胡祝銀，余朝剛，張宇深

（1.深圳市賽為智能股份有限公司，工程師，廣東 深圳 518057；

上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院，2.副教授，3.本科生，上海 松江 201620)

為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，國(guó)家制定了2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）二氧化碳排放比2005年下降40%至45%的目標(biāo)。在軌道交通環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)等大功率設(shè)備為滿足運(yùn)行中的最高功率要求，輸出功率經(jīng)常有很大的設(shè)計(jì)冗余，容易造成巨大的能源浪費(fèi)。研究怎樣使用變頻器控制這些設(shè)備根據(jù)實(shí)際負(fù)載需要，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整輸出功率，使電動(dòng)機(jī)的輸出能量得到高效利用，這在節(jié)能減排方面具有重要意義。

1 地鐵空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制方式

1.1 地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要經(jīng)歷了開式、閉式和屏蔽門系統(tǒng)的變遷。目前國(guó)內(nèi)在建和已建成的大部分軌道交通線路采用屏蔽門系統(tǒng)。如上海地鐵除2號(hào)線外均設(shè)置屏蔽門,廣州地鐵除1號(hào)線外均設(shè)置屏蔽門，成都地鐵1號(hào)線，天津地鐵2號(hào)和3號(hào)線，深圳地鐵一期工程等均設(shè)置了屏蔽門。

1.2 屏蔽門式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用屏蔽門系統(tǒng)的情況下，車站環(huán)控系統(tǒng)可以分為大系統(tǒng)、小系統(tǒng)和水系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)〔1〕。大系統(tǒng)指車站公共區(qū)（站臺(tái)、站廳）的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，包括組合式空調(diào)箱、回排風(fēng)機(jī)等能耗設(shè)備，大系統(tǒng)是研究變頻節(jié)能的主要對(duì)象，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。小系統(tǒng)指車站設(shè)備管理用房的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，包括柜式風(fēng)機(jī)盤管、回排風(fēng)機(jī)等能耗設(shè)備；水系統(tǒng)指為大系統(tǒng)、小系統(tǒng)提供冷源的系統(tǒng)，包括冷水機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔等耗能設(shè)備。

圖1 地鐵站環(huán)控大系統(tǒng)示意圖

1.3 定風(fēng)量運(yùn)行的缺陷由于車站冷負(fù)荷和空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量是按遠(yuǎn)期晚高峰客流量運(yùn)營(yíng)條件來(lái)計(jì)算，并以此計(jì)算結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行車站制冷、空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備的選型設(shè)計(jì)，但初近期的客流量往往僅是遠(yuǎn)期客流量的1/3～1/2，因此所選設(shè)備的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初近期的車站負(fù)荷。即使在遠(yuǎn)期，一天內(nèi)隨著客流和氣候的變化，車站負(fù)荷也有較明顯的變化。由于空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)大部分時(shí)間在部分負(fù)荷下運(yùn)行，風(fēng)機(jī)采用恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行方式不利于節(jié)約能源，需要采用變風(fēng)量運(yùn)行方式，風(fēng)量、水量的減少可帶來(lái)能耗的降低。

1.4 變風(fēng)量控制的現(xiàn)狀變風(fēng)量控制首先在美國(guó)應(yīng)用，目前成為國(guó)際上的主流。變風(fēng)量控制，就是通過(guò)改變送入車站內(nèi)的風(fēng)量來(lái)滿足室內(nèi)變化的負(fù)荷。采用變頻變風(fēng)量控制不僅可以合理地利用能源，還可以大大減少機(jī)械的磨損，減少其維護(hù)時(shí)間，改善設(shè)備的性能。

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的地鐵線路的風(fēng)機(jī)基本上采用的都是恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。由于變速控制的一系列優(yōu)點(diǎn)，一些車站進(jìn)行了變頻節(jié)能改造，對(duì)風(fēng)量、空調(diào)水系統(tǒng)使用變頻控制，而一些地鐵線路在設(shè)計(jì)時(shí)就開始使用變頻控制方式。

2 地鐵空調(diào)系統(tǒng)的變頻控制方案

2.1 變風(fēng)量控制是節(jié)能的重點(diǎn)通過(guò)變頻技術(shù)來(lái)降低地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗的具體技術(shù)方案各不相同，按變頻器應(yīng)用的程度分為3種。第1種是僅排熱風(fēng)機(jī)變頻，第2種是排熱風(fēng)機(jī)和大系統(tǒng)中回排風(fēng)機(jī)、組合空調(diào)器都變頻。第3種是排熱風(fēng)機(jī)和大系統(tǒng)中回排風(fēng)機(jī)、組合空調(diào)器、水泵都變頻。目前地鐵環(huán)控系統(tǒng)基本采用全空氣系統(tǒng)，由于地鐵的負(fù)荷特點(diǎn)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間要長(zhǎng)于制冷機(jī)，而且風(fēng)機(jī)的功率遠(yuǎn)大于一般建筑的空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)能耗比例通常大于一般建筑的空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)能耗比例。由于在地鐵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗中風(fēng)機(jī)能耗所占比例最大，車站節(jié)能的重點(diǎn)應(yīng)放在風(fēng)系統(tǒng)的變頻節(jié)能上。

2.2 回排風(fēng)機(jī)的變頻控制方法圖1所示的2臺(tái)同等功率的回排風(fēng)機(jī)可以工作在變頻狀態(tài)，也可以工作在工頻狀態(tài)下。根據(jù)站廳溫度、站臺(tái)溫度、室外溫度、站內(nèi)CO2濃度，利用智能控制算法控制回排風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率和回風(fēng)閥、新風(fēng)閥、排風(fēng)閥的開度。當(dāng)需要回排風(fēng)量大于單臺(tái)風(fēng)機(jī)額定送風(fēng)量時(shí)，一臺(tái)回排風(fēng)機(jī)運(yùn)行在工頻，另一臺(tái)工作在變頻狀態(tài)。如果需要回排風(fēng)量小于單臺(tái)風(fēng)機(jī)的額定送風(fēng)量，則關(guān)閉一臺(tái)風(fēng)機(jī)，另一臺(tái)風(fēng)機(jī)工作在變頻狀態(tài)。

