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1、地铁通风空调系统变频技术前言：通过对现有地铁能耗分析可知，地铁是城市公交设施中的用电大户。因此解决地铁节能问题是目前国际上正在大力实施的一个课 题。地铁通风空调系统能耗占整个地铁系统能耗比重较大，约为整个地铁能耗的25%35%,因而通风空调系统的节能有着十分重要 的意义。一变频节能基本原理目前国内大多数地铁车站通风空调系统是定流量系统。这种系统虽然简便，但是不能根据客流、气候的变化，有效调节能量供应、 实现节能。从使用功能上分析，地铁车站通风空调系统要求的风量不是恒定的，随着天客流变化而是在不同时段有不同流量的输送要 求。这就需要采用一定的技术手段，在不同时段供给不同流量，这种传输系统就是变流
2、量系统。电动机消耗功率与其转速的三次方成正 比，降低转速运行时，可以节约大量的电能。二变频技术方案分析近几年，通过变频技术降低地铁通风空调系统能耗已经成为各设计单位、业主的共识，但具体技术方案各不相同。按变频设备分类 主要有两种，第一种是仅隧道通风系统中的排热风机变频，第二种是排热风机和大系统中回排风机、组合空调器都变频。按控制模式分 类主要有两种，第一种是分时段控制，第二种是实时控制。笔者认为成功的地铁通风空调系统变频技术方案，需要解决好三个问题，一是各子系统采用变频技术的必要性分析，二是节能效果 评价，三是变频系统运行可靠性分析。下面围绕这三个问题，对地铁通风空调系统各子系统进行分析，力求
3、得出最佳的变频技术方案。2.1隧道通风系统隧道通风系统包括两个子系统，区间隧道通风系统和车行区排热系统。2.1.1区间隧道通风系统区间隧道通风系统的任务是早、晚隧道机械通风和事故通风，其负荷稳定、且运行时间短，没有变频的必要。2.1.2车行区排热系统2.2.2.1必要性分析车行区排热系统在地铁运营期间需长期运行，能耗巨大，且负荷变化明显，因而排热风机有必要采用变频技术。2.1.2.2节能效果评价以杭州某地铁车站为例，评价排热风机变频的节能效果。列车每小时运行的对数直接影响到区间隧道内的温度；而排热风机为排除列 车产生的热量，它的选型也直接决定于列车每小时运行的对数。在工程设计中，排热风机的选型
4、是以远期高峰时段列车的运行对数为条 件，通常选用定速风机，但即使是在远期，其低峰小时的列车运行对数还不到高峰小时的一半。因此，笔者认为：在排热风机选型时不仅要考虑远期高峰时段的列车运行对数的因素;还应考虑到远期平、低峰时段列车每小时运行 对数和初、近期不同时段的列车每小时运行对数的因素。综合考虑列车对数对区间隧道温度和排热风机选型的影响，我们以不同的列车 对数作为不同的基本工况条件分为三个工况A C,其假设条件分别为：工况A：指列车对数在10”-6对之间，排热风机初选2O /h;工况B：指列车对数在2012对之间，排热风机初选30m3/h;工况C：指列车对数在3022对之间，排热风机初选40m
5、。风机有三个工作点：工作点1：满足工况A的运行要求，排热风机风量20m功率6.9kw：工作点2：满足工况B的运行要求，排热风机风量30m /h功率23。2kw;工作点3：满足工况C及阻塞、火灾的运行要求，排热风机风量40rn3/h功率55kw。因此，我们将排热风机分为三个工作点，采用变频技术满足不同工作点的参数要求。如表1所示，通过计算，排热风机采用变频技 术后，节能约60%。车站初、近、远期每年可以节省运行费用3543.1万元。2.2.2.3排热风机变频可靠性分析可靠性主要与以下三个问题有关。一是控制模式的选择，排热风机负荷主要与行车对数有关，时段性强，采用分时段控制模式是可靠合理的。如果采
6、用根据隧道温度 实时控制模式，由于受到活塞风的影响，隧道内空气扰动大，检测到的温度将极不稳定，风机运行也将极不稳定，可靠性无法保证。或 许有人会提出降低控制系统敏感度的办法来解决此问题，但是带来新的问题，一是敏感度降低多少合适？二是降低敏感度后的节能性和 分时段控制相比是否还有优势可言呢？因此笔者认为，在没有更多实测数据支持情况下，采用可靠性更高的分时段控制是合理的。二是风机选择，风机的实际工作点是风机特性曲线与管路特性曲线的交点，定频系统风机工作点在不改变管路特性的前提下是不变 的。变频系统则由于风机特性的变化，实际工作点是变化的。为避免风机出现喘振等不稳定的情况，在选择风机时应注意在我们设
7、定的 频率范围内风机均有稳定工作点。还应验算电动机是否过载，噪音是否超标。另外值得注意的是，在变频情况下，风机效率基本不会变 化。三是各工况下，是否满足规范要求，通过SES模拟计算表明：工况AC排热风机的选型满足正常运行时区间隧道的最高平均温度 均低于40C的要求。2.2车站通风空调系统变频技术方案分析车站通风空调系统包括三个子系统：公共区通风空调系统（简称大系统）、设备管理用房通风空调系统（简称小系统）、冷冻水、冷却 水系统。2.2.1大系统1）必要性分析大系统由组合式空调机组、回/排风机、空调新风机组成，约占整个车站通风空调系统总用电量的25%，但需全年运行，使用时间 较长。车站冷负荷和空
