顧慶宜

(北京市地鐵運(yùn)營有限公司 北京 100044)

1 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗

地鐵以其高效、快捷、舒適、安全、載客量大的特點(diǎn)和優(yōu)勢，已成為發(fā)達(dá)城市居民出行的主要交通工具，是現(xiàn)代化大都市的標(biāo)志之一。目前，我國地鐵建設(shè)正進(jìn)入一個高潮期，這是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。同時，地鐵也是耗電大戶，2011年北京地鐵耗電約7.6億度，其中車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗約占30%以上。因此，通風(fēng)空調(diào)節(jié)能顯得尤為重要。

地鐵在設(shè)計時，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按照過去幾年夏季溫度的平均水平以及以往的客運(yùn)量，并考慮到未來客運(yùn)量增長等變化因素，且留有一定的設(shè)計余量，因此車站空調(diào)系統(tǒng)絕大部分時間并未處于滿負(fù)荷狀態(tài)下的運(yùn)行，存在較大的富裕。另外，大部分車站空調(diào)水系統(tǒng)采用定流量的運(yùn)行方式，未考慮根據(jù)末端負(fù)荷的變化進(jìn)行調(diào)整和控制，造成了一定的能量浪費(fèi)。

在地鐵車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，主要受控參數(shù)(溫度、流量、壓差等)受季節(jié)及天氣變化、使用時間、環(huán)境變化、客流量等多種因素的影響，其過程存在嚴(yán)重的非線性、大滯后及強(qiáng)耦合關(guān)系，因此通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是一個具有隨機(jī)性、時變性、非線性、多變量的復(fù)雜系統(tǒng)。對于這樣的系統(tǒng)，普通的控制方法難以獲得較好的節(jié)能控制效果。

下面以北京地鐵復(fù)八線通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為例，提出一種節(jié)能控制方案:以計算機(jī)控制技術(shù)、變頻技術(shù)為控制手段，在保障防災(zāi)系統(tǒng)、設(shè)備安全和空調(diào)舒適度要求的前提下，使通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)隨時處于高能效運(yùn)行的狀態(tài)，最大限度地減少通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能源浪費(fèi)，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。

2 復(fù)八線通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)狀

北京地鐵復(fù)八線的車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由風(fēng)、水2個系統(tǒng)組成，如圖1～圖2所示。

風(fēng)系統(tǒng)主要能耗設(shè)備由4臺90 kW主風(fēng)機(jī)組成，2臺負(fù)責(zé)送風(fēng)，2臺負(fù)責(zé)排風(fēng)。由于復(fù)八線主風(fēng)機(jī)均未配置變頻器，所以在由星三角方式啟動后，只能運(yùn)行于工頻轉(zhuǎn)速下，能耗較高。風(fēng)系統(tǒng)全年均在運(yùn)行，使用時間較長，能耗約占通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的65%。

水系統(tǒng)主要能耗設(shè)備包括冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等，冷凍水泵、冷卻水泵同樣未配置變頻器，只能運(yùn)行于工頻轉(zhuǎn)速下。水系統(tǒng)只在每年空調(diào)季運(yùn)行，能耗約占通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的35%。

3 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能原理

3.1 風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能原理

采用變頻器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，與一般常用的調(diào)節(jié)風(fēng)閥控制風(fēng)量的方法比較，具有明顯的節(jié)能效果(見圖3)。

圖3 風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能原理

在圖3中，曲線1為風(fēng)機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速n1下的風(fēng)壓-風(fēng)量(H -Q)特性，曲線2為管網(wǎng)風(fēng)阻特性(風(fēng)閥全開)，曲線4為變頻運(yùn)行特性(風(fēng)閥全開)。

假設(shè)風(fēng)機(jī)工作在A點(diǎn)效率最高，此時風(fēng)壓為H2，風(fēng)量為Q2，軸功率N1與Q2、H2的乘積成正比，在圖3中可用面積AH2OQ2表示。如風(fēng)量需要從Q2減至Q1，這時用調(diào)節(jié)風(fēng)閥的方法相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變到曲線3，系統(tǒng)由原來的工況點(diǎn)A變到新的工況點(diǎn)B運(yùn)行。從圖3中可以看出，風(fēng)壓反而增加，軸功率與面積BH1OQ1成正比。顯然，軸功率下降不大。如果采用變頻器調(diào)速控制方式，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降到n2，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，畫出在轉(zhuǎn)速n2風(fēng)量(QH)特性，如曲線4所示?？梢?，在滿足同樣風(fēng)量Q1的情況下，風(fēng)壓H3大幅度降低，功率N3顯著減少，用面積 CH3OQ1表示;節(jié)省的功率 ΔN=(H1－H3)×Q1，用面積BH1H3C表示。

3.2 水系統(tǒng)節(jié)能原理

由流體力學(xué)可知，P(功率)=Q(流量)×H(壓力)，流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比。如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉(zhuǎn)速N可成比例地下降，而此時軸輸出功率P成立方關(guān)系地下降，即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。

