浅谈变频调速在地铁站中央空调节能系统中的应用之机械论文

　　摘要：在对地铁站中央空调系统负荷组成进行分析后，从地铁站中央空调系统变频节能基本原理出发，结合地铁车站内中央空调系统变频技术方案，以一个工程实例运行数据，详细分析了变频调速技术在地铁站中央空调系统中所带来的巨大节能效益。
　　关键词：变频调速论文；地铁站论文；中央空调系统
　　随着我国公共交通工程建设发展速度的不断加快，地铁作为一种新兴的短距离交通运输工具，其高效的运营能力已成为我国大中型省会城市建设规划的核心内容。位于地铁地下段的车站和运行区间隧道处除出入口和进排风口外，基本结构基本与外界是隔绝的，也就是通过电能转换维持整个地铁系统高效稳定运行的能量资源，除了部分被系统循环利用外，其余能量均转化为热能充满整个地铁站内部，若不及时采取相应技术措施进行排除，则地铁站内和运行区间隧道温度必将由于热量积累上升，从而大大降低地铁站综合服务水平。地铁站中央空调系统是地体系统高效稳定运行、提高其综合服务水平的必备核心系统。由于受当时建设技术水平和建设理念的综合制约，传统地铁站中央空调系统的环境控制仅采用一般的机械通风或自然通风控制策略，在控制可靠性、准确性、节能降耗等方面，均不能满足现代快捷、方便、舒适城市交通运输系统的需求。因此，正确选择地铁站中央空调系统配套空调通风设备，并合理选择系统控制策略手段，不仅可以有效提高铁站中央空调系统舒适服务水平，同时还可以大大降低整个地铁站中央空调系统的综合运营成本，也就是说采取科学合理的技术措施手段，构筑完善的中央空调控制系统，从而使整个系统安全稳定、节能经济的高效运行，非常有实际工程意义，是现代化地铁站暖通工作人员研究的一个重要课题[1]。
　　1地铁站中央空调系统负荷组成论文
　　从大量文献资料和实际工作经验可知，地铁车站内的热负荷主要由多个部分共同组成：列车运行过程中散热负荷、列车活塞风负荷、乘客人体发热负荷、室外通风负荷、车站照明以及其它电气设备负荷等，其逻辑组成关系如图1所示：
　　
　　图1地铁站内中央空调负荷逻辑组成关系
　　据俄罗斯相关研究学者的大量研究结果表明，地铁站内的热量大部分来自于列车启动发热、制动发热、空调冷凝器放热等，即在地铁车站内列车带来的热量大约占整个地铁站内热量的73%，而地铁站内照明设备产生的热量大约为7%，其它电气动力设备产生热量约为5%，流动乘客人体发热大约占15%。从图1中可以看出，通风系统和排风系统是地铁中央空调系统的两个重要组成部分，各系统运行效率和系统间匹配性能水平直接影响到中央空调系统能否高效稳定节能运行。
　　2地铁站中央空调系统变频节能基本原理论文
　　从地铁车站位置空间来看，它是一种深埋于地下的构筑物，由于其大部分结构体均与大气隔离，自然通风排风系统十分差，需要利用空调系统对车站内环境热湿度进行动态调节控制。地铁车站内流动人员、灯光照明、动力设备等发热量是直接影响地铁车站中央空调系统负荷量波动的主要因素。从实际运行角度来看，地铁车站内的照明灯光、电扶梯、以及自动售检票设备等发热源的发热量基本是一个恒定值，对系统控制不会产生巨大的波动效应；同时对于采用自动屏蔽门的地铁车站而言，由于屏蔽门是车站公共区与区间隧道间相互隔开的主要结构，这样就会使列车运行过程中所产生的活塞风对整个地铁车站内部中央空调系统的负荷影响效应较小[2]。因此，影响地铁车站内部中央空调系统负荷波动的主要因素是流动乘客所带来的人体发热负荷和系统所需新风量带来的负荷。由于地铁车站客流量在运营的初、近、以及远期其变化量很大，甚至在一天内，其早、晚高峰量也会受到工作日、节假日等因素的影响，客流变化量十分大。在地铁站规划设计过程中，为了满足车站高峰客流负荷对中央空调系统的需求，一般按照地铁运营远期高峰时的需求负荷来进行系统设备选型配置，这样所建立的地铁站中央空调系统就会在初期、近期、低峰期等时间段运行过程中，长期处于低效运行工况，从而导致整个空调系统出现大量能源资源浪费。变频调速技术可以根据车站内客流变化、气候变化、不同时段送风和排风流量输送要求等动态调节空调风机转速，使地铁站中央空调系统按照变流量系统要求进行控制调节，使中央空调系统送风量与车站实时负荷变化波动规律基本保持一致，从而实现输入与输出间动态平衡，有效提高空调系统能量供应效率，达到节能降耗的目的。
　　3地铁车站内中央空调系统变频技术方案论文
