城市軌道車輛空調(diào)機(jī)組原理及發(fā)展方向

張星　王宏宇　徐楊非

摘要：本文主要介紹了軌道空調(diào)機(jī)組的制冷原理和系統(tǒng)構(gòu)成，以及各主要器件的作用;同時(shí)也介紹了未來可在軌道空調(diào)上得到廣泛應(yīng)用的變頻技術(shù)、微通道換熱器、空氣凈化技術(shù)等。

關(guān)鍵詞：軌道車輛空調(diào);制冷原理;變頻技術(shù);微通道換熱器;空氣凈化

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市人口的增多，緩解城市擁堵最好的辦法之一是建設(shè)城市軌道交通，這已成為共識(shí);而軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)是城市軌道交通中的重要設(shè)備之一，主要擔(dān)負(fù)著對(duì)城市軌道車輛內(nèi)部空間的空氣溫度、濕度、微風(fēng)速等舒適性指標(biāo)進(jìn)行控制，并參與車內(nèi)空氣品質(zhì)控制的任務(wù)。

1.空調(diào)機(jī)組運(yùn)行的原理

制冷原理;壓縮機(jī)將制冷劑壓縮成高溫高壓蒸氣，排到室外側(cè)換熱器（做冷凝器用），在軸流風(fēng)機(jī)作用下，室外空氣流經(jīng)室外側(cè)換熱器將制冷劑放出的熱量排走，使高壓蒸氣冷凝成高壓液態(tài)制冷劑，經(jīng)節(jié)流裝置節(jié)流降壓后，進(jìn)入室內(nèi)側(cè)換熱器（做蒸發(fā)器用）蒸發(fā)吸收室內(nèi)空氣熱量，在離心風(fēng)機(jī)作用下，將低溫空氣吹入室內(nèi)。然后氣態(tài)制冷劑又被吸入壓縮機(jī)，不斷重復(fù)上述過程進(jìn)行制冷循環(huán)。

熱泵制熱原理;通過四通閥改變制冷劑的流向，從壓縮機(jī)排出的制冷劑先流向室內(nèi)側(cè)熱交換器（做冷凝器用），再經(jīng)節(jié)流裝置節(jié)流后后進(jìn)入室外側(cè)熱交換器（做蒸發(fā)器用），最后經(jīng)吸氣管返回壓縮機(jī)。如此循環(huán)，室內(nèi)不斷吸收熱量達(dá)到升溫目的。

2.城市軌道空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)特點(diǎn)及構(gòu)成

軌道交通空調(diào)具備小型輕量化、可靠性高、免維護(hù)程度高等特點(diǎn)，系統(tǒng)構(gòu)成及器件選擇需要充分考慮這幾方面的因素。

以某一款熱泵空調(diào)為例，整個(gè)空調(diào)機(jī)組布置兩個(gè)獨(dú)立的制冷系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)的壓縮機(jī)和室外側(cè)換熱器分開，室內(nèi)側(cè)換熱器在一個(gè)換熱器上交錯(cuò)布置，通過四通換向閥來切換制冷、制熱狀態(tài)，一個(gè)系統(tǒng)故障另外一個(gè)系統(tǒng)可正常運(yùn)行。系統(tǒng)除壓縮機(jī)、換熱器、節(jié)流裝置、四通閥、風(fēng)機(jī)等主要部件外，還需增加一些增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性的部件，如氣液分離器、干燥過濾器、壓力開關(guān)、液管電磁閥、止逆閥、檢修閥等。

2.1.壓縮機(jī)

壓縮機(jī)從吸氣管吸入低溫低壓的制冷劑氣體，利用電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部容積的改變，來實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷劑氣體壓縮，向排氣管排出高溫高壓的制冷劑氣體，為制冷循環(huán)提供動(dòng)力。因軌道交通對(duì)零部件可靠性要求高、空調(diào)機(jī)組制冷量需求較大等因素，現(xiàn)在軌道空調(diào)上應(yīng)用最多的為全封閉渦旋壓縮機(jī)。

2.2.換熱器

換熱器是空調(diào)機(jī)組用來使制冷劑與空氣進(jìn)行熱交換的裝置，換熱器是將肋片串在紫銅管上脹緊而成。增加換熱面積可增加換熱量，若肋片碰扁或氧化、臟時(shí)，將增大風(fēng)阻減小換熱面積，所以生產(chǎn)中應(yīng)保證肋片清潔平整。肋片材料為鋁箔、銅箔，其形狀有平片、波紋片和沖縫片;采用親水膜涂層的鋁箔或銅箔作翅片，使空氣中水分在換熱器表面冷凝成水膜狀流下，不會(huì)形成“水橋”，從而加大循環(huán)風(fēng)量，并有較好的抗腐蝕性能;換熱器銅管采用內(nèi)螺紋管加大內(nèi)表面面積，強(qiáng)化傳熱效果。

