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        變頻節(jié)能技術(shù)在地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

        2022-05-17 15:44:40范東林
        低碳世界 2022年3期
        關(guān)鍵詞:變頻車站風(fēng)機(jī)

        范東林

        (重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,重慶 401122)

        0 引言

        隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高,城市化建設(shè)不斷推進(jìn),人們的生活質(zhì)量也在不斷提升。背景下,我國交通行業(yè)也得到了不斷發(fā)展和完善。尤其是地鐵行業(yè)在近些年來取得了巨大的進(jìn)步。為了推動地鐵建設(shè),提升交通運(yùn)輸水平,為人民日常生活提供保障,需要對地鐵行業(yè)中所涉及的種種問題進(jìn)行針對性處理和解決?,F(xiàn)階段,地鐵通風(fēng)問題成為地鐵行業(yè)中比較重要的問題之一,地鐵系統(tǒng)的通風(fēng)效果決定著行業(yè)能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在地鐵環(huán)境的調(diào)節(jié)系統(tǒng)當(dāng)中,為了最大限度滿足的最高功率需求,其輸出的功率在設(shè)計(jì)中比較容易出現(xiàn)誤區(qū)。在實(shí)際運(yùn)行過程中容易造成能源的浪費(fèi)。運(yùn)用變頻節(jié)能技術(shù)對改善地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的效果十分明顯,本文針對此類問題進(jìn)行研究。

        1 變頻節(jié)能技術(shù)在地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用意義

        隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)取得了重要進(jìn)展,當(dāng)前已經(jīng)可以設(shè)計(jì)出變風(fēng)量空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng),該系統(tǒng)包含空調(diào)冷風(fēng)機(jī),水泵以及排熱風(fēng)機(jī)等多個(gè)可以使用變頻控制的裝置。地鐵行業(yè)的技術(shù)革新,在人們的日常生活當(dāng)中也起著舉足輕重的作用[1]。為了使節(jié)能技術(shù)不斷改進(jìn)和完善,地鐵公司對車站內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行了針對性的優(yōu)化。就目前而言,除了地鐵的出入口以及并排風(fēng)口以外,其他的地方基本上是與外界隔絕的,如果地鐵運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量不能夠及時(shí)排出,會使站臺內(nèi)的溫度急劇上升,對車內(nèi)乘客的乘坐環(huán)境也會造成不良影響。變頻器工作原理如圖1所示。

        圖1 變頻器工作原理

        綜上所述,合適的地鐵環(huán)控系統(tǒng)對于地鐵正常運(yùn)行有著很大的影響,可以為乘客營造舒適的乘車環(huán)境,并為列車的工作人員提供良好的工作環(huán)境。隨著我國經(jīng)濟(jì)水平不斷提高,可再生能源不斷減少。目前我國面臨著嚴(yán)重的能源危機(jī),由于能源價(jià)格不斷提升,使得我國地鐵的運(yùn)營成本也水漲船高,帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過查詢相關(guān)的文獻(xiàn)和資料,可以發(fā)現(xiàn)地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量是巨大的,消耗的電量占總耗能近50%。如果依靠先進(jìn)的科學(xué)設(shè)備和技術(shù),結(jié)合地鐵本身能源消耗的實(shí)際情況,通過適當(dāng)?shù)耐L(fēng)系統(tǒng)設(shè)備,則可以減少能源的消耗。采用變頻節(jié)能技術(shù)不僅能夠保證地鐵的正常運(yùn)行、優(yōu)化地鐵的室內(nèi)環(huán)境,還能夠達(dá)到能源節(jié)約的目的,提升運(yùn)營企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,也推動了我國地鐵行業(yè)的建設(shè)和發(fā)展。由于我國地鐵行業(yè)相較于其他國家來說起步較晚,到目前為止,地鐵行業(yè)的相關(guān)技術(shù)還沒有完全發(fā)揮應(yīng)有的功效[2]。在能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天,通過變頻節(jié)能技術(shù)就可以有效解決此類問題,目前也得到了絕大多數(shù)地鐵行業(yè)工作者的認(rèn)可和推崇。

