變頻技術(shù)在地鐵機電設(shè)備中的節(jié)能分析

王曉冬 龍 雪

變頻技術(shù)在地鐵機電設(shè)備中的節(jié)能分析

王曉冬 龍 雪

青島地鐵集團有限公司

隨著變頻技術(shù)的廣泛推廣，越來越多的工程案例運用此技術(shù)來挖掘設(shè)備的節(jié)能潛力。地鐵機電設(shè)備是車站的能耗大戶，實踐證明將變頻技術(shù)運用到地鐵機電設(shè)備中可以大大降低設(shè)備的能耗。本文就是以機電設(shè)備中扶梯以及中央空調(diào)系統(tǒng)為例，通過實測對比了變頻前后設(shè)備的能耗情況，論證了變頻節(jié)能技術(shù)的實效性。

變頻節(jié)能中央空調(diào)地鐵機電

隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻節(jié)能被人越來越多地運用到中央空調(diào)工程中[1]，但目前就地鐵機電設(shè)備的變頻節(jié)能潛力情況很少有具體量化的數(shù)據(jù)，本文以地鐵的扶梯及空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，通過實測不同的變頻節(jié)能運行模式，論證了變頻技術(shù)在地鐵機電設(shè)備節(jié)能中的巨大潛力。式感應(yīng)裝置向控制系統(tǒng)發(fā)出信號，扶梯開始加速直至達到額定速度。在一段時間內(nèi)，無乘客使用時，變頻器控制扶梯通過改變電扶梯的電機供電頻率（表1）自動地減速至節(jié)能狀態(tài)，以達到節(jié)約電能，降低運營成本的目的。

表1 電扶梯變頻供電頻率

1 地鐵電扶梯節(jié)能分析

在變頻節(jié)能改造前，電扶梯不論有人還是空載，電扶梯始終以額定速度運行，導(dǎo)致電扶梯在空載時的能耗浪費。實施變頻改造后在變頻器控制下空載扶梯以節(jié)能速度運行，當有乘客踏上扶梯時，光電或壓電

以深圳地鐵部分車站為例，電扶梯采用變頻后的效果實測如表2。

表2 電扶梯變頻節(jié)能效果

由表2計算可知：每臺扶梯運行一天平均節(jié)電率約為41.6%，按此節(jié)能潛力可以估算深圳地鐵一期工程全線212臺扶梯一年節(jié)約的運營成本可達116萬元。

2 地鐵中央空調(diào)節(jié)能分析

地鐵車站中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、組合式空調(diào)箱（送風(fēng)設(shè)備）、回排風(fēng)機等設(shè)備組成。其能耗約占車站總能耗的40%～50%左右，因此是車站的能耗大戶。冷凍泵、冷卻泵、組合式空調(diào)箱、回排風(fēng)機這些設(shè)備統(tǒng)稱為中央空調(diào)系統(tǒng)的輸送設(shè)備，據(jù)有關(guān)研究表明，輸送設(shè)備的能耗約占中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗的60%～70%左右[2]，因此中央空調(diào)的最大節(jié)能潛力在于輸送設(shè)備。

改造前中央空調(diào)系統(tǒng)能耗情況是：車站空調(diào)的負荷是不斷變化的，冷水機組可以自動調(diào)節(jié)，但是冷凍泵、冷卻泵、組合式空調(diào)箱、回排風(fēng)機都是以額定轉(zhuǎn)速運行的，勢必導(dǎo)致空調(diào)負荷降低時，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，使機組的效率降低，浪費能源。

為此，考慮空調(diào)負荷降低時，通過變頻技術(shù)當冷水機組自動調(diào)節(jié)能量時與之相對應(yīng)的冷凍泵、冷卻泵、組合式空調(diào)箱、大系統(tǒng)回排風(fēng)機自動地調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，降低能耗，提高系統(tǒng)的效率。