2.3 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。水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示〔2〕，旁通管上設(shè)有壓差控制閥A，系統(tǒng)末端安裝有二通調(diào)節(jié)閥B。2臺(tái)冷水泵LD并聯(lián)，然后再與冷水機(jī)組LS串聯(lián)。電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥開度大小調(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。如果系統(tǒng)需要的冷量高于額定冷量的50%時(shí)，2臺(tái)冷水機(jī)組、冷水泵同時(shí)運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)冷量減少到一半的工況時(shí)，就關(guān)掉一臺(tái)冷水機(jī)組和一臺(tái)冷水泵。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，就相應(yīng)做出調(diào)整，以適應(yīng)各種季節(jié)的特殊天氣。

圖2 水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 控制電路結(jié)構(gòu)地鐵車站的變頻節(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?？梢酝ㄟ^(guò)在現(xiàn)有HMI（人機(jī)界面）、PLC（可編程邏輯控制器）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）上傳至車站BAS（環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)）并上傳至調(diào)度中心。環(huán)調(diào)通過(guò)BAS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車站溫度的自動(dòng)控制及必要時(shí)的手動(dòng)干預(yù)，從而滿足車站舒適度與節(jié)能要求。變頻改造兼顧車站火災(zāi)防排煙功能，BAS系統(tǒng)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。

3 變風(fēng)量控制的效益分析

變風(fēng)量控制的優(yōu)越性得到越來(lái)越多單位的認(rèn)可，并運(yùn)用到項(xiàng)目改造、設(shè)計(jì)施工中。

3.1 三山街站的變頻節(jié)能效果隋海美等在2010年選取三山街站2天的地鐵站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行能耗進(jìn)行對(duì)比〔1〕，一天使用自動(dòng)變頻工作方式，在該工作方式下冷水機(jī)組、冷水泵、冷卻泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、大系統(tǒng)變頻風(fēng)機(jī)和小系統(tǒng)變頻風(fēng)機(jī)的總能耗僅為1852.8 kW,而另一天使用手動(dòng)定頻工作方式時(shí)的總能耗為5178.3 kW，自動(dòng)變頻模式下的能耗僅僅是手動(dòng)定頻控制的35.8%，節(jié)能效果明顯。

3.2 華僑城站的變頻節(jié)能效果深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司的王憲等〔3〕，在2011年分析了華僑城站變頻改造的節(jié)能效果。改造前一年能耗1 329 248 kW，變頻改造后1年能耗為946 425 kW，變頻運(yùn)行的能耗是定頻運(yùn)行的71.8%，每年可以節(jié)約電費(fèi)31.4萬(wàn)元，3年可收回變頻改造成本。

3.3 杭州地區(qū)地鐵變頻節(jié)能中鐵二院的楊巨瀾〔4〕在2008年對(duì)杭州某地鐵站進(jìn)行分析后認(rèn)為，變頻系統(tǒng)節(jié)能約40%，雖然初投資略高于定頻系統(tǒng)，但是運(yùn)行費(fèi)用低。由于初、近期客流負(fù)荷更小，節(jié)能效果也就更明顯，所以在運(yùn)行2年之內(nèi)即可收回加裝變頻器所增加的初投資。

3.4 上海浦電路站的變頻節(jié)能上海軌道交通4號(hào)線浦電路站的變頻控制排熱風(fēng)機(jī)、空調(diào)風(fēng)機(jī)和回排風(fēng)機(jī)3臺(tái)風(fēng)機(jī)總計(jì)節(jié)能率達(dá)到70.17%，節(jié)能效果十分顯著〔5〕。

4 結(jié)束語(yǔ)

地鐵環(huán)控系統(tǒng)的能源消耗與外界氣侯條件、列車運(yùn)行模式、客流量、系統(tǒng)控制方式和風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式等諸多因素有關(guān)。地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需求對(duì)風(fēng)量、水量進(jìn)行變頻控制，也可以根據(jù)不同季節(jié)時(shí)間來(lái)決定運(yùn)行模式，采用控制策略不同獲得的節(jié)能效果不同。要取得理想的節(jié)能效果，還需要根據(jù)氣候條件，合理設(shè)計(jì)環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)，優(yōu)化控制算法。研究人員和地鐵施工方可以針對(duì)地鐵的變頻節(jié)能方案進(jìn)行深入研究，用科學(xué)的智能控制方法，使變頻變風(fēng)量、變水量控制方法既能滿足乘客舒適性要求，又能夠充分節(jié)約能源。

〔1〕隋海美,陸源清.淺談南京地鐵一號(hào)線BAS系統(tǒng)的節(jié)能效應(yīng)〔J〕.制冷空調(diào)，2010,131（31）：64-67.

〔2〕李麗.軌道交通車站冷凍水系統(tǒng)變頻節(jié)能技術(shù)探討〔J〕.地下工程與隧道,2007（4）：49-51.

〔3〕王憲,李夔.深圳地鐵車站中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造方案分析〔J〕.制冷,2011,30（4）：45-48

〔4〕楊巨瀾,地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)變頻技術(shù)方案探討〔J〕,制冷與空調(diào)，2008，22（4）：37-41

〔5〕張光達(dá),何斌,王曉保.基于變頻控制的地鐵站環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能效果測(cè)試〔J〕.現(xiàn)代城市軌道交通,2010（1）：28-30.