高峰

（重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司重慶市渝北區(qū)　401121）

軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)節(jié)能分析

高峰

（重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司重慶市渝北區(qū)401121）

自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，空調(diào)列車(chē)在我國(guó)發(fā)展十分迅速，其車(chē)用空調(diào)機(jī)組基本能滿(mǎn)足供冷和供熱要求，技術(shù)較為成熟可靠。但是由于軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)的特殊性，導(dǎo)致其能耗較高，本文即針對(duì)軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)節(jié)能做了具體探討。

軌道交通車(chē)輛；空調(diào)系統(tǒng)；新風(fēng)節(jié)能

引言

在軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)中的運(yùn)行過(guò)程中，其需要消耗大量的能源，例如：南方城市約50%的運(yùn)營(yíng)能耗為空調(diào)系統(tǒng)耗能，北方城市能耗也達(dá)到運(yùn)行總能耗的近1/3。對(duì)此，在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行方面，應(yīng)注重節(jié)能措施的應(yīng)用，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

1　軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)及其節(jié)能的必要性

1.1軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)

軌道交通車(chē)輛的空調(diào)系統(tǒng)具有其特殊的特點(diǎn)，具體如下所示：①城市軌道交通運(yùn)量大、站點(diǎn)密集、上下車(chē)乘客交換頻繁、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，要求車(chē)輛部件及空調(diào)系統(tǒng)具備較高的可靠性。②軌道交通車(chē)輛運(yùn)行外部環(huán)境多變，列車(chē)運(yùn)營(yíng)期間，跨越多種不同氣候條件的地理區(qū)域，應(yīng)考慮空調(diào)系統(tǒng)對(duì)特殊環(huán)境的適應(yīng)性。③由于旅游淡旺季、上下班時(shí)間、春運(yùn)等因素，導(dǎo)致車(chē)廂內(nèi)人員變化大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高峰期時(shí)往往超載50%以上，低谷時(shí)一節(jié)車(chē)廂內(nèi)僅有不到一半的定員，這就使得負(fù)荷變化非常大，要求空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備能夠進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

1.2軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的必要性

軌道列車(chē)耗電量很大、運(yùn)行成本很高，空調(diào)系統(tǒng)是軌道車(chē)輛主要的耗能系統(tǒng)。例如：一列8輛編組的軌道列車(chē)，空調(diào)耗電幾乎占總發(fā)電量的50%，每列客車(chē)都需要配有專(zhuān)門(mén)的空調(diào)發(fā)電車(chē)才能滿(mǎn)足空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行所需的電力，而空調(diào)發(fā)電車(chē)油耗高，在增大能耗的同時(shí)直接導(dǎo)致軌道公司經(jīng)濟(jì)效益的下降。對(duì)此，必須重視軌道交通車(chē)輛的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。①在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，可以采用熱泵等節(jié)能技術(shù)，使用熱交換器回收排風(fēng)中的熱量。②在系統(tǒng)控制方面，采用壓縮機(jī)及風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)技術(shù)降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。同時(shí)還應(yīng)考慮不同運(yùn)營(yíng)時(shí)期客流量及熱負(fù)荷的變化，進(jìn)行相應(yīng)空調(diào)調(diào)節(jié)。如可隨著載客量變化自動(dòng)改變車(chē)廂設(shè)定溫度標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)節(jié)新風(fēng)量等手段，盡可能提高系統(tǒng)的自動(dòng)控制智能化，達(dá)到最大的節(jié)能效果。本文即針對(duì)軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)節(jié)能進(jìn)行了具體的探討。

2　軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)節(jié)能分析

2.1新風(fēng)負(fù)荷

當(dāng)前，我國(guó)的軌道交通車(chē)輛中空調(diào)系統(tǒng)空氣處理方法均為回風(fēng)和新風(fēng)冷卻前一次混合。新風(fēng)量占了通風(fēng)量1/3，冷卻前一次混合空氣處理過(guò)程如圖1所示。

圖1　冷卻前一次混合空氣處理過(guò)程圖

圖1中，N表示室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)，W表示室外新風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，L表示送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，C表示新風(fēng)與回風(fēng)混合后的狀態(tài)點(diǎn)，可以看出新風(fēng)負(fù)荷隨室外新風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的變化而變化，新風(fēng)負(fù)荷的計(jì)算公式如下所示：

式中：GW——表示新風(fēng)量，kg/s；

iN——表示N點(diǎn)比焓值，kJ/kg；

iW——表示W(wǎng)點(diǎn)比焓值，kJ/kg。

從該式可得，在進(jìn)行新風(fēng)負(fù)荷計(jì)算時(shí)，必須確定好新風(fēng)量，其具體計(jì)算方法如下所示。

2.2根據(jù)CO2濃度確定新風(fēng)量

由于軌道交通車(chē)輛的空調(diào)車(chē)廂為密閉狀態(tài)，因此為了使其空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，必須確?？照{(diào)車(chē)廂中每人具有一定的新風(fēng)量。新風(fēng)量是由室內(nèi)允許CO2濃度所確定，在軌道交通車(chē)輛上，最小新風(fēng)量和乘客的人數(shù)存在下述關(guān)系：

