地铁车站公共区通风空调变频技术的应用

郝娜

【摘要】介绍地铁车站公共区即大系统组和空调器、新风机、回排风机三者配置情况。根据地铁车站环控的负荷特点及一条线的运营模式，考虑合理的环控设备配置及运行模式，来满足系统的要求和节能的目的。

【关键词】变频器、二通阀开度、行车对数、高次谐波、变频器调节度

1 引言

广州地铁三号线北延段全线11个车站，车站通风空调大系统采用全空气双风机一次回风系统。大系统由组合式空调器、回排风机、空调新风机、排烟风机、风阀、防火阀、消音器和风道组成。设有空调季节小新风、空调季节全新风和全通风三种运行模式。新风机、回风机、组合式空调器按照远期配置，三者均设置变频器。考虑到空气品质和防止异味的因素，变频的下限按保证人员新风及公共区最小换气次数确定（保证5次/小时），控制策略按照先变频调整风量后变二通阀开度调节水量的原则，当车站公共区空调冷负荷由大向小变化时（通过设在回风室或回风总管上的温湿度传感器反馈数据，初按一个计算负荷得来的基准值设定），首先调小组合式空调机组,回/排风机,空调小新风机风量来适应空调冷负荷的变化,当风量已经达到下限后组合空调器的冷负荷还大于车站所需冷负荷时, 再调小组合式空调机水系统上的比例积分调节阀,直到组合式空调机输出冷量与车站所需冷量平衡。

2全线采用变频技术的必要性分析

2.1.相关规范的引述

在《地铁设计规范》中第12.1.7条提到“地铁的通风与空调系统应按地铁预测的远期客流流量和最大的通过能力设计，但设备应按近期和远期配置，分期实施。”地铁通风与空调系统的风量、冷量的大小主要取决于地铁的客流量和列车通过能力，但客流量和列车的通过能力远期大于近期，通风与空调设备的能力应与之相匹配。若近期就按远期能力实施，就需要增加地铁建设的初投资，若设计时不按预测的远期条件预留足够的机房面积，日后扩建对土建的影响很大。

2.2车站大系统新风量的确定

大系统小新风机的配置取决于人员新风量、比例风量、屏蔽门漏风量三者中最大值，而初、近、远期客流、行车对数不同，导致屏蔽门漏风量、车站负荷不同。下表是全线初、远期屏蔽门漏风量（近期行车对数仅比远期少3对）。

按目前三号线北延伸线的技术要求，由于初、远期屏蔽门漏风量决定大系统的小新风量，下面以梅花园站为例分析屏蔽门漏风量对大系统总负荷、新风负荷、回排风量的影响。

表格一 梅花园站不同阶段各种负荷、风量表

从表格一可以看出，初、远期由于小新风量、客流不同，引起大系统新风负荷、总负荷的增加，特别由新风量的变化引起的新风负荷增加占总冷量的比例较大，若新风机、回/排风机都按远期配置，在初期新风的比例超过要求，引起新风负荷相应增加，这与节能设计是相违背的。

图1 大系统全空气系统图

2.3车站空调负荷特点及目前已运营三号线变频运行情况

地铁的客流在一天内有明显的峰谷变化、室外温度不同，都会引起车站的冷负荷在一天内相应变化，通过回风温度的控制来变频调节风量，可达到节能运行的目的。三号线是广州地铁第一次在环控大系统中采用变频技术，根据运营提供的运行数据看出，使用三年来变频设备运行稳定，EMCS系统记录数据分析，变频器的应用确实起到了节能的效果。图2记录了现在已运营的三号线厦滘站大系统一台组合式空调器在6月到9月份某一天内变频器运行情况；图3记录了两台组合式空调柜从6月到12月份的变频器运行情况。从图2可以得出，AHU-1组合空调机组在6～8月中都以明显的变频方式运行，运行频率从早上的50HZ开始迅速下降到25～27Hz，在8：00前后又逐步提高到33Hz左右，直到晚上21：00又回复到25Hz运行，全天呈现明显的谷峰状态。在8月下旬到9月，设备则大部分时间处于满负荷运行。另外，从图3的半年频率变化也可以看出，AHU-1和AHU-2组合空调机组运行频率变化分别与每日及季度的客流、气温变化明显相符，因此认为变频系统对组合空调机组的节能运行有明显的效果。从图4可以得出大系统回排风机与组合空调机组的频率变化方式相一致的结论。根据以上的运行测试，经计算6~9月变频大系统空调设备的运行费用为2.5万元，不变频形式设备的运行费用为6.0万元，采用变频方式能节省运行费用3.5万元。（大系统每天运行18小时，电费按0.7元/kW.时计算），增加的初投资费用大致两年可收回。