        2 變頻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)節(jié)能原理分析

        2.1 空調(diào)負(fù)荷分析變頻空調(diào)的節(jié)能原理

        地鐵的成員單位以及新風(fēng)負(fù)荷是整體變頻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的主要組成部分,相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)站內(nèi)實(shí)際的負(fù)荷,對照風(fēng)量和水量的需求,然后進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)節(jié)。尤其需要注意的是,風(fēng)機(jī)和水泵輸配系統(tǒng)是車站節(jié)能的重要設(shè)備,要想在站內(nèi)運(yùn)行電量消耗分析過程中對其進(jìn)行合理的選擇和類型分配,就需要對車站負(fù)荷變化進(jìn)行大致預(yù)測,調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),最大限度降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

        2.2 地鐵到站的節(jié)能原理

        在地鐵車站設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)人員需要主動配合建筑行業(yè)對隧道的通風(fēng)管道進(jìn)行優(yōu)化,對房間的具體布局以及空調(diào)系統(tǒng)的安裝進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。風(fēng)井與機(jī)房位等建筑物的位置則需要在保證管路通暢的前提下進(jìn)行設(shè)置,這樣做能夠最大限度地降低施工以及設(shè)計(jì)當(dāng)中的不合理結(jié)構(gòu),而且能夠有效避免能源耗損過大。在進(jìn)行通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中,需要增強(qiáng)設(shè)計(jì)者的競爭意識,相關(guān)的設(shè)計(jì)工作人員需要對地鐵具體的符合特征進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析,最終生成優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案[3]。設(shè)計(jì)過程中要盡量避免風(fēng)管直角彎,科學(xué)合理地選擇空調(diào)設(shè)備,使得其功率與地鐵的能源消耗基本匹配,爭取用最少的能源來為地鐵運(yùn)營企業(yè)帶來最大的經(jīng)濟(jì)效益,提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)水平,同時(shí)也推動地鐵行業(yè)的持續(xù)性發(fā)展。

        2.3 系統(tǒng)節(jié)能原理

        在分析空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)的節(jié)能原理之前,要先對車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通常情況下,車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主要包括車站公共區(qū)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)以及設(shè)施管理用房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng),具體到某一車站,則需要針對車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)置情況進(jìn)行分析,其中,設(shè)施管理用房空調(diào)冷負(fù)荷會因?yàn)檐囌窘Y(jié)構(gòu)與規(guī)模的差異而受到不同的影響。如果不使用變頻控制系統(tǒng),在實(shí)際應(yīng)用過程中就會受到很大程度的限制。本文主要針對車站公共區(qū)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析。通過對相關(guān)文獻(xiàn)資料的分析,室外新風(fēng)通過新風(fēng)機(jī)送到新回風(fēng)混合式。當(dāng)外部的新風(fēng)與車站內(nèi)部的回風(fēng)充分結(jié)合后,會通過組合式空調(diào)機(jī)組進(jìn)行降溫,然后將其輸送到車站站廳以及站臺等公共區(qū)域。在地鐵車站空調(diào)通風(fēng)負(fù)荷的設(shè)計(jì)工作中,其標(biāo)準(zhǔn)主要以30年為單位。以30年后遠(yuǎn)期規(guī)劃的客流量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),其初期運(yùn)行主要考慮3~5年內(nèi)的客流量,通常情況下要比遠(yuǎn)期的小。通常情況下,在節(jié)假日以及上下班高峰期,車站客流量會逐漸增大,一年四季的氣溫變化也會對客流量產(chǎn)生一定程度的影響。若車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)按照額定功率運(yùn)行,就會造成一部分的能源浪費(fèi),或者造成一部分能量不足以支撐車站空調(diào)的正常運(yùn)行和工作,導(dǎo)致設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行[4]。變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用能夠很好地解決這個(gè)問題,使車站空調(diào)系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的變化,在空調(diào)符合程度較低的時(shí)候,將空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速適當(dāng)減小,不僅能夠節(jié)約能源,而且有利于避免設(shè)備的磨損;當(dāng)空調(diào)負(fù)荷較高的時(shí)候,系統(tǒng)會自主控制空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,滿足能量需求,為乘客提供一個(gè)舒適的乘坐環(huán)境。變頻調(diào)速不僅在地鐵車站和空調(diào)系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用,在其他的領(lǐng)域,如環(huán)控系統(tǒng)中也有相關(guān)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),由于大部分應(yīng)用場景仍然在摸索當(dāng)中,車站公共區(qū)環(huán)控系統(tǒng)的消耗是非常大的,會隨著人員的變化以及室外氣象條件變化而發(fā)生顯著改變。綜上所述,未來無論怎么選擇,變頻節(jié)能技術(shù)都是主流,而且具有廣闊的發(fā)展前景。地鐵站環(huán)控大系統(tǒng)如圖2所示。