2.3.節(jié)流裝置

節(jié)流裝置的作用是降低液體制冷劑的壓力和溫度，調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量。在特定的工況下，節(jié)流裝置與制冷系統(tǒng)匹配，使空調(diào)機(jī)組的工作狀態(tài)達(dá)到最佳。常用的節(jié)流裝置有毛細(xì)管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等;毛細(xì)管對(duì)制冷系統(tǒng)工況變化適應(yīng)性差，不容易使各種工作狀態(tài)都處于最佳;熱力膨脹閥有一定的自我調(diào)節(jié)能力，但是調(diào)節(jié)范圍較窄，反應(yīng)速度慢;電子膨脹閥有調(diào)節(jié)范圍寬，反應(yīng)快等特點(diǎn)，但是成本較高，控制較復(fù)雜;根據(jù)空調(diào)機(jī)組的不同使用情況，現(xiàn)在三種節(jié)流裝置在軌道空調(diào)上都有較多的應(yīng)用。

2.4.四通閥

四通閥的作用是在空調(diào)系統(tǒng)從制冷轉(zhuǎn)化到制熱狀態(tài)時(shí)改變制冷劑流向。當(dāng)電磁閥線圈處于通電狀態(tài)，先導(dǎo)滑閥在電磁線圈產(chǎn)生的磁力作用下克服壓縮彈簧的張力而移動(dòng)，高壓氣體進(jìn)入毛細(xì)管后進(jìn)入左端活塞腔，另一方面，右端活塞腔的氣體排出，由于活塞兩端存在壓差，活塞及主滑閥右移，使排氣管與室換熱器接管相通，使制冷劑直接接入室內(nèi)換熱器，形成制熱循環(huán)。

2.5.氣液分離器

軌道車輛空調(diào)用氣液分離器一般是通過重力沉降的原理，將在蒸發(fā)后殘余的制冷劑小液滴從氣態(tài)制冷劑中分離并貯存起來，待其吸熱后自然蒸發(fā)成氣態(tài)再進(jìn)入壓縮機(jī)的裝置。主要作用是將氣體和液體分離，確保進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑全部為氣體，能有效避免制冷劑以液態(tài)形式進(jìn)入壓縮機(jī)造成“液擊”損壞壓縮機(jī)。

2.6.干燥過濾器

干燥過濾器的內(nèi)部含有分子篩，可以濾除空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部的水分、酸、固體雜質(zhì)等，在這些污染物被清除后，系統(tǒng)就比較安全，不會(huì)發(fā)生節(jié)流裝置堵塞、有害的化學(xué)反應(yīng)、也不會(huì)存在有損害的磨損性物質(zhì)等。

2.7.電磁閥

在空調(diào)機(jī)組的冷凝器出口的液管上布置一個(gè)常閉的電磁閥，避免停機(jī)較長時(shí)間后液態(tài)制冷劑遷移到蒸發(fā)器內(nèi)，重新開機(jī)時(shí)大量液體進(jìn)入壓縮機(jī)造成液擊，引起壓縮機(jī)損壞等故障。

3.軌道空調(diào)發(fā)展方向及新技術(shù)

隨著節(jié)能減排要求的提高，整車對(duì)各部件的重量要求越來越嚴(yán)格，降低空調(diào)機(jī)組的重量以及提高空調(diào)機(jī)組的能效是急需解決的問題;同時(shí)隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，人們對(duì)對(duì)車輛內(nèi)的空氣質(zhì)量的要求也越來越高，概括來說，軌道車輛空調(diào)機(jī)組未來的發(fā)展方向是：節(jié)能、高效、舒適、可靠。

3.1變頻技術(shù)的應(yīng)用

變頻技術(shù)歷經(jīng)30多年的發(fā)展，已日趨成熟，工業(yè)變頻器應(yīng)用廣泛，變頻空調(diào)機(jī)組具有以下特點(diǎn)：①節(jié)能;高頻降溫，低頻連續(xù)運(yùn)行維持溫度恒定，減少了多次開關(guān)造成的開關(guān)損耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的;②高效;變頻壓縮機(jī)配合電子膨脹閥、高效制冷劑（如R410a），使空調(diào)機(jī)組在額定工況下的能效遠(yuǎn)高于其他型式時(shí)的能效，同時(shí)當(dāng)壓縮機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)，能效比更高，更節(jié)能。③舒適度高;溫差較大時(shí)可高頻運(yùn)行快速降溫（升溫），通過壓縮機(jī)變頻運(yùn)行，可將車內(nèi)溫度控制在設(shè)定溫度±1℃。

