熱泵在上海軌道交通3號(hào)線車輛空調(diào)上的應(yīng)用分析

彭學(xué)廣

(上海海立特凱邁特制冷設(shè)備有限公司,200090,上?！慰偨?jīng)理)

上海軌道交通車輛輔助系統(tǒng)的能耗約占整個(gè)列車牽引系統(tǒng)能耗的30%～50%。隨著上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大,車輛空調(diào)作為輔助系統(tǒng)中的耗電大戶,能耗問(wèn)題也不斷突出。上海地鐵車輛冬季采暖,無(wú)一例外采用空調(diào)自帶的電加熱和車輛地板加熱同時(shí)運(yùn)用實(shí)現(xiàn)。冬季能效比不可避免小于1,因此必須引進(jìn)熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)更有效的節(jié)能。

熱泵作為提供熱量的主要設(shè)備之一,以其對(duì)環(huán)境友善及節(jié)約能源等特點(diǎn),在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以來(lái),熱泵在我國(guó)各種場(chǎng)合的應(yīng)用研究有了許多發(fā)展。它的應(yīng)用對(duì)于改變我國(guó)能源使用效率不高、分配不均勻的現(xiàn)狀也提出了一個(gè)有效的解決方法。

在歐洲,熱泵理論與技術(shù)均已高度發(fā)達(dá)?！耙粰C(jī)兩用(制冷、制熱)”在歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛使用。意大利凱邁特(KLIMAT)公司已經(jīng)率先研發(fā)出新型熱泵機(jī)組。該機(jī)組通過(guò)歐洲權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測(cè),并在羅馬-奧斯迪亞線路的車輛上批量裝車,使用效果很好。

然而熱泵機(jī)組在國(guó)內(nèi)軌道交通車輛上的應(yīng)用還是空白。本文則針對(duì)上海的氣候特點(diǎn)和上海軌道交通3號(hào)線車輛空調(diào)機(jī)組的技術(shù)要求,對(duì)熱泵空調(diào)機(jī)組在上海軌道交通3號(hào)線車輛上的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 熱泵工作原理

熱泵技術(shù)是全世界近年來(lái)倍受關(guān)注的一項(xiàng)新型能源技術(shù)。其基本原理是：基于逆卡諾循環(huán),采用電能驅(qū)動(dòng),從低溫?zé)嵩粗形崃?并將其傳輸給高溫?zé)嵩匆怨┦褂谩鬏數(shù)礁邷責(zé)嵩粗械臒崃坎粌H大于所消耗的能量,而且大于從低溫?zé)嵩粗形盏哪芰?。在?biāo)準(zhǔn)工況下,系統(tǒng)消耗一個(gè)單位的能量,從低溫?zé)嵩粗刑崛?個(gè)單位的能量,合在一起輸出3個(gè)單位的能量。熱泵也是利用壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)管道內(nèi)的制冷劑循環(huán)流動(dòng),不斷地蒸發(fā)冷凝,通過(guò)制冷劑溫差吸熱和壓縮機(jī)壓縮制熱后,把外界的熱量源源不斷地聚集到熱泵主機(jī)上的加熱盤管上。

熱泵和其他的制熱裝置(如鍋爐、電加熱器等)相比,優(yōu)點(diǎn)是消耗較少的電能或燃料能,獲得大量的所需熱能。熱泵的能效比(pco,或稱制熱系數(shù))＞1;而其他的制熱裝置有熱量損失,故pco＜1。因此采用熱泵有其合理性。圖1為熱泵循環(huán)原理圖。

2 熱泵的技術(shù)分析

由于城市軌道車輛的特殊性,熱泵機(jī)組的研究主要是圍繞提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性、系統(tǒng)的熱力學(xué)效率,以及系統(tǒng)對(duì)環(huán)境友善程度和處理空氣品質(zhì)等方面展開(kāi)。

圖1 熱泵循環(huán)原理圖

運(yùn)用于城市軌道車輛的熱泵技術(shù),采用空氣源熱泵比較方便、合理,而且成本低?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)通過(guò)自然能(空氣蓄熱)獲取低溫?zé)嵩?經(jīng)系統(tǒng)高效集熱整合后成為高溫?zé)嵩?用來(lái)取(供)暖或供應(yīng)熱水,整個(gè)系統(tǒng)集熱效率甚高。