　　地铁车站内中央空调系统主要包括三大子系统：公共区域通风空调大系统、站内动力设备管理用房通风空调小系统、以及冷冻水和冷却水子系统。中央空调系统中不同子系统，结合实际运行情况、功能特性等因素其控制策略有所不同。对于公共区域通风空调大系统而言其负荷波动特性较为明显，采用变频调速控制将会取得非常大的节能效果。而对于站内动力设备管理用房通风空调小系统而言，据大量工程实践表明，此类小系统其综合能耗大约只占整个地铁站中央空调系统的5%左右，其节能潜力不是很大，如果采用变流量控制的变频调速控制策略，不仅会增加中央空调系统的综合投资成本，同时还会使整个系统控制变得复杂，带来控制端占用空间大等问题，加上地下车站可用空间狭小等因素的制约，因此，对于综合节能效果不是很明显的小系统而言，通常采用恒流控制策略。同样，对于水系统而言，其冷水机组控制系统能够根据负荷波动实时调节机组的输入频率，其系统自身节能已基本达到可开发的节能潜力，加上车站处于空调季节运行周期时间较短，水系统与风系统间转换控制较为复杂等问题，对于车站内中央空调系统的水系统暂不考虑进行集中变频变流控制。从上面分析可知，公共区域通风空调大系统是地铁车站中央空调系统变频节能研究的一个重点[3]。
　　3.1公共区域通风空调大系统节能潜力分析
　　地铁站内公共区域通风空调大系统主要由组合式空调机组、回/排风风机、空调新风机等共同组成，其所需电能约占整个地铁车站中央空调系统总电能消耗的1/4左右，但由于该系统全年运行，且运行时间较长，因此，其变频调速节能效果十分明显。传统车站通风空调系统冷负荷和风量在统计分析设计过程中，其所选设备容量均按远期高峰负荷来选择，这就与地铁站实际运行工况间存在很大差异，尤其是初近期车站客流量仅为远期的1/3～1/2左右，这样必然会导致大量电能浪费，也就是说公共区域通风空调大系统节能潜力十分巨大。采用变频调速控制策略，既满足了地铁车站公共区通风空调系统的功能要求，同时可以取得相当好的节能效果。
　　3.2公共区域通风空调大系统节能效果分析
　　为了分析变频调速技术在地铁站中央空调系统中的节能效果，现以某地铁站公共区域通风空调系统为例，分析车站中央空调系统中风机变频节能效果。在分析前，先将系统实际运营的18个小时按照送风量大小进行高、平峰时段划分。据地铁实际运营数据表明，该地铁站一天中有二个客流高峰分别为：7点~9点为上班高峰，也是全天次高峰时段，大约持续2个小时左右；16点~19点为下班高峰，也是全天高峰时段，大约持续3个小时左右。其余运营时段属于平峰时段，大约13个小时左右。对应这三个时段，公共区域通风空调风机分别采取不同工况点控制策略，利用以变频器和PLC为核心的变频调速系统进行动态调节。据车站内实际负荷需求，选择两台组合式空调机，其风量为60000m3/h，风机额定功率为40kW，在车站两端各设一台；并设两台回/排风风机，其风量为55000m3/h，风机额定功率为15kW，在车站两端各设一台。在分析过程中，对于采用变频调速变流量控制的空调风机系统称为变频风系统，相反，采用其它控制策略的称为定频风系统。按照车站远期运营中央空调系统负荷需求，将车站一端公共区域通风空调系统运行的组合式空调机与回排风风机一天运行实际数据进行比较分析，其能耗数据比较结果如表1所示：
　　表1定频风系统和变频风系统能耗比对表
　　
　　*注：表中电费以0.72元/度计
　　从表1中可以看出采用变频调速控制策略后，整个中央空调系统节能效果可达40%左右，虽然变频风系统在初投资上要略高于定频风系统，但是由于其运行维护费用相对较低、运行可靠性较高，且大约在两年内就能收回变频风系统增加的综合投资成本,从而大大提高了地铁站中央空调系统综合运行技术经济性,尤其是地铁站初、近期客流负荷较小，系统节能效果就会更明显。
　　参考文献
　　[1]霍小平.中央空调自动控制系统设计[M].北京:中国电力出版社,2004.
　　[2]GB50019-2003采暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国计划出版社,2004.
　　[3]王晓保,余磊,何,斌.地铁车站环境控制的适用算法分析[J].城市轨道交通研究,2009(05):18.

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