地鐵通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的探討

吳曉鳳（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院　,西安　710014）

地鐵通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的探討

吳曉鳳
（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西安710014）

摘要：地鐵已經(jīng)成為城市交通最重要的組成部分，但巨大的能耗成為制約其發(fā)展的主要因素。本文通過對地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的研究，提出了變頻變風(fēng)控制技術(shù)在地鐵通風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)用，不僅有效提高了通風(fēng)效果，而且大大節(jié)約了地鐵系統(tǒng)能耗。

關(guān)鍵詞：地鐵;通風(fēng);變頻變風(fēng);能耗

0　引言

目前，我國城市交通問題越來越嚴重，地鐵具有運量大、速度快、安全、環(huán)保、乘坐方便等優(yōu)點，成為解決城市交通問題的首選方式，但地鐵巨大的投資和運營成本卻成為制約其發(fā)展的主要因素。因此，有效降低運營成本是地鐵可持續(xù)發(fā)展必須要解決的問題，在運營成本中，通風(fēng)系統(tǒng)的運行能耗約占地鐵總能耗的1/3。[1]在通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)機、空氣壓縮機等大功率設(shè)備基本采用恒定轉(zhuǎn)速恒定風(fēng)量運行，造成巨大的能耗浪費，分析如何利用變頻技術(shù)來解決負載變化時，通過風(fēng)量控制來合理利用能源，對于降低地鐵運行能耗是非常有意義的。

1　地鐵通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

西安地鐵二號線通風(fēng)系統(tǒng)采用屏蔽門制式環(huán)控系統(tǒng)，包括大系統(tǒng)和小系統(tǒng)，大系統(tǒng)是指車站公共區(qū)空調(diào)通風(fēng)兼排煙系統(tǒng)，小系統(tǒng)是指設(shè)備管理用房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)兼排煙系統(tǒng)。由于大系統(tǒng)包括組合式空調(diào)箱、回排風(fēng)機等大功率設(shè)備，因此，將大系統(tǒng)作為研究變頻節(jié)能技術(shù)的主要目標，其典型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　大系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖

2　地鐵通風(fēng)系統(tǒng)控制方式

目前，地鐵通風(fēng)系統(tǒng)中主要有兩種控制方式：定風(fēng)量運行和變風(fēng)量控制[4]。

2.1定風(fēng)量運行方式

定風(fēng)量運行方式是指通過調(diào)節(jié)設(shè)備的運行臺數(shù)來適應(yīng)車站的負荷變化，而通風(fēng)系統(tǒng)是按照早晚兩個客流負荷高峰進行設(shè)計選型的，必須滿足兩個峰值的風(fēng)量，但是在非高峰負荷時，就會造成風(fēng)量浪費；通常，設(shè)備選型還需要考慮遠期客流量，通常是按照近期客流量的2～3倍進行考慮，因此，所選設(shè)備的容量會遠遠大于近期車站負荷。由于通風(fēng)系統(tǒng)大部分是在部分負荷情況下運行，長期處于“大馬拉小車”的狀況下，造成能源的浪費，通常風(fēng)機運行時的平均風(fēng)量能耗僅為設(shè)計的70%左右，因此，定風(fēng)量運行方式不能降低地鐵運行能耗。

2.2變風(fēng)量控制方式

變風(fēng)量控制是指通過改變送入車站的風(fēng)量來滿足負荷的變化。根據(jù)上面分析，通風(fēng)系統(tǒng)大部分時間在部分負荷下運行，通過風(fēng)量的減小達到風(fēng)機能耗的降低，不僅可以達到降低地鐵運行能耗的目的，而且可以大大減小機械的磨損，減小維護時間，改善設(shè)備性能。

3　地鐵通風(fēng)系統(tǒng)變頻控制

3.1變頻節(jié)能原理

風(fēng)機采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)改變風(fēng)量、流量，可以節(jié)約電能，常規(guī)采用控制擋板和閥門的開度節(jié)流調(diào)節(jié)，浪費電能[2]。

風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比：

風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比：

電動機的軸功率Ρ與QH成正比，即與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比：

式中K1，K2，K3為常數(shù)

軸功率Ρ還可以表示為：

式中η—風(fēng)機效率；

Q—風(fēng)量，m3/s；

H—風(fēng)壓，Ρа；

N—轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（1）可知，如需將風(fēng)量降低1/2，只需將轉(zhuǎn)速降低1/2即可，而同時軸功率減少為原來的1/8，即減少了7/8的軸功率，節(jié)能效果明顯。