2.1 熱泵機(jī)組的運(yùn)行工況

根據(jù)上海城市軌道交通3號(hào)線車輛空調(diào)通用技術(shù)要求,結(jié)合TB/T 1804—2003,熱泵機(jī)組運(yùn)行的額定工況如表1所示。

熱泵空調(diào)可以在夏季最高環(huán)境溫度45℃、冬季最低環(huán)境溫度-5℃的較為惡劣工況下正常運(yùn)行。

我國(guó)7個(gè)供熱區(qū)域中,Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ都屬于這類氣候條件。這類地區(qū)集中在黃河以南地區(qū),主要包括山東、河南、陜西、四川以南的地區(qū)。

表1 熱泵運(yùn)行額定工況

2.2 熱泵機(jī)組的性能分析

表2為上海市軌道交通3號(hào)線車輛空調(diào)基本參數(shù)。

表2 上海市軌道交通3號(hào)線車輛空調(diào)機(jī)組的基本參數(shù)

3號(hào)線所用壓縮機(jī)為4H-25.Y BITZER型,活塞式,在三相400 V、50 Hz的時(shí)候,其總排氣量為73.6 m3/h。取過(guò)冷度5℃,過(guò)熱度11℃,蒸發(fā)溫度-2℃,冷凝溫度45℃。壓縮機(jī)輸入功率為15.7 kW。表2所述的額定制熱量為電加熱制熱量。取等熵效率η=0.774,根據(jù)繪圖軟件refrigeration utilities繪制出熱泵的熱力循環(huán)圖,如圖2所示。

圖2 熱泵的熱力循環(huán)圖

制熱量

式中：

V——壓縮機(jī)的排氣量(73.6 m3/h);

ν——壓縮機(jī)的吸氣比容(0.059 41 m3/kg);

h2——壓縮機(jī)排氣焓值(458.76 kJ/kg);

h3——制冷劑節(jié)流前焓值(252.73 kJ/kg);

于是Q=70.9 kW。

根據(jù)4H-2.5YBITZER的有關(guān)數(shù)據(jù),壓縮功率W=15.7 kW。

2.3 改造前空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)

以下數(shù)據(jù)參考自上海軌道交通3號(hào)線車輛空調(diào)規(guī)格書(shū)。

制冷容量為44 kW,供熱能力為16 kW,制熱輸入功率為17.4 kW。

通風(fēng)機(jī)的功率為0.55 kW,照明設(shè)備和信號(hào)設(shè)備散熱量為0.3 kW?？傦L(fēng)量為(1±10%)4 500 m3/h,最小新風(fēng)量為(1±10%)1 580 m2/h,回風(fēng)量為(1±10%)2 920 m3/h。制冷劑為R407C(用量為(1±15%)20 kg)。供電電壓為三相400 V、50 Hz;額定電壓為DC 110 V(77～133 V)。

由此可見(jiàn),同等環(huán)境工況下,熱泵效率是電加熱效率的4.9倍 。

3 熱泵機(jī)組的成本分析

3.1 機(jī)組改造的直接材料成本

現(xiàn)有3號(hào)線車輛上更改制冷系統(tǒng),可能引起的材料成本增加有三方面：

1)增加四通閥、增設(shè)聯(lián)接銅管、單向閥以及接觸器等用于實(shí)現(xiàn)熱泵的制冷和制熱功能切換;

2)增加主控板,重新布局電路系統(tǒng);

3)制冷回路需要通過(guò)切換來(lái)實(shí)現(xiàn)熱泵循環(huán)的功能,相對(duì)應(yīng)的換熱器的面積、銅管、制冷附件、控制元件等需要增加。

3.2 單臺(tái)空調(diào)機(jī)組需要車輛廠配合的工時(shí)估計(jì)

單臺(tái)樣機(jī)涉及車輛廠的配合僅限吊裝,其余工作全部由空調(diào)廠完成,以2個(gè)工人0.5天工時(shí)計(jì)。

3.3 產(chǎn)品生命周期成本分析(LCC)

