地铁用排热风机的智能通风方案

孙立锋 陈贺民/浙江金盾风机股份有限公司

王绍兴 莫鑫宇/广州地铁集团有限公司

地铁用排热风机的智能通风方案

孙立锋 陈贺民/浙江金盾风机股份有限公司

王绍兴 莫鑫宇/广州地铁集团有限公司

0 引言

地铁车站隧道通风系统主要由排热风机、消声器、风阀、防火阀等设备及相应的管路系统、控制单元组成，其功能是排除列车制动发热量及停站过程中冷凝器所产生的热量，以减少列车排出的热量对车站及区间环境的影响。车站隧道通风系统在地铁运营期间需长期运行，能耗巨大，且负荷变化明显，主要的耗能设备是排热风机[1-3]。

为了降低车站隧道通风系统的能耗，提出了运行特性随负荷的变化而变化的排热风机智能控制方式，并介绍了智能通风系统的组成。结合工程实践，对比排热风机的常规控制方式，分析了智能通风系统的节能效果及其可靠性。

1 排热风机常规控制方式

排热风机一般采用分时段变频控制方式，根据列车运行对数的不同，排热风机按不同的频率运行，当发车间隔较小时，排热风机按工频运行，当发车间隔较大时，排热风机降频运行。以某地铁线的控制方式为例。

表1 排热风机运行频率

上述控制方式简单，列车运行对数多、进出站频繁，则热负荷高、风机运行频率高，反之则降频运行，因此一定程度上也达到了节能的目的。

但存在的问题是，这种运行模式还不能依据热负荷的变化，实时控制排热风机运行频率，尚未达到最好的节能效果，比如按照排热风机的功能，当列车不在车站时，热负荷最低，排热风机可以以更低的频率运行，甚至可以停止运行。因此，上述控制方式还是存在能耗偏大的问题。

2 排热风机的智能通风方案

2.1智能控制方式

排热风机的智能控制方式可根据列车进出站情况实时控制排热风机运行频率。

列车进站时，光电传感装置采集到列车进站信号并传送给PLC智能控制单元，PLC智能控制单元判断后发送指令给变频器，变频器控制排热风机以50Hz高频运行；列车离开站台时，光电传感装置采集到列车离站信号并传送给PLC智能控制单元，PLC智能控制单元判断后发指令给变频器，变频器控制排热风机以10Hz低频运行，PLC智能控制单元可以延时发送指令，以控制排热风机高频运行时间。

本方案通过对排热风机转速随热负荷变化的实时控制，避免了排热风机持续处于大功率运行状态，在有效排出轨行处热量的同时降低了排热风机的能耗，是一种能够有效降低能耗的排热风机智能控制方式。

2.2智能通风系统的组成

智能通风系统主要由光电传感装置、变频控制柜、排热风机组成[4]，图1为智能通风系统组成示意图。

光电传感装置：包括光电传感器和控制器，是一种基于模拟信号、数字信号处理为基础，再通过物体成像原理而设计的一种高性能智能化探测装置，用于探测列车的到站、出站信号，并将信号传送给控制柜[5]。

变频控制柜：变频控制柜根据光电传感装置发出的信号，控制排热风机的运行频率，并可以将光电传感装置的运行信息上传给环境与设备监控系统（Building Automation System，BAS）[6]。当PLC智能控制单元接收到光电传感装置的故障信号时，会自动报警并将故障信号上传BAS，同时控制排热风机按预先设定的频率连续运行[7]。

排热风机：列车在站台时高速运行，将列车产生的热量排出车站，列车出站后低速运行，节约电能。

2.3排热风机的布置

车站隧道通风系统一般采用单侧排风，车站两端各设置1台排热风机，分别负担半个车站范围内上行线和下行线的轨顶、轨底排热，图2为常规的车站隧道通风系统图。由于上行线和下行线的列车在进出站时间上的不同步，当采用智能通风系统时，上行线和下行线需分别设置独立的通风系统，因此在智能通风系统中排热风机不能同时负担上行线和下行线的排热，需要对常规通风系统的布置进行调整。图3为采用2台排热风机布置的通风系统图，单台排热风机负担整条上行线或者整条下行线的排热；图4为采用4台排热风机布置的通风系统图，单台排热风机负担半条上行线或者半条下行线的排热[8-9]。

