地鐵通風系統節能技術的探討

吳曉鳳（西安鐵路職業技術學院　,西安　710014）

地鐵通風系統節能技術的探討

吳曉鳳
（西安鐵路職業技術學院,西安710014）

摘要：地鐵已經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展的主要因素。本文通過對地鐵通風系統的研究，提出了變頻變風控制技術在地鐵通風系統中應用，不僅有效提高了通風效果，而且大大節約了地鐵系統能耗。

關鍵詞：地鐵;通風;變頻變風;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、環保、乘坐方便等優點，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展的主要因素。因此，有效降低運營成本是地鐵可持續發展必須要解決的問題，在運營成本中，通風系統的運行能耗約占地鐵總能耗的1/3。[1]在通風系統中，風機、空氣壓縮機等大功率設備基本采用恒定轉速恒定風量運行，造成巨大的能耗浪費，分析如何利用變頻技術來解決負載變化時，通過風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　地鐵通風系統結構

西安地鐵二號線通風系統采用屏蔽門制式環控系統，包括大系統和小系統，大系統是指車站公共區空調通風兼排煙系統，小系統是指設備管理用房空調通風系統兼排煙系統。由于大系統包括組合式空調箱、回排風機等大功率設備，因此，將大系統作為研究變頻節能技術的主要目標，其典型結構圖如圖1所示。

圖1　大系統典型結構圖

2　地鐵通風系統控制方式

目前，地鐵通風系統中主要有兩種控制方式：定風量運行和變風量控制[4]。

2.1定風量運行方式

定風量運行方式是指通過調節設備的運行臺數來適應車站的負荷變化，而通風系統是按照早晚兩個客流負荷高峰進行設計選型的，必須滿足兩個峰值的風量，但是在非高峰負荷時，就會造成風量浪費；通常，設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，所選設備的容量會遠遠大于近期車站負荷。由于通風系統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，通常風機運行時的平均風量能耗僅為設計的70%左右，因此，定風量運行方式不能降低地鐵運行能耗。

2.2變風量控制方式

變風量控制是指通過改變送入車站的風量來滿足負荷的變化。根據上面分析，通風系統大部分時間在部分負荷下運行，通過風量的減小達到風機能耗的降低，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，改善設備性能。

3　地鐵通風系統變頻控制

3.1變頻節能原理

風機采用轉速調節改變風量、流量，可以節約電能，常規采用控制擋板和閥門的開度節流調節，浪費電能[2]。

風量Q與轉速n成正比：

風壓H與轉速n的平方成正比：

電動機的軸功率Ρ與QH成正比，即與轉速n的三次方成正比：

式中K1，K2，K3為常數

軸功率Ρ還可以表示為：

式中η—風機效率；

Q—風量，m3/s；

H—風壓，Ρа；

N—轉速，r/min。

由式（1）可知，如需將風量降低1/2，只需將轉速降低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，節能效果明顯。

3.2地鐵通風變頻節能控制

地鐵通風工程中變頻變風調速主要采用以下幾種方式：

（1）僅隧道排熱風機兼站臺隧道排風機采用變頻調節；

（2）大系統中回排風機、組合空調器采用變頻調節；

（3）大系統回排風機、組合空調器、冷水泵都采用變頻調節[5]；

實際運行中，隧道排熱通風系統風機屬于長期運行風機，在初期使用低速檔運行，遠期采用高速檔運行，因此采用雙速風機即可實現節能。

由于在地鐵通風系統運行中風機能耗占最大的比例，因此大系統中風機、空調器,、冷水泵采用變頻變風量調節，可以大大降低能耗，減小地鐵運行成本。

3.2.1風機變頻控制

風機變頻節能控制采用變頻器進行轉速調節，達到調節風量的目的。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閥的開度，調節風量。

