

[4] 王卉.变频控制技术在空调通风系统中的节能应用探讨[J].黄冈职业技术学院学报，2018，20（3）：116-118.

[5] 梁宇.浅析变频控制技术在空调通风系统中的节能应用[J].现代物业（中旬刊），2019（01） ：66.

[6] 陈雄艺.变频控制技术在空调通风系统中的节能应用探讨[J].科技尚品，2017（6）：158.

[7] 陈志慧.变频技术在煤矿机电设备中的应用[J].陕西煤炭，2019，38（4）：220-222.