分析地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

王旭

摘 要：針對某地鐵車站實際情況，在簡述其通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的基礎(chǔ)上，對變頻節(jié)能技術(shù)在系統(tǒng)中的具體應(yīng)用進(jìn)行深入分析，為變頻節(jié)能技術(shù)普及應(yīng)用與發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)；變頻節(jié)能技術(shù)

中圖分類號：U231.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）21-0274-02

統(tǒng)計表明，在地鐵車站中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)實際能耗可以達(dá)到總電力能耗36%，是運營主要成本。因此，為實現(xiàn)長遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)，需采用有效措施降低系統(tǒng)能耗。

1 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷

1.1 負(fù)荷主要類型

在地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，其負(fù)荷由兩部分組成，即大、系統(tǒng)的負(fù)荷。其中，大系統(tǒng)的負(fù)荷包括：人員、新風(fēng)、設(shè)備、滲透與照明；小系統(tǒng)的負(fù)荷包括：人員、設(shè)備與新風(fēng)。

1.2 負(fù)荷統(tǒng)計

以某地鐵站為例進(jìn)行分析，其大系統(tǒng)負(fù)荷為：①人員負(fù)荷為160.67kW，占比22.07%；②新風(fēng)負(fù)荷為183.53kW，占比25.21%；③設(shè)備負(fù)荷為150.62kW，占比20.69%；④滲透負(fù)荷為69.96kW，占比9.61%；⑤照明負(fù)荷為163.22kW，占比22.42%?？梢?，系統(tǒng)中，人員與新風(fēng)兩個負(fù)荷為主要組成部分，總占比47.28%。運營中，設(shè)備、照明兩種負(fù)荷保持穩(wěn)定，而人員與新風(fēng)實際上是趨于變化的，需將其作為主要分析對象。

1.2.1 人員負(fù)荷

運營初期，客流與遠(yuǎn)期設(shè)計客流相差較大，從計算結(jié)果中可以看出，初期的實際客流只有設(shè)計值的17%。根據(jù)客流量的預(yù)測結(jié)果可知，初期和近期的高峰客流和遠(yuǎn)期也有較大的差距，如果系統(tǒng)按照遠(yuǎn)期負(fù)荷進(jìn)行運行，則會造成能耗過剩，浪費能源。

1.2.2 新風(fēng)負(fù)荷

從當(dāng)?shù)氐娜?、年氣溫實際變化狀況可知，該地不同月份和時段的溫度差相對較大。當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁貫?2.5℃，最高、最低氣溫分別為38.7℃和0.2℃，年均日溫差為7.1℃。從氣候條件看，具有一定節(jié)能降耗條件和空間。

通過以上分析可知，系統(tǒng)在初期、近期和各運行時段中，負(fù)荷不斷變化，如果系統(tǒng)按照裝機(jī)負(fù)荷條件進(jìn)行運行，則會造成能源浪費，所以必須采用合理措施進(jìn)行節(jié)能降耗。

2 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

2.1 變頻節(jié)能基本原理

對于變頻節(jié)能，它是以負(fù)荷為依據(jù)對設(shè)備的供電頻率進(jìn)行改變，調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，對風(fēng)機(jī)輸出功率予以嚴(yán)格控制，達(dá)到理想的節(jié)能效果。系統(tǒng)中，對葉片式風(fēng)機(jī)而言，其負(fù)載特性為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速平方為正比關(guān)系。相同風(fēng)機(jī)，如果輸送流體密度保持不變，只對轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變，則性能參數(shù)發(fā)生的變化將嚴(yán)格遵循相關(guān)比例定律，也就是風(fēng)量和轉(zhuǎn)速為正比關(guān)系；壓力和轉(zhuǎn)速平方為正比關(guān)系；軸功率和轉(zhuǎn)速立方為正比關(guān)系。以這條基本理論為依據(jù)，對各頻率條件下的運行參數(shù)實施準(zhǔn)確計算，結(jié)果為：①當(dāng)頻率為50Hz時，轉(zhuǎn)速比、風(fēng)量比、風(fēng)壓比、軸功率比分別為100%，節(jié)電率為0；②當(dāng)頻率為45Hz時，轉(zhuǎn)速比與風(fēng)量比為90%，風(fēng)壓比與軸功率比為73%，節(jié)電率為27%；③當(dāng)頻率為40Hz時，轉(zhuǎn)速比與風(fēng)量比為80%，風(fēng)壓比與軸功率比為51%，節(jié)電率為49%；④當(dāng)頻率為35Hz時，轉(zhuǎn)速比與風(fēng)量比為70%，風(fēng)壓比與軸功率比為34%，節(jié)電率為66%；⑤當(dāng)頻率為30Hz時，轉(zhuǎn)速比與風(fēng)量比為60%，風(fēng)壓比與軸功率比為22%，節(jié)電率為78%；⑥當(dāng)頻率為25Hz時，轉(zhuǎn)速比與風(fēng)量比為50%，風(fēng)壓比與軸功率比為13%，節(jié)電率為87%。由以上結(jié)果可以看出，系統(tǒng)中通過對變頻節(jié)能技術(shù)的合理應(yīng)用，能提高節(jié)電率，取得良好節(jié)能效果。

2.2 變頻節(jié)能實現(xiàn)