3.2地鐵通風(fēng)變頻節(jié)能控制

地鐵通風(fēng)工程中變頻變風(fēng)調(diào)速主要采用以下幾種方式：

（1）僅隧道排熱風(fēng)機兼站臺隧道排風(fēng)機采用變頻調(diào)節(jié)；

（2）大系統(tǒng)中回排風(fēng)機、組合空調(diào)器采用變頻調(diào)節(jié)；

（3）大系統(tǒng)回排風(fēng)機、組合空調(diào)器、冷水泵都采用變頻調(diào)節(jié)[5]；

實際運行中，隧道排熱通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機屬于長期運行風(fēng)機，在初期使用低速檔運行，遠期采用高速檔運行，因此采用雙速風(fēng)機即可實現(xiàn)節(jié)能。

由于在地鐵通風(fēng)系統(tǒng)運行中風(fēng)機能耗占最大的比例，因此大系統(tǒng)中風(fēng)機、空調(diào)器,、冷水泵采用變頻變風(fēng)量調(diào)節(jié)，可以大大降低能耗，減小地鐵運行成本。

3.2.1風(fēng)機變頻控制

風(fēng)機變頻節(jié)能控制采用變頻器進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，達到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。同時變頻器帶有旁路功能，當需要滿負荷運行時切換的工頻運行，通過站內(nèi)各種溫度、氣體濃度反饋信號，利用智能控制算法控制變頻器的運行頻率和風(fēng)閥的開度，調(diào)節(jié)風(fēng)量。

圖2　風(fēng)機變頻控制原理圖

在實際運行中，不用所有風(fēng)機控制都配變頻器，這樣會增加成本，因為不是所有的風(fēng)機都需要變頻運行的，可以通過部分風(fēng)機進行變頻控制，其余風(fēng)機工頻運行的方式，即達到了節(jié)能的目的，又降低了投資成本。

風(fēng)機變頻控制原理圖如圖2所示，變頻工作時，斷路器QF1，QF2閉合，QF3斷開，變頻器接入控制回路，可以通過對檢測到的各種反饋信號進行分析，從而對變頻器的輸入頻率進行自動調(diào)整，達到調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速的目的，也可以通過手動方式對變頻器進行就地和遠程操作。正常情況下，風(fēng)機處于自動工作模式，即通過DCS對采集的反饋信號進行分析，與變頻器的給定頻率值進行連鎖設(shè)定，自動調(diào)整輸入頻率，從而對風(fēng)機轉(zhuǎn)速進行自動調(diào)節(jié)，控制通風(fēng)機風(fēng)量，達到與負荷匹配的目的，當車站溫度或二氧化碳濃度過高，則調(diào)高轉(zhuǎn)速，增大新風(fēng)，當車站溫度或二氧化碳濃度較低時則降低轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機按照經(jīng)濟方式運行，從而節(jié)約電能。當變頻器故障或者風(fēng)機需要全負荷運行時，可自動切換到工頻運行，此時斷路器QF1，QF3閉合，QF2斷開，通過接觸器進行風(fēng)機的啟停，正反轉(zhuǎn)操作。

3.2.2冷水泵變頻控制

地鐵空調(diào)器采用變頻空調(diào)，通過公共區(qū)的溫度反饋來控制空調(diào)器的送風(fēng)量，當空調(diào)送風(fēng)量調(diào)整到一定程度后采用調(diào)節(jié)冷凍水的流量來控制溫度。水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示[3]，圖中旁通管道上設(shè)置一個壓差控制閥A，系統(tǒng)末端設(shè)置一個雙通調(diào)節(jié)閥B，兩臺冷水泵LB并聯(lián)，再與冷水機組LS串聯(lián)。電動雙通調(diào)節(jié)閥根據(jù)冷卻水進出水管的溫差進行調(diào)節(jié)開度大小，冷水泵采用變頻控制，根據(jù)水泵兩端的水壓表的值來調(diào)整變頻器的輸入頻率，達到調(diào)整冷水泵流量的目的。這種方式比采用閥門來調(diào)整流量節(jié)省電能，通過閥門調(diào)整流量時，冷水泵一直處于額定功率運行，能量大多消耗在了閥門處，浪費電能。因此冷水泵采用變頻控制可以節(jié)約電能，降低地鐵運行成本。

4　結(jié)語

在地鐵通風(fēng)系統(tǒng)中采用變頻變風(fēng)技術(shù)，不僅可以通過實際負荷對風(fēng)量和水量進行自動調(diào)節(jié)，而且具有顯著的節(jié)能效果。

圖3　水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

參考文獻：

[1]城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)多功能設(shè)備集成系統(tǒng)[J].暖通空調(diào),2009(39).

