范東林

（重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 401122）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，城市化建設(shè)不斷推進(jìn)，人們的生活質(zhì)量也在不斷提升。背景下，我國(guó)交通行業(yè)也得到了不斷發(fā)展和完善。尤其是地鐵行業(yè)在近些年來(lái)取得了巨大的進(jìn)步。為了推動(dòng)地鐵建設(shè)，提升交通運(yùn)輸水平，為人民日常生活提供保障，需要對(duì)地鐵行業(yè)中所涉及的種種問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性處理和解決?，F(xiàn)階段，地鐵通風(fēng)問(wèn)題成為地鐵行業(yè)中比較重要的問(wèn)題之一，地鐵系統(tǒng)的通風(fēng)效果決定著行業(yè)能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在地鐵環(huán)境的調(diào)節(jié)系統(tǒng)當(dāng)中，為了最大限度滿足的最高功率需求，其輸出的功率在設(shè)計(jì)中比較容易出現(xiàn)誤區(qū)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中容易造成能源的浪費(fèi)。運(yùn)用變頻節(jié)能技術(shù)對(duì)改善地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的效果十分明顯，本文針對(duì)此類問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 變頻節(jié)能技術(shù)在地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用意義

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)取得了重要進(jìn)展，當(dāng)前已經(jīng)可以設(shè)計(jì)出變風(fēng)量空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含空調(diào)冷風(fēng)機(jī)，水泵以及排熱風(fēng)機(jī)等多個(gè)可以使用變頻控制的裝置。地鐵行業(yè)的技術(shù)革新，在人們的日常生活當(dāng)中也起著舉足輕重的作用[1]。為了使節(jié)能技術(shù)不斷改進(jìn)和完善，地鐵公司對(duì)車(chē)站內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行了針對(duì)性的優(yōu)化。就目前而言，除了地鐵的出入口以及并排風(fēng)口以外，其他的地方基本上是與外界隔絕的，如果地鐵運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不能夠及時(shí)排出，會(huì)使站臺(tái)內(nèi)的溫度急劇上升，對(duì)車(chē)內(nèi)乘客的乘坐環(huán)境也會(huì)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(huán)控系統(tǒng)對(duì)于地鐵正常運(yùn)行有著很大的影響，可以為乘客營(yíng)造舒適的乘車(chē)環(huán)境，并為列車(chē)的工作人員提供良好的工作環(huán)境。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，可再生能源不斷減少。目前我國(guó)面臨著嚴(yán)重的能源危機(jī)，由于能源價(jià)格不斷提升，使得我國(guó)地鐵的運(yùn)營(yíng)成本也水漲船高，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)查詢相關(guān)的文獻(xiàn)和資料，可以發(fā)現(xiàn)地鐵車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)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(jìn)的科學(xué)設(shè)備和技術(shù)，結(jié)合地鐵本身能源消耗的實(shí)際情況，通過(guò)適當(dāng)?shù)耐L(fēng)系統(tǒng)設(shè)備，則可以減少能源的消耗。采用變頻節(jié)能技術(shù)不僅能夠保證地鐵的正常運(yùn)行、優(yōu)化地鐵的室內(nèi)環(huán)境，還能夠達(dá)到能源節(jié)約的目的，提升運(yùn)營(yíng)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，也推動(dòng)了我國(guó)地鐵行業(yè)的建設(shè)和發(fā)展。由于我國(guó)地鐵行業(yè)相較于其他國(guó)家來(lái)說(shuō)起步較晚，到目前為止，地鐵行業(yè)的相關(guān)技術(shù)還沒(méi)有完全發(fā)揮應(yīng)有的功效[2]。在能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，通過(guò)變頻節(jié)能技術(shù)就可以有效解決此類問(wèn)題，目前也得到了絕大多數(shù)地鐵行業(yè)工作者的認(rèn)可和推崇。

2 變頻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)節(jié)能原理分析

2.1 空調(diào)負(fù)荷分析變頻空調(diào)的節(jié)能原理

地鐵的成員單位以及新風(fēng)負(fù)荷是整體變頻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的主要組成部分，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)站內(nèi)實(shí)際的負(fù)荷，對(duì)照風(fēng)量和水量的需求，然后進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)節(jié)。尤其需要注意的是，風(fēng)機(jī)和水泵輸配系統(tǒng)是車(chē)站節(jié)能的重要設(shè)備，要想在站內(nèi)運(yùn)行電量消耗分析過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行合理的選擇和類型分配，就需要對(duì)車(chē)站負(fù)荷變化進(jìn)行大致預(yù)測(cè)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，最大限度降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