2.4智能通风系统的可靠性

与常规的分时段变频控制相比，电机的耐热性能和光电传感器的抗干扰性是影响智能通风系统可靠性的主要因素。

2.4.1 电机的耐热性能

智能通风系统中风机需要在高速档和低速档间频繁切换，会使电机的发热量增加。在本方案设计中，采取了一些措施以提高电机的耐热性能。1）采用了绝缘等级为H级的变频电机，使电机具有更好的耐热性能；2）在风机的结构设计中，使电机完全裸露在气流流道中，提高电机的散热效果。

在工程实践中，我们进行了电机耐热性能的测试。按照列车运行间隔180秒进行高低速循环运行，即高速（工频50Hz）运行40秒，低速（频率10Hz）运行140秒，连续运行2个月。从记录的电机轴承、绕组的温升数据可以看出（表2），风机运行40小时后，电机轴承、绕组的温度升高约17℃后就趋于稳定状态，几乎不再上升。轴承温升远小于40℃的极限温升，绕组温升远小于105℃的极限温升。在2个月的测试运行中，风机及控制系统运行正常，可见风机在高速档和低速档间的频繁切换，对电机来讲是安全的。

表2 电机轴承、绕组温度记录表

2.4.2 光电传感器的抗干扰性

光电传感器安装在车站端门外侧，受到周围温度、湿度、灰尘等环境条件的影响，同时列车通过时的振动、列车灯光、列车被探测区域颜色、材质等因素也可能影响传感器的灵敏度。通过在某地铁线安装的试验样机超过1年的运行，没有出现传感器误报或者探测不到列车信号的情况，说明光电传感器具有很好的抗干扰性。

2.4.3 可靠性的实际测试情况

对某地铁线安装的排热风机智能通风系统进行了持续跟踪，从2014年7月安装使用至今，一直在不间断运行，整套设备控制精确、运行平稳，至今未发生任何故障。验证了智能通风系统的可靠性。

2.5智能通风系统的节能效果

采用智能控制方式后，排热风机大部分时间是在10Hz低频下运行，根据电动机消耗功率与其转速的三次方成正比[10]，降低转速运行时，可以节约大量的电能。以电机额定功率45kW的排热风机为例，采用智能控制方式需增加设备费用约2.3万元，表3是排热风机在两种控制方式下的能耗测试数据，采用智能控制方式后排热风机的节能效果显著，按每1kW·h电价为0.8元计算，最多1年就可以收回投资。

表3 排热风机两种控制方式下能耗对比表

3 结论

智能控制方式能够满足地铁车站隧道通风系统的要求，并且运行可靠。与常规的分时段变频控制相比，节能效果显著。目前，该智能通风系统已在南京地铁4号线获得应用，在地铁工程中应用该系统，仅排热风机一项就能获得可观的的节能减排收益。

[1]周黎.中国铁道学会铁路暖通空调专业2006年学术交流会[C].2006.

[2]华耀南,郭绍华,石雪松,等.地铁和隧道风机的前景现状及发展[J].风机技术,2009(3):54-59.

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[4]谈洪朝.付同标.王淼根,等.地铁地下车站用节能排热风机系统:中国,ZL201020561515.6[P].2010-10-15.

[5]乔勇恵.光电传感器原理及应用[J].可编程控制器与工厂自动化, 2008(5):103-106.

[6]安波.地铁BAS系统及故障处理浅析[J].科技与企业,2015(23): 85.

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[10]商景泰.通风机实用技术手册[M].北京：机械工业出版社，2005.

：针对地铁车站排热风机的常规运行控制方法，提出了排热风机的智能控制方式，介绍了智能通风系统的组成和排热风机的布置。结合工程应用实例，阐述了智能通风系统的可靠性及其显著节能效果。

地铁隧道通风系统；排热；轴流风机；智能通风；节能

Inte lligent Ventilation So lution for Heat Extraction from AxialFans in Subways

Sun Li-feng,Chen He-min/Zhejiang Jindun FansHoldingCo.,Ltd.
Wang Shao-xing,Mo Xin-yu/Guangzhou Metro Group Co.,Ltd

ventilation system in station and tunnel subway;heat extraction fan;intelligent ventilation;energy saving

TH43；TK05

A

1006-8155（2016）06-0081-04

10.16492/j.fjjs.2016.06.0054

2016-03-11浙江绍兴312300

Abstract:In order to improve the commonly applied control methods of heat extraction from axial fans used in metro stations,an intelligent control method is introduced,as well as an intelligent ventilation system and the layout of heat extraction from fans. Engineering examp les show the reliability of the intelligent ventilation system and its energy savingadvantage.