[2]變頻調(diào)速器在風(fēng)機中的節(jié)能應(yīng)用[J].風(fēng)機技術(shù),2003(02).

[3]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(04).

[4]城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展新趨勢[J].都市快軌交通,2004(06).

[5]淺析變頻控制技術(shù)在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報,2008(06).

點光源LED智能航標燈器的發(fā)光功率為3W時，LED發(fā)出的光通量是220lm，帶入以上公式，考慮到防護罩的透光率，計算得出

根據(jù)中華人民共和國交通行業(yè)標準JT7007-93《航標燈光強測量和燈光射程計算》。

航標燈閃光的有效光強計算采用“布朗德爾-雷”公式：Ie=I。t/(α+t)

式中：

Ie為航標燈閃光有效光強，單位為坎德拉（cd）；

I。為定光光強，單位為坎德拉（cd）；

t為閃光的明的持續(xù)時間，單位為秒（s），此處按0.2秒取值；

α為視覺時間常數(shù)，此處取0.2。

據(jù)此計算得出燈器的有效光強為51cd。

航標燈的燈光射程指在黑暗情況下，氣象能見度在反差率為0.05的條件下，距離為10nmile（對應(yīng)于大氣透射系數(shù)T=0.74）時，該燈光在肉眼上所產(chǎn)生的光照度E為0.2Lux時所處的距離。

采用阿拉特定律，根據(jù)燈光光強求出燈光射程：

式中各參數(shù)定義為：

D為燈光射程（nmile）；

E為照度閾值，E=0.586；

T為大氣投射系數(shù)，T=0.74；

I為燈光光強（cd），計算時以有效光強代入

根據(jù)此公式計算，得出燈器的最大射程為4.5海里，超過了設(shè)計要求。

5　LED的安全驅(qū)動

普通小功率LED驅(qū)動，只要能夠滿足恒流輸出，就可以正常驅(qū)動，而大功率LED除了要滿足基本的恒流外，還要解決散熱、異常保護等問題，為使LED的長期穩(wěn)定工作，燈器采取如下措施：（1）設(shè)置了高效的散熱系統(tǒng)，由銅基板和太陽花自然冷卻散熱器組成的散熱系統(tǒng)，可以使LED24小時穩(wěn)定發(fā)光；（2）選用寬電壓輸入范圍和具有短路、斷路保護功能的高驅(qū)動電流降壓型恒流LED驅(qū)動芯片LM3406，它內(nèi)部集成2.0AMOSFET驅(qū)動管，輸入電壓6-42V，最大電流1.7A，具有ΡWM調(diào)光功能；利用該電路配合外圍電路便可構(gòu)成高效率、保護完善的LED驅(qū)動電路。由外部輸入的9－36V直流電壓，經(jīng)過LM3406降壓、恒流后輸出，供LED使用。利用LM3406的DIM和RON控制輸入，可以實現(xiàn)ΡWM輸出功率調(diào)節(jié)和發(fā)光的休眠控制。將LM3406的RON和DIM端口，分別連接至ARM處理器的燈質(zhì)控制口和ΡWM功率調(diào)節(jié)輸出口，完成燈質(zhì)和功率控制的功能。

6　結(jié)語

大功率LED與自由曲面?zhèn)劝l(fā)光透鏡相結(jié)合，應(yīng)用于航標燈器，設(shè)計了真正的點光源LED航標燈，實現(xiàn)了航標燈器的一個技術(shù)創(chuàng)新，該燈器消耗4W的功率，即可達到4.5海里以上的有效射程，節(jié)能效果明顯，在航標燈器低功耗、高穩(wěn)定方面也取得了一定的突破。

由于水平所限，文中不足之處在所難免，敬請各位專家批評指正。

[1]王英志.航標學(xué)[M].大連海事大學(xué)出版社,1997(09).

[2]郝允詳,陳遐舉,張保洲.光度學(xué)[M].中國計量出版社,2010(10).

作者簡介：吳曉鳳(1983-)，女，河南濮陽人，研究方向：電氣自動化。 馬睿(1982-)，男，山東青島人,碩士，研究方向：航標管理。