4 系統(tǒng)節(jié)能改造方案

4.1 基本原則

改造方案以不降低原系統(tǒng)的服務(wù)水平為基本原則，以不改變原系統(tǒng)的基本運(yùn)行方式為前提，在既有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加節(jié)能運(yùn)行模式，并在運(yùn)行過程中根據(jù)運(yùn)營的需要進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行模式與工頻運(yùn)行模式(原運(yùn)行模式)的切換。

在循環(huán)泵(冷凍水泵、冷卻水泵)的變頻運(yùn)行過程中，最低變頻下限應(yīng)滿足冷水機(jī)組設(shè)備要求，同時應(yīng)盡量使冷水機(jī)組運(yùn)行在高效區(qū)，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)整體節(jié)能的目的。

對于風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備，應(yīng)考慮在火災(zāi)報警狀態(tài)下應(yīng)急聯(lián)動控制模式與節(jié)能控制模式的不同應(yīng)用。一旦火災(zāi)報警系統(tǒng)信號觸發(fā)，通風(fēng)設(shè)備必須轉(zhuǎn)換至火災(zāi)報警系統(tǒng)(FAS)應(yīng)急聯(lián)動控制模式。

4.2 節(jié)能控制

節(jié)能控制系統(tǒng)如圖4所示，完成該改造方案需涉及風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)(FAS)、環(huán)境控制系統(tǒng)(BAS)、配電系統(tǒng)等多個專業(yè)。

圖4 節(jié)能控制系統(tǒng)

4.2.1 風(fēng)系統(tǒng)改造

為車站4臺90kW主風(fēng)機(jī)加裝變頻器旁路，并在風(fēng)機(jī)回風(fēng)道上安裝壓力傳感器和溫度傳感器。

根據(jù)末端通風(fēng)需要，設(shè)定通風(fēng)風(fēng)壓值及溫度值，同時還可設(shè)置上、下限保護(hù)值，包括保護(hù)觸發(fā)值和保護(hù)解除值。在風(fēng)道安裝的傳感器用于檢測風(fēng)壓及溫度信號，并將此信號送到智能控制器的模擬信號輸入端口。智能控制器將該信號與設(shè)定的風(fēng)壓及溫度值進(jìn)行比較，然后根據(jù)偏差值和內(nèi)部集成的智能優(yōu)化算法，計算出在當(dāng)前風(fēng)壓下風(fēng)機(jī)應(yīng)調(diào)整的運(yùn)行頻率，以調(diào)節(jié)通風(fēng)風(fēng)量，保障通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)質(zhì)量。

4.2.2 水系統(tǒng)改造

為冷凍水泵及冷卻水泵加裝旁路變頻器，并在相應(yīng)的管道上加裝溫度傳感器及流量傳感器，實(shí)時調(diào)整水泵的運(yùn)行狀態(tài)，使溫度及流量適應(yīng)系統(tǒng)的要求，達(dá)到節(jié)能的目的。另外，在冷凍站設(shè)置中央控制系統(tǒng)，在站臺安裝環(huán)境溫度傳感器，通過收集通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水路的溫度、流量以及車站溫度、風(fēng)道風(fēng)量等參數(shù)，經(jīng)智能控制器運(yùn)用模糊控制理論進(jìn)行計算，給變頻器發(fā)出執(zhí)行命令，實(shí)時調(diào)整循環(huán)泵的流量及風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

4.2.3 FAS 系統(tǒng)改造方案

復(fù)八線日常風(fēng)機(jī)運(yùn)行由BAS系統(tǒng)控制，F(xiàn)AS系統(tǒng)僅對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)有火災(zāi)報警發(fā)生時，F(xiàn)AS系統(tǒng)會自動切掉BAS的控制電源(即BAS的控制權(quán))，轉(zhuǎn)由FAS控制。

節(jié)能控制系統(tǒng)可利用FAS控制方式的特點(diǎn)，取電在BAS中，當(dāng)FAS激活斷開BAS的UPS電源后，節(jié)能控制系統(tǒng)同時掉電，以保證火災(zāi)情況下FAS的控制權(quán)。

5 系統(tǒng)節(jié)能改造效果

以北京地鐵復(fù)八線國貿(mào)站為例，該站作為通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能試點(diǎn)站，已于2012年6月初完成改造施工，為測試節(jié)電效果，在主要配電回路均安裝了電能計量表。測試選取連續(xù)4天的時間，2天為改造后的節(jié)能工況運(yùn)行，另2天為切換回改造前的工頻工況運(yùn)行，計量時段為每天的9∶00—21∶00，主要測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 國貿(mào)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

筆者以北京地鐵復(fù)八線通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為例，提出一套節(jié)能控制方案，使通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)隨時處于高能效運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能目的。本方案現(xiàn)已應(yīng)用于復(fù)八線國貿(mào)站通風(fēng)空調(diào)節(jié)能改造試點(diǎn)項目中，系統(tǒng)綜合節(jié)能率達(dá)到35%。

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