2.2 地鐵到站的節(jié)能原理

在地鐵車(chē)站設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要主動(dòng)配合建筑行業(yè)對(duì)隧道的通風(fēng)管道進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)房間的具體布局以及空調(diào)系統(tǒng)的安裝進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。風(fēng)井與機(jī)房位等建筑物的位置則需要在保證管路通暢的前提下進(jìn)行設(shè)置，這樣做能夠最大限度地降低施工以及設(shè)計(jì)當(dāng)中的不合理結(jié)構(gòu)，而且能夠有效避免能源耗損過(guò)大。在進(jìn)行通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要增強(qiáng)設(shè)計(jì)者的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，相關(guān)的設(shè)計(jì)工作人員需要對(duì)地鐵具體的符合特征進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析，最終生成優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案[3]。設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡量避免風(fēng)管直角彎，科學(xué)合理地選擇空調(diào)設(shè)備，使得其功率與地鐵的能源消耗基本匹配，爭(zhēng)取用最少的能源來(lái)為地鐵運(yùn)營(yíng)企業(yè)帶來(lái)最大的經(jīng)濟(jì)效益，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)水平，同時(shí)也推動(dòng)地鐵行業(yè)的持續(xù)性發(fā)展。

2.3 系統(tǒng)節(jié)能原理

在分析空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)的節(jié)能原理之前，要先對(duì)車(chē)站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通常情況下，車(chē)站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主要包括車(chē)站公共區(qū)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)以及設(shè)施管理用房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，具體到某一車(chē)站，則需要針對(duì)車(chē)站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)置情況進(jìn)行分析，其中，設(shè)施管理用房空調(diào)冷負(fù)荷會(huì)因?yàn)檐?chē)站結(jié)構(gòu)與規(guī)模的差異而受到不同的影響。如果不使用變頻控制系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中就會(huì)受到很大程度的限制。本文主要針對(duì)車(chē)站公共區(qū)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)資料的分析，室外新風(fēng)通過(guò)新風(fēng)機(jī)送到新回風(fēng)混合式。當(dāng)外部的新風(fēng)與車(chē)站內(nèi)部的回風(fēng)充分結(jié)合后，會(huì)通過(guò)組合式空調(diào)機(jī)組進(jìn)行降溫，然后將其輸送到車(chē)站站廳以及站臺(tái)等公共區(qū)域。在地鐵車(chē)站空調(diào)通風(fēng)負(fù)荷的設(shè)計(jì)工作中，其標(biāo)準(zhǔn)主要以30年為單位。以30年后遠(yuǎn)期規(guī)劃的客流量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其初期運(yùn)行主要考慮3~5年內(nèi)的客流量，通常情況下要比遠(yuǎn)期的小。通常情況下，在節(jié)假日以及上下班高峰期，車(chē)站客流量會(huì)逐漸增大，一年四季的氣溫變化也會(huì)對(duì)客流量產(chǎn)生一定程度的影響。若車(chē)站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)按照額定功率運(yùn)行，就會(huì)造成一部分的能源浪費(fèi)，或者造成一部分能量不足以支撐車(chē)站空調(diào)的正常運(yùn)行和工作，導(dǎo)致設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行[4]。變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題，使車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的變化，在空調(diào)符合程度較低的時(shí)候，將空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速適當(dāng)減小，不僅能夠節(jié)約能源，而且有利于避免設(shè)備的磨損；當(dāng)空調(diào)負(fù)荷較高的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自主控制空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，滿足能量需求，為乘客提供一個(gè)舒適的乘坐環(huán)境。變頻調(diào)速不僅在地鐵車(chē)站和空調(diào)系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，在其他的領(lǐng)域，如環(huán)控系統(tǒng)中也有相關(guān)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，由于大部分應(yīng)用場(chǎng)景仍然在摸索當(dāng)中，車(chē)站公共區(qū)環(huán)控系統(tǒng)的消耗是非常大的，會(huì)隨著人員的變化以及室外氣象條件變化而發(fā)生顯著改變。綜上所述，未來(lái)無(wú)論怎么選擇，變頻節(jié)能技術(shù)都是主流，而且具有廣闊的發(fā)展前景。地鐵站環(huán)控大系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 地鐵站環(huán)控大系統(tǒng)