        圖2 地鐵站環(huán)控大系統(tǒng)

        3 地鐵空調(diào)系統(tǒng)的變頻控制方案

        3.1 回排風(fēng)機(jī)的變頻控制方法

        通過對回排風(fēng)機(jī)的具體變頻控制方法進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),如果存在兩臺功率相同的回排風(fēng)機(jī),在變頻和工頻狀態(tài)下都能有效工作。由于回排風(fēng)機(jī)使用的是變頻控制,可以根據(jù)站廳內(nèi)與站臺的實(shí)際溫度、室外溫度,比對站內(nèi)二氧化碳濃度,將其參數(shù)維持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),從而對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率調(diào)整,借助智能控制算法來控制回風(fēng)閥的開度和回排風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率。單臺風(fēng)機(jī)的額定送風(fēng)量小于回排風(fēng)量時(shí),回排風(fēng)機(jī)運(yùn)行在公平,另一臺工作在變頻;如果單臺風(fēng)機(jī)的額定送風(fēng)量高于回排風(fēng)量,則將會關(guān)閉一臺風(fēng)機(jī),而另一臺風(fēng)機(jī)會在變頻狀態(tài)下正常工作。

        3.2 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)組用于站廳和站臺溫度的調(diào)節(jié),開始是通過公共區(qū)溫度的反饋來控制空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)量,采用PID(proportional integral derivative)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。電動二通調(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決定。水泵采用在此系統(tǒng)中的冷量與水量不是比例關(guān)系,水量延緩于冷量的變化,會出現(xiàn)“小溫差,大流量”的情況。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,就會做出相應(yīng)調(diào)整,以適應(yīng)各種季節(jié)的特殊天氣[5]。水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        3.3 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^在現(xiàn)有人機(jī)界面(human machine interface,HMI)、可編程邏輯控制器(prograˉmmablelogic controller,PLC)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/手動控制方式等)上傳至車站環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(building automatic system,BAS)并上傳至調(diào)度中心。環(huán)調(diào)通過BAS實(shí)現(xiàn)對車站溫度的自動控制及必要時(shí)的手動干預(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啟動火災(zāi)模式后,變頻風(fēng)機(jī)能自動切換到工頻運(yùn)行,與火災(zāi)控制模式保持一致[6]。硬件連接如圖4所示。

        圖4 硬件連接

        4 結(jié)語

        隨著我國城市化建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,對于地鐵系統(tǒng)的要求也會不斷提高。通過對變頻節(jié)能技術(shù)的研究和改進(jìn),可以推動地鐵行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。而且近些年來,隨著變頻節(jié)能技術(shù)的不斷發(fā)展,應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大,在地鐵行業(yè)應(yīng)用的過程當(dāng)中,相關(guān)工程的成本不斷降低,為企業(yè)運(yùn)營帶來了足夠的經(jīng)濟(jì)效益。針對我國的地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)而言,變頻器的使用有效緩解了城市化進(jìn)程加快和能源緊缺之間的矛盾,地鐵設(shè)計(jì)工作人員需要及時(shí)認(rèn)識到這一點(diǎn),并且對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),推動變頻節(jié)能技術(shù)在地鐵系統(tǒng)中的普及,促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步。

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