8、调系统风量是按远期晚高峰客流量运营条件来计算，并以此计算结果为依据进行车站制冷、空调、通风设备的选 型设计，但初近期的客流量仅是远期客流量的1/3 1/2,因此所选设备的容量远远大于初近期的车站负荷。即使在远期，一天内随着客流 和气候的变化，车站负荷也有较明显的变化。采用变频调速进行调节，可以使空调风量与车站逐时负荷变化规律相一致，既满足车站公共区空调的要求又可以达到更好的节能效 果。在过渡季节和冬季进行全通风工况运行时，由于空调水系统已经停止运行，此时车站空调系统的能耗就是空调风系统的能耗，采用 变频调速技术后，可以使通风量根据车站客流的变化进行适时调节，最大限度地节约能源但最小通风量的设定
9、值应满足规范对车站换气 次数的卫生要求和气流组织的要求。2）节能效果评价以杭州地铁某站为例，分析车站空调大系统风机变频节能效果。从大系统分时送风量分析，我们将大系统运行的18个小时分为三个 时段，7点9点风量出现全天第一个峰值。为次高峰时段，共2个小时;16点19点风量出现全天第二个峰值，为高峰时段，共3个小 时;其他时段属于平峰时段，共l3个小时。对应这三个时段，大系统风机有三个工况点，工况点的改变依靠变频器的调节。根据车站负 荷，选择两台组合空调器，风量60000m /h,额定功率40KW，车站一端各设一台，两台回排风机，风量55000m /h,额定功率15KW,车站一端各设一台。对组合空
10、调器和回排风机加装变频器的系统，我们称其为变频风系统，反之，称其为定频风系统。定频风系统与变频风系统分析比较，以远期一端大系统组合空调器与回排风机一天的运行为例。电费0.724元/度。同理可以得到初期和近期的能耗比较表。经以上比较可以得出这样的结论：变频系统节能约40%，虽然初投资略高于定频系统，但是运行费用低。由于初、近期客流负荷更 小，节能效果也就更明显，所以在运行两年之内即可收回加装变频器所增加的初投资。以上是分时段控制变频节能效果分析，实时控制 变频节能效果更佳。3）可靠性分析与排热风机相同，大系统可靠性主要与以下两个问题有关。（1）大系统控制模式选择a）控制模式一由BAS系统根据回风
11、温湿度传感器检测的温度值与设定温度值的偏差进行调节，发出相关控制要求给组合式空调器、回/排风机的 变频控制器进行变频变风量运行。为避免过大送风温差，应保持送风温度稳定，由BAS系统根据送风温度传感器检测的温度值与设定 温度值的偏差进行调节，发出相关控制要求给电动二通阀调节冷冻水流量实现送风温度不变。b) 控制模式二根据负荷变化规律，手动设定变频器频率，分时段控制两台风机转速，变频器具有记忆功能，如下一日无重新设定，可按上一日设 定频率变化自主运行。c) 控制模式选择控制模式一贴近负荷变化规律，节能效果明显，但也存在控制较复杂，系统运行不易稳定，实施难度较大等问题。控制模式二逻辑 关系简单，易实
12、施。缺点是容易偏离负荷变化的实际情况，不能十分有效的发挥变频节能的优势，不能及时应对有突发客流时负荷的突 然增加。通过初步调查研究发现，两种控制模式并不是矛盾的，如果系统同时具备两种控制模式，系统控制灵活性强、也不必增加设备投 资。由于国内大系统变频运行经验仍然比较缺乏，推荐采用同时具备两种控制模式的组合控制策略。(2)风机选择在选择风机时应注意在我们设定的频率范围内风机均有稳定工作点。2.2.2小系统小系统能耗较低、典型地下二层车站小系统用电量约50kw左右，占整个地铁通风空调系统能耗小于5%,如果采用变风量系统，会 带来系统控制复杂、投资增加、末端占用空间大等问题。地铁具有BAS系统复杂、
13、车站空间狭小的特点，显然小系统采用变风量系统 是不合理的。2.2.3水系统空调水系统设备主要包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔，这部分设备容量大，约占整个地铁车站通风空调系统总用电量 的75%，但仅在空调季节运行，运行时间较短，而且水系统中占设备容量70%左右的冷水机组，能根据负荷变化调节输入功率。如果空 调风系统与水系统同时采用变频技术，还存在水系统、风系统及之间的逻辑控制关系复杂的问题。因此，在缺乏变频系统运行经验的情 况下，空调水系统暂不考虑变频。三总结(1) 地铁通风空调系统能耗巨大，非常有必要采用变频技术达到节能的目的。(2) 地铁通风空调系统中排热风机和大系统风机宜采用变频技
14、术。通过计算分析，排热风机变频节能约60%，大系统风机变频节能约 40%。(3) 排热风机变频宜采用分时段控制模式，大系统风机变频宜采用组合控制策略。(4) 风机变频应注意验算风机工作点，达到运行安全、可靠的目的。四存在问题有关变频节能效果分析的问题，由于缺少车站全年通风空调系统的分析计算，变频节能效果的评价是不完整的，下一步将继续研 究。工程实施后应对照实测数据验证理论计算的节能率。民用建筑中已有水系统和风系统同时采用变频技术的工程实例，如国内某机场 通风空调系统采用风机优先变频的控制策略。实际运行节能效果不错，系统运行稳定。地铁车站通风空调系统是否适合采用此种方案仍 需继续研究。另外，本文提出的组合控制策略需要在工程实践中验证。