三号线是客流及行车密度较大的线路，典型车站的总送风量在100000～150000m3/h ，对于以上参数和节能性能的分析还不能完全代表三号线北延线。三号线北延线客流小，风量在70000～85000 m3/h之间，车站站厅建筑面积一般为1000m2左右，这样公共区站厅层的换气次数在7次左右。保证最小的换气次数5次的变频下限，对应的频率大致为34hz。

图2 AHU-1组合空调机组变频器一天运行情况分析

图3AHU-1、2组合空调机组变频器6~12月份运行分析

图4 RAF-1/RAF-2大系统回排风机

三号线北延是三号线的延长线，在设计上空调系统的设计参数、系统形式、设备选型、配置方式应保持一致。在投入使用后，也能方便运营管理。

3变频器对整个系统的影响及其控制方面的重要性

变频技术能节省能源，但是也存在一些弊端。首先，由于变频器采用的电路结构是“整流器-电容/电感器-逆变器”，无论是整流器或是逆变器都具有非线性特性，所以它会产生高次谐波。这种高次谐波会使输入电源的电压波和电流波形成发生畸变。如果不采取有效抑制措施，它对各种电器设备，自动化装置、计算机、计量仪器以及通信系统均有不同程度的影响。对于供电线路来说，由于高次谐波的作用，恶化了电网质量指标，降低了电网的可靠性，增加了电网损失，缩短了电器设备的寿命。还存在干扰通信系统，降低信号的传输质量的可能；再有变频对传感器的精度、变频器的调节度都有很高要求，从而增加系统的初投资。变频器的造价在3至6万元之间，传感器的造价一般1500元左右；最后变频技术对空调设备也提出了要求，要求设备至少需要有两个以上工作点，一般而言常用工作点在高效区，若阀门等状态的变化，造成管路曲线的变化，其它工作点就不会在高效区，如果长期不在高效区运行对空调设备而言是一种浪费。设置变频设施后能否达到节能运行的效果，取决于控制系统能否完全落实并执行空调系统的设计意图，同时运行过程中还需要运营人员密切关注相关系统相关参数的变化并作出相应调整。

4大系统设备变频配置适用范围

地铁作为公共活动的场所，最小通风量应保证不小于5次/小时的换气次数，对于一些客流量小且车站规模小的车站，计算得到的总送风量不大，如果采用变频技术保证上述通风换气次数对应的设备频率会和工频时的变化不大，这种情况下采用变频技术就不值得了，节省的运行费用就不会很大。

结论

（1）、变频技术运用的好坏是由多方面因素决定的，其中任何一个环节达不到设计要求，均会影响运行和节能效果的好坏。理论而言，像地铁这种人员密集，使用时间又相对集中的公共场所，在包括空调系统在内的公用设备系统中采用变频技术可达到节能的目的。

（2）、经过上述分析，只要采取得当措施，克服变频器带来的不利影响，三号线北延线大系统采用变频技术具有节能条件，但在保证空气品质的基础上，变频范围较窄，为保证全线的一致性，建议采用变频系统。

（3）、变频技术适用于客流量较大的地铁车站。对于2010年后开通的车站应根据计算出来得负荷特性并结合车站的规模来选择适合的通风空调系统模式。

参考文献：

《空气调节设计手册》（第二版），电子工业部第十设计研究院

《利用变频技术实现风机节能》，张少春，《陕西煤炭技术》（2000年第4期）

《变频节能技术在中央空调系统的应用》,王晋，《制冷空调》（2006年第3期）

《变频调速在通风系统中的应用分析》，刘卫斌，《暖通空调》（2007年第37卷第1期）

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。