如今，伴隨自動化控制不斷發(fā)展，通過對自動化控制的合理應(yīng)用，可對車站設(shè)備及環(huán)境進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，確定系統(tǒng)負(fù)荷。如果將監(jiān)控信號轉(zhuǎn)換成控制信號，則能以負(fù)荷實際變化為依據(jù)，對設(shè)備實際輸出功率予以調(diào)整控制，實現(xiàn)節(jié)能降耗根本目標(biāo)。實際運營過程中，對自動化系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)施以加權(quán)平均，視作實測結(jié)果，和預(yù)期設(shè)定值對比，利用控制器確定運行頻率，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此實現(xiàn)變頻器和自動化系統(tǒng)之間的接駁。

2.3 變頻器選型

目前，變頻器有很多種不同的種類，若按控制方式，則可將其分成以下三種：①采用V/F控制方式的變頻器；②采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式的變頻器；③采用矢量控制方式的變頻器。若按實際通途，可將其分成以下兩種：①專用變頻器；②通用變頻器。實際工程中，很多變頻器無法系統(tǒng)實際容量相符，導(dǎo)致變頻器容易過熱，無法處在滿負(fù)荷運行狀態(tài)，致使系統(tǒng)產(chǎn)生故障，所以變頻器選型對系統(tǒng)運行的可靠性有直接影響。在實際的選型工作中，應(yīng)充分考慮以下兩個要點。

2.3.1 容量選擇

（1）在現(xiàn)有的節(jié)能措施改造過程中，基于不對風(fēng)機(jī)電動機(jī)進(jìn)行更換的實際情況，每臺變頻器都有與之對應(yīng)的風(fēng)機(jī)，因變頻器為風(fēng)機(jī)提供的脈動電流大于工頻電流，同時系統(tǒng)所用風(fēng)機(jī)主要為工頻起動，所以會出現(xiàn)較大的瞬時電流。對此，以風(fēng)機(jī)電流為依據(jù)進(jìn)行容量的選擇時，需要滿足下列基本條件：

（2）如果在新建工程的設(shè)計過程中已經(jīng)充分考慮變頻節(jié)能，則應(yīng)綜合考慮電動機(jī)、外圍設(shè)備與控制方式來確定適宜的變頻器容量。

2.3.2 功能選擇

風(fēng)機(jī)為典型的二級負(fù)荷設(shè)備，它采用“一主一備”的供電方式。系統(tǒng)運行過程中，會產(chǎn)生電壓波動現(xiàn)象，或者是供電系統(tǒng)產(chǎn)生故障，使兩路電源發(fā)生切換。如果變頻器再起動過程中，電動機(jī)和輸出頻率無法相符，則會產(chǎn)生過流保護(hù)或者是過壓保護(hù)，嚴(yán)重時將使設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞。基于此，功能選擇過程中，必須充分注意是否需要具備停電再起動，并考慮是否需要具備消防模式，及其二次開發(fā)需求。

2.4 實測分析

對本車站系統(tǒng)的靜壓控制與變頻控制進(jìn)行對比，實測結(jié)果為：①靜壓控制：當(dāng)閥門的開度為15°時，風(fēng)速為1.40m/s，軸功率為21.06kW，節(jié)電率為29.8%；當(dāng)閥門的開度為30°時，風(fēng)速為3.23m/s，軸功率為27.31kW，節(jié)電率為8.97%；當(dāng)閥門的開度為45°時，風(fēng)速為4.30m/s，軸功率為28.92kW，節(jié)電率為3.6%；當(dāng)閥門的開度為60°時，風(fēng)速為5.23m/s，軸功率為29.17kW，節(jié)電率為2.77%；當(dāng)閥門的開度為75°時，風(fēng)速為5.17m/s，軸功率為29.21kW，節(jié)電率為2.63%；當(dāng)閥門的開度為90°時，風(fēng)速為5.78m/s，軸功率為29.37kW，節(jié)電率為2.1%。②變頻控制：當(dāng)運行頻率為25Hz時，風(fēng)速為1.8m/s，軸功率為3.82kW，節(jié)電率為87%；當(dāng)運行頻率為30Hz時，風(fēng)速為2.9m/s，軸功率為6.43kW，節(jié)電率為79%；當(dāng)運行頻率為35Hz時，風(fēng)速為3.6m/s，軸功率為9.89kW，節(jié)電率為67%；當(dāng)運行頻率為40Hz時，風(fēng)速為4.1m/s，軸功率為14.6kW，節(jié)電率為51%；當(dāng)運行頻率為45Hz時，風(fēng)速為4.7m/s，軸功率為21.08kW，節(jié)電率為30%；當(dāng)運行頻率為50Hz時，風(fēng)速為5.4m/s，軸功率為30.09kW，節(jié)電率為0?？梢?，對于靜壓控制，僅風(fēng)閥開度為15°時才具有較高節(jié)電率，而變頻控制只有運行頻率為50Hz時，節(jié)電率才為0。

3 結(jié)束語

伴隨變頻節(jié)能不斷發(fā)展，它的實際應(yīng)用范圍逐漸變廣，成本明顯降低，將其應(yīng)用于地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，能以負(fù)荷變化為依據(jù)對設(shè)備功率進(jìn)行調(diào)整，確保系統(tǒng)實際能耗處在合理且高效的狀態(tài)，最終獲得良好效益。

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收稿日期：2018-6-23

作者簡介：王 旭（1988-），男，漢族，本科，主要從事南寧軌道交通1號線通風(fēng)空調(diào)運營管理工作。