3 地鐵空調(diào)系統(tǒng)的變頻控制方案

3.1 回排風(fēng)機(jī)的變頻控制方法

通過(guò)對(duì)回排風(fēng)機(jī)的具體變頻控制方法進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，如果存在兩臺(tái)功率相同的回排風(fēng)機(jī)，在變頻和工頻狀態(tài)下都能有效工作。由于回排風(fēng)機(jī)使用的是變頻控制，可以根據(jù)站廳內(nèi)與站臺(tái)的實(shí)際溫度、室外溫度，比對(duì)站內(nèi)二氧化碳濃度，將其參數(shù)維持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，從而對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率調(diào)整，借助智能控制算法來(lái)控制回風(fēng)閥的開(kāi)度和回排風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率。單臺(tái)風(fēng)機(jī)的額定送風(fēng)量小于回排風(fēng)量時(shí)，回排風(fēng)機(jī)運(yùn)行在公平，另一臺(tái)工作在變頻；如果單臺(tái)風(fēng)機(jī)的額定送風(fēng)量高于回排風(fēng)量，則將會(huì)關(guān)閉一臺(tái)風(fēng)機(jī)，而另一臺(tái)風(fēng)機(jī)會(huì)在變頻狀態(tài)下正常工作。

3.2 空調(diào)機(jī)組及水系統(tǒng)的變頻控制方法

變頻空調(diào)機(jī)組用于站廳和站臺(tái)溫度的調(diào)節(jié)，開(kāi)始是通過(guò)公共區(qū)溫度的反饋來(lái)控制空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)量，采用PID（proportional integral derivative）控制方法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)空調(diào)送風(fēng)量減少到一定程度后再調(diào)節(jié)水系統(tǒng)中冷凍水的流量。電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥開(kāi)度大小調(diào)節(jié)是依據(jù)冷卻水進(jìn)出水管溫差。冷水泵使用變頻控制，運(yùn)行頻率由水泵兩端水壓差來(lái)決定。水泵采用在此系統(tǒng)中的冷量與水量不是比例關(guān)系，水量延緩于冷量的變化，會(huì)出現(xiàn)“小溫差，大流量”的情況。冷凍水溫差控制采用分季節(jié)、分時(shí)段控制，室外溫度傳感器反饋?zhàn)鳛檩o助控制，如溫度和季節(jié)完全不符合，就會(huì)做出相應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)各種季節(jié)的特殊天氣[5]。水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 控制電路結(jié)構(gòu)

地鐵車(chē)站的變頻節(jié)能改造控制是一個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)中。可以通過(guò)在現(xiàn)有人機(jī)界面（human machine interface,HMI）、可編程邏輯控制器（prograˉmmablelogic controller,PLC）上進(jìn)行深度的集成，增加變頻工藝參數(shù)及相關(guān)監(jiān)控功能。同時(shí)將變頻控制的相關(guān)參數(shù)（如頻率、自動(dòng)/手動(dòng)控制方式等）上傳至車(chē)站環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（building automatic system,BAS）并上傳至調(diào)度中心。環(huán)調(diào)通過(guò)BAS實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)站溫度的自動(dòng)控制及必要時(shí)的手動(dòng)干預(yù)，從而滿足車(chē)站舒適度與節(jié)能要求。變頻改造兼顧車(chē)站火災(zāi)防排煙功能，BAS啟動(dòng)火災(zāi)模式后，變頻風(fēng)機(jī)能自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，與火災(zāi)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(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)城市化建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)于地鐵系統(tǒng)的要求也會(huì)不斷提高。通過(guò)對(duì)變頻節(jié)能技術(shù)的研究和改進(jìn)，可以推動(dòng)地鐵行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。而且近些年來(lái)，隨著變頻節(jié)能技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，在地鐵行業(yè)應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中，相關(guān)工程的成本不斷降低，為企業(yè)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了足夠的經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)我國(guó)的地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)而言，變頻器的使用有效緩解了城市化進(jìn)程加快和能源緊缺之間的矛盾，地鐵設(shè)計(jì)工作人員需要及時(shí)認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，并且對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，推動(dòng)變頻節(jié)能技術(shù)在地鐵系統(tǒng)中的普及，促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步。