綜合以上特點(diǎn)，變頻空調(diào)機(jī)組將是后續(xù)城市軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組的主流型式，同時(shí)在變頻空調(diào)機(jī)組上應(yīng)用的全變頻技術(shù)（壓縮機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、離心風(fēng)機(jī)均變頻）、智慧型控制技術(shù)（通過多個(gè)采集點(diǎn)得到的溫度、濕度、壓力、CO2濃度等數(shù)據(jù)對(duì)空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行適時(shí)檢測(cè)，并根據(jù)積累得到的大數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)處理和推薦措施處理，提高了空調(diào)機(jī)組的自動(dòng)運(yùn)行能力、自主檢測(cè)能力、故障處理能力），將會(huì)使空調(diào)機(jī)組更節(jié)能、更可靠、運(yùn)行智能化。

3.2微通道換熱器的應(yīng)用

微通道換熱器，就是通道當(dāng)量直徑在10-1000μm的換熱器。這種換熱器的微通道扁管內(nèi)有數(shù)十條細(xì)微流道，在微通道扁管的兩端與圓形集管相聯(lián)。集管內(nèi)設(shè)置隔板，將換熱器流道分隔成數(shù)個(gè)流程，與常規(guī)管翅式換熱器相比，微通道換熱器具有以下優(yōu)點(diǎn)：①風(fēng)阻小、換熱系數(shù)高、有效換熱面積大;②結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，材料成本低，價(jià)格便宜;③內(nèi)部容積小，整機(jī)所需制冷劑充注量少;④所用材質(zhì)均為鋁，回收無需分解;⑤扁管和翅片的焊接工藝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、長期運(yùn)行性能變化小;且其焊接方式?jīng)Q定了扁管和翅片的接觸熱阻好，換熱器換熱系數(shù)大。

微通道換熱器現(xiàn)已在汽車空調(diào)上得到廣泛的應(yīng)用，隨著我國在釬焊領(lǐng)域的投入，統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)形成，微通道換熱器在軌道空調(diào)上作為室外側(cè)換熱器將得到更廣泛的使用，這樣既節(jié)約成本，又響應(yīng)國家節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的號(hào)召。

我公司曾在某一地鐵空調(diào)機(jī)組上將室外側(cè)換熱器用微通道換熱器代替，和原來使用翅片管式冷凝器相比，在其他參數(shù)和試驗(yàn)工況一致的前提下，制冷量、能效比顯著提高，充注量、質(zhì)量、厚度、成本顯著降低，優(yōu)勢(shì)巨大，具有較高的研究和推廣意義。

3.3空氣凈化技術(shù)的應(yīng)用

以前人們更多的關(guān)注大氣污染，卻容易忽略地鐵空氣潛在的危害;地鐵多建在地下深處，車站之間通過復(fù)雜的隧道系統(tǒng)連接，是一個(gè)相對(duì)封閉的空間。地鐵車站與外界的空氣交換只能通過車站出入口和有限的隧道風(fēng)井來進(jìn)行，現(xiàn)在乘客對(duì)車內(nèi)空氣質(zhì)量要求不斷提高。為保證車廂內(nèi)良好的空氣清潔度，目前國內(nèi)外很多地鐵車輛都安裝了空氣凈化裝置，光等離子殺菌、光觸媒殺菌、紫外線殺菌等空氣凈化技術(shù)在軌道空調(diào)上均有較多的應(yīng)用。

4.結(jié)束語

軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組與普通空調(diào)制冷、制熱原理相同，但是因?yàn)檐壍揽照{(diào)的特殊性，在普通空調(diào)機(jī)組上增加了更多的保護(hù)裝置;同時(shí)隨著軌道交通不斷的發(fā)展，節(jié)能減排、車內(nèi)空氣質(zhì)量的要求日益提高，節(jié)能、高效、舒適將是軌道車輛空調(diào)未來的發(fā)展方向，而變頻技術(shù)、微通道換熱器作為室外側(cè)換熱器、空氣凈化技術(shù)未來在軌道空調(diào)一定會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

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