表3為以每節(jié)車輛統(tǒng)計(jì)的成本分析。

表3 以每節(jié)車輛統(tǒng)計(jì)的成本

由表3可知,10年內(nèi)預(yù)計(jì)發(fā)生的維修成本總額為50 427.67元(單位小時(shí)人工按20元計(jì))總里程為700 000 km。

4 熱泵空調(diào)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 特點(diǎn)分析

采用空氣源熱泵,并在經(jīng)濟(jì)方面通過(guò)數(shù)據(jù)論證了空氣源熱泵機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)：

1)高效——吸取空氣中的熱能,制造熱水,熱效率最高可達(dá)452%;

2)節(jié)能——只需傳統(tǒng)電熱水設(shè)備1/3的電能,節(jié)電60%～80%;

3)運(yùn)行成本低——與燃油、燃?xì)饧半婂仩t等傳統(tǒng)熱水設(shè)備相比,運(yùn)行成本最低;

4)安全——中央供水,無(wú)漏電,不存在任何不安全的隱患;

5)環(huán)?！褂们鍧嵞茉?無(wú)廢氣、廢水、廢渣排放。

4.2 單位小時(shí)內(nèi)的功耗分析

上海軌道交通3號(hào)線車輛每臺(tái)空調(diào)改造前實(shí)際總制熱量為32 kW,其中每臺(tái)空調(diào)內(nèi)部的加熱量為11 kW,客室內(nèi)的地板加熱器有10 kW發(fā)熱量。因此,采用電加熱器單位小時(shí)內(nèi)的功耗為 32 kW/0.9=35.55 kW;采用熱泵機(jī)組單位小時(shí)內(nèi)的功耗為32 kW/3.6=8.88 kW。冬季制熱運(yùn)行時(shí)間按100天計(jì),每天運(yùn)行18 h計(jì)算,電加熱耗電為63 990 kW/h,熱泵耗電數(shù)為15 984 kW/h;整個(gè)冬季節(jié)能為48 006 kW/h。

5 除霜控制

制熱模式下的自動(dòng)除霜功能：

①同時(shí)滿足環(huán)境溫度≤-5℃或23℉、蒸發(fā)盤管溫度≤0℃或者32℉條件時(shí)除霜開(kāi)始。

②除霜方式為熱氣旁通除霜。優(yōu)點(diǎn)是：熱氣旁通除霜過(guò)程中房間波動(dòng)非常小,舒適性較好;除霜過(guò)程和切換時(shí),壓力變化平穩(wěn),造成的機(jī)械沖擊比較小;室內(nèi)換熱器的表面溫度未降低,恢復(fù)制熱后馬上吹出熱風(fēng);啟動(dòng)和終止除霜時(shí),不會(huì)產(chǎn)生四通閥換向的氣流噪聲。

③自動(dòng)除霜開(kāi)始條件滿足時(shí),壓縮機(jī)不停機(jī),通過(guò)感知蒸發(fā)器盤管溫度來(lái)選擇開(kāi)啟除霜的時(shí)間點(diǎn),以此區(qū)別于家用空調(diào)的除霜方式。熱氣旁通除霜的融霜階段從21～211自動(dòng)除霜。除霜期間可以繼續(xù)送風(fēng)。

6 結(jié)語(yǔ)

1)空氣源熱泵適合在冬季氣候較溫和、最低氣溫在-5℃以上的地區(qū)使用。根據(jù)中國(guó)供熱分區(qū)劃分的7個(gè)供熱區(qū),有Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ區(qū)適用于熱泵機(jī)組運(yùn)行。上海處于我國(guó)長(zhǎng)江下游地區(qū),屬于Ⅴ區(qū),氣候條件比較適合空氣源熱泵使用。

2)在車輛上使用熱泵機(jī)組可以達(dá)到一機(jī)兩用的效果,即冬季利用熱泵采暖,夏季進(jìn)行制冷,既節(jié)約了取暖設(shè)備的費(fèi)用,又節(jié)省了設(shè)備的占用面積,同時(shí)達(dá)到了環(huán)保、節(jié)能的效果。

3)如果依靠直接電熱會(huì)造成能源再浪費(fèi),是不可取的。采用熱泵供熱和加溫才能更有效地利用電能,且熱泵機(jī)組的能效比更高,與電熱取暖相比,每年可以節(jié)省大量的運(yùn)行費(fèi)用。

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