圖2　風機變頻控制原理圖

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

風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整，達到調整風機轉速的目的，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定，自動調整輸入頻率，從而對風機轉速進行自動調節，控制通風機風量，達到與負荷匹配的目的，當車站溫度或二氧化碳濃度過高，則調高轉速，增大新風，當車站溫度或二氧化碳濃度較低時則降低轉速，使風機按照經濟方式運行，從而節約電能。當變頻器故障或者風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，通過接觸器進行風機的啟停，正反轉操作。

3.2.2冷水泵變頻控制

地鐵空調器采用變頻空調，通過公共區的溫度反饋來控制空調器的送風量，當空調送風量調整到一定程度后采用調節冷凍水的流量來控制溫度。水系統的結構如圖3所示[3]，圖中旁通管道上設置一個壓差控制閥A，系統末端設置一個雙通調節閥B，兩臺冷水泵LB并聯，再與冷水機組LS串聯。電動雙通調節閥根據冷卻水進出水管的溫差進行調節開度大小，冷水泵采用變頻控制，根據水泵兩端的水壓表的值來調整變頻器的輸入頻率，達到調整冷水泵流量的目的。這種方式比采用閥門來調整流量節省電能，通過閥門調整流量時，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約電能，降低地鐵運行成本。

4　結語

在地鐵通風系統中采用變頻變風技術，不僅可以通過實際負荷對風量和水量進行自動調節，而且具有顯著的節能效果。

圖3　水系統結構圖

參考文獻：

[1]城市軌道交通通風空調多功能設備集成系統[J].暖通空調,2009(39).

[2]變頻調速器在風機中的節能應用[J].風機技術,2003(02).

[3]軌道交通車站冷凍水系統變頻節能技術探討[J].地下工程與隧道,2007(04).

[4]城市軌道交通通風空調系統技術發展新趨勢[J].都市快軌交通,2004(06).

[5]淺析變頻控制技術在空調通風系統中的節能應用[J].東莞理工學院學報,2008(06).

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

根據中華人民共和國交通行業標準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為閃光的明的持續時間，單位為秒（s），此處按0.2秒取值；

α為視覺時間常數，此處取0.2。

據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（對應于大氣透射系數T=0.74）時，該燈光在肉眼上所產生的光照度E為0.2Lux時所處的距離。

采用阿拉特定律，根據燈光光強求出燈光射程：

式中各參數定義為：

D為燈光射程（nmile）；

E為照度閾值，E=0.586；

T為大氣投射系數，T=0.74；

I為燈光光強（cd），計算時以有效光強代入

根據此公式計算，得出燈器的最大射程為4.5海里，超過了設計要求。

5　LED的安全驅動

普通小功率LED驅動，只要能夠滿足恒流輸出，就可以正常驅動，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的長期穩定工作，燈器采取如下措施：（1）設置了高效的散熱系統，由銅基板和太陽花自然冷卻散熱器組成的散熱系統，可以使LED24小時穩定發光；（2）選用寬電壓輸入范圍和具有短路、斷路保護功能的高驅動電流降壓型恒流LED驅動芯片LM3406，它內部集成2.0AMOSFET驅動管，輸入電壓6-42V，最大電流1.7A，具有ΡWM調光功能；利用該電路配合外圍電路便可構成高效率、保護完善的LED驅動電路。由外部輸入的9－36V直流電壓，經過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ΡWM輸出功率調節和發光的休眠控制。將LM3406的RON和DIM端口，分別連接至ARM處理器的燈質控制口和ΡWM功率調節輸出口，完成燈質和功率控制的功能。

6　結語

大功率LED與自由曲面側發光透鏡相結合，應用于航標燈器，設計了真正的點光源LED航標燈，實現了航標燈器的一個技術創新，該燈器消耗4W的功率，即可達到4.5海里以上的有效射程，節能效果明顯，在航標燈器低功耗、高穩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[M].大連海事大學出版社,1997(09).

[2]郝允詳,陳遐舉,張保洲.光度學[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。