2.1 空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能潛力分析

以深圳地鐵華僑城站為例，地鐵站空調(diào)水循環(huán)控制組成如圖1所示?？照{(diào)水系統(tǒng)由兩臺功率140kW螺桿式冷水機組、兩臺18.5kW冷凍泵、兩臺22kW冷卻泵和2臺7.5kW冷卻塔組成。2009年對原系統(tǒng)進行了節(jié)能改造，系統(tǒng)中加裝了平方轉(zhuǎn)矩水泵型變頻調(diào)速控制器、溫度傳感器、流量傳感器、壓差傳感器、電量采集模塊等（設(shè)備清單見表3），由原來的定水量系統(tǒng)改為變水量系統(tǒng)。華僑城地鐵站空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能改造用變頻器，其頻率調(diào)節(jié)范圍設(shè)定為30～50Hz，每個冷凍泵及冷卻泵配置一臺變頻器；在冷凍水、冷卻水總管每個主機出水管路安裝了插入式溫度傳感器，可以記錄冷凍水、冷卻水的進出水溫度；冷凍水主管安裝了超聲波流量計，用于監(jiān)測冷凍水總流量；壓差傳感器布置在分集水器之間，用于監(jiān)測冷凍水供回水壓差；此外，在每個水泵和主機系統(tǒng)加裝有電量采集模塊，可以記錄每個水泵及主機的電量。整個水系統(tǒng)的控制及運行狀態(tài)通過總線接入車站EMCS系統(tǒng)。

圖1 華僑城地鐵站空調(diào)水循環(huán)控制圖

表3 空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制組成

2.2 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能潛力分析

華僑城地鐵站空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)控制如圖2所示?？照{(diào)風(fēng)系統(tǒng)由4臺功率30kW組合式空調(diào)箱、4臺11kW回排風(fēng)機組成。2009年對系統(tǒng)進行了節(jié)能改造，加裝了風(fēng)機變頻調(diào)速控制器、溫度傳感器、電量采集模塊等（設(shè)備清單見表4），此外，4臺組合式空調(diào)箱表冷器裝有比例積分電動調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)回風(fēng)溫度調(diào)節(jié)閥門開度。華僑城地鐵站空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)在每一臺組合式空調(diào)箱及回排風(fēng)機都裝有變頻器，其頻率調(diào)節(jié)范圍設(shè)定為30～50Hz；送回風(fēng)管裝有溫度傳感器，可以記錄風(fēng)機的送排風(fēng)溫度；每個風(fēng)機裝有電量采集模塊，可以記錄每個風(fēng)機的用電量。整個風(fēng)系統(tǒng)的控制及運行狀態(tài)通過總線接入車站的EMCS系統(tǒng)。

表4 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制組成

圖2 華僑城地鐵站中央空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)控制圖

2.3 結(jié)果與分析

分別在空調(diào)季節(jié)4、5、6月份選取負荷條件相似的兩天，對空調(diào)系統(tǒng)變頻運行及定頻運行能耗進行實測，其結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 車站4月某日空調(diào)能耗對比圖

圖4 車站5月某日空調(diào)能耗對比圖

圖5 車站6月某日空調(diào)能耗對比圖

由圖3～5可得：空調(diào)系統(tǒng)采用變頻運行后，其冷水主機（LS）、冷凍泵（LDS）、冷卻泵（LQS）、空氣處理裝置（KT）以及回排風(fēng)機（HPF）的能耗均大大降低。其風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)以及空調(diào)系統(tǒng)總體節(jié)電率如圖6所示：空調(diào)負荷減小時其變頻節(jié)能的潛力更大，風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能均在40%以上，水系統(tǒng)節(jié)能20%以上，總體節(jié)能在20%以上。

圖6 車站空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能對比圖

3 變頻式多聯(lián)機系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用

當夜間或過渡季節(jié)大系統(tǒng)不需要供冷時，關(guān)閉中央空調(diào)系統(tǒng)，開啟變頻式多聯(lián)機系統(tǒng)直接對小系統(tǒng)供冷，達到節(jié)能的目的。參考文獻[3]論證了夜間或過度季節(jié)使用變頻式多聯(lián)機與采用中央空調(diào)（水、風(fēng)系統(tǒng)變）供冷時能耗可以減少約20%。本文以深圳地鐵深站為例，通過實測對比了夜間或過度季節(jié)采用變頻多聯(lián)機與采用中央空調(diào)（未采用變頻）供冷時的能，論證了采用變頻式多聯(lián)機供冷的節(jié)能潛力。

本文選取了兩個冷負荷條件相似的夜晚對深大站分別采用了兩種供冷方式：①采用變頻式多聯(lián)機供冷，此時關(guān)閉所有車站內(nèi)大系統(tǒng)、水系統(tǒng)，小系統(tǒng)僅開啟有人員值班房間所在系統(tǒng)的風(fēng)機以滿足一定的新風(fēng)需求（小系統(tǒng)2、3、4），能耗如表5；②采用中央空調(diào)供冷（未變頻），此時關(guān)閉車站大系統(tǒng)，水系統(tǒng)定頻運行，小系統(tǒng)開啟所有需要供冷的系統(tǒng)（小系統(tǒng)1、2、3、4、5、6）能耗如表6。

表5 變頻式多聯(lián)機供冷時的能耗表

表6 中央空調(diào)供冷（未變頻）時的能耗表

由表5、6可知，夜間或過度季節(jié)采用變頻式多聯(lián)機供冷的總能耗為430.72kWh，相同條件下采用中央空調(diào)供冷（未變頻）時的總能耗為1185.9kWh，因此可得采用變頻式多聯(lián)機供冷比采用中央空調(diào)供冷（未變頻）可節(jié)能63.7%，并以此為依據(jù)形成了小系統(tǒng)夜間或過度季節(jié)時的節(jié)能運行模式。

4 結(jié)論

1）通過電扶梯變頻運行一天平均節(jié)電約為42%。

2）中央空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)采用變頻控制后可以大大降低能耗，通過4～6月份的測試表明，采用變頻的風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能均在40%以上，水系統(tǒng)節(jié)能20%以上，總體節(jié)能在20%以上，并且在空調(diào)負荷不大的情況下其變頻節(jié)能的潛力越大。

3）在夜間或過度季節(jié)采用變頻式多聯(lián)機系統(tǒng)供冷可以大大降低能耗，通過實測表明夜間或過度季節(jié)采用變頻式多聯(lián)機供冷時比采用中央空調(diào)供冷（未變頻）可以節(jié)能約64%，并以此為依據(jù)形成了車站夜間或過度季節(jié)小系統(tǒng)節(jié)能運行模式。

[1]趙彬.中央空調(diào)變頻節(jié)能的應(yīng)用及展望[J].福建能源開發(fā)與節(jié)約,2000,(1):25-27

[2]江億.我國建筑耗能狀況及有效的節(jié)能途徑[J].暖通空調(diào),2005, 35(5):30-40

[3]賴雪龍,王憲,王曉冬.深圳地鐵空調(diào)變頻式多聯(lián)機系統(tǒng)的節(jié)能分析[J].城市軌道交通研究,2011,14(2):62-63

The Applic a tion of Fre que nc y Conve rs ion Te c hnology in Me tro Me c ha nic a l a nd Ele c tric a l Equipm e nt Ene rgy Sa ving

WANG Xiao-dong,LONG Xue
Qingdao Metro Corporation

With the developing application of the frequency conversion technology,more and more engineering cases apply the technology for saving energy consumption.The metro mechanical and electrical equipments consume large energy,so it’s proved that the frequency conversion technology applied to metro equipment can greatly reduce the energy consumption.The escalator and air conditioning system in metro were taken as an example for demonstrating the effectiveness of frequency conversion technology in energy saving according to contrasting the energy consumption before and after the frequency conversion technology.

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1003-0344（2014）04-064-4

2013-5-26

王曉冬（1980～），碩士，工程師；山東省青島市青島地鐵集團有限公司（266000）；E-mail:wxdshandong@126.com