式中：GN——表示車(chē)內(nèi)CO2的濃度，%；

CW——表示新風(fēng)CO2的濃度，%；

GW——表示最小新風(fēng)量，m3/h；

C0——表示單位時(shí)間每位乘客產(chǎn)生的CO2量，m3/（h·人）；

Y——表示乘客人數(shù)，人。當(dāng)前，軌道交通車(chē)輛采用的均為定新風(fēng)系統(tǒng)，若是車(chē)內(nèi)人數(shù)未達(dá)到額定人數(shù)，則會(huì)出現(xiàn)額定新風(fēng)量大于上式最小新風(fēng)量的現(xiàn)象。額定風(fēng)量和最小新風(fēng)量間的差值即為可節(jié)約新風(fēng)量。因此，在進(jìn)行新風(fēng)量節(jié)能時(shí)，必須具體分析軌道交通車(chē)輛逐時(shí)載客量。

2.3新風(fēng)節(jié)能

除了新風(fēng)量之外，新風(fēng)負(fù)荷還和室內(nèi)外空氣焓差有關(guān)。因?yàn)槭彝庑嘛L(fēng)狀態(tài)點(diǎn)隨著季節(jié)、運(yùn)行時(shí)間以及氣溫的變化而變化，在軌道交通車(chē)輛運(yùn)行時(shí)間中，取n個(gè)時(shí)間的微元段，在微元段中，新風(fēng)狀態(tài)近似看做是不變的，則可得到新風(fēng)n個(gè)狀態(tài)點(diǎn)。記新風(fēng)第j個(gè)狀態(tài)點(diǎn)焓值是iW（j），最小新風(fēng)量是GW（j），額定新風(fēng)量是GX，那么每個(gè)微元時(shí)間段中焓差如下：

若是GW（j）＜GX，那么每個(gè)微元時(shí)間段中可節(jié)約新風(fēng)負(fù)荷如下：

全天運(yùn)行可節(jié)約新風(fēng)負(fù)荷則是所有的微元時(shí)間段內(nèi)可節(jié)約新風(fēng)負(fù)荷的總和：

3　實(shí)例分析軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)節(jié)能措施的應(yīng)用

3.1軌道交通車(chē)輛概況

在前期的調(diào)研與分析的基礎(chǔ)上，本文選取了某X號(hào)列車(chē)，進(jìn)行新風(fēng)口控制方案試驗(yàn)研究：通過(guò)車(chē)廂內(nèi)載荷的變化，以及回風(fēng)口布置的CO2的體積分?jǐn)?shù)傳感器（作為CO2的體積分?jǐn)?shù)上限安全保護(hù)），調(diào)節(jié)新風(fēng)口的開(kāi)度，以尋找到最佳的新風(fēng)口開(kāi)度，在滿(mǎn)足舒適性的前提下，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能。

3.2改造前軌道交通車(chē)輛CO2監(jiān)測(cè)情況

改造前在車(chē)廂內(nèi)的兩端回風(fēng)口和車(chē)廂中部站立區(qū)布置3個(gè)CO2的體積分?jǐn)?shù)采樣點(diǎn)，同時(shí)在新風(fēng)口也設(shè)有采樣點(diǎn)，監(jiān)測(cè)外界環(huán)境的CO2的體積分?jǐn)?shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)車(chē)廂內(nèi)全天CO2的體積分?jǐn)?shù)的監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)外界環(huán)境（地面和隧道內(nèi)）的CO2的體積分?jǐn)?shù)為400×10-6～500×10-6時(shí)，車(chē)廂內(nèi)最大的CO2的體積分?jǐn)?shù)值為1823×10-6。該值出現(xiàn)在早高峰8點(diǎn)左右（根據(jù)原額定荷載（AW2）設(shè)計(jì)條件，乘客數(shù)為310人、新風(fēng)量為3200m3/h、外界空氣CO2的體積分?jǐn)?shù)為450×1010-6條件下計(jì)算得出的CO2的體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)值為2100×10-6）。圖2所示的早高峰時(shí)段車(chē)廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)情況，符合相關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，可見(jiàn)新風(fēng)量的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足正線(xiàn)的運(yùn)行情況。

3.3新風(fēng)節(jié)能改造

根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目的可靠性、安全性、可操作性、可恢復(fù)性的要求，在保持新風(fēng)口原有的外形尺寸和安裝尺寸不變，以及核實(shí)新風(fēng)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，將原有的新風(fēng)口改造為可調(diào)電動(dòng)風(fēng)口；同時(shí)，通過(guò)現(xiàn)有的空調(diào)控制器，用于控制風(fēng)口的開(kāi)關(guān)及接收風(fēng)口位置反饋信號(hào)；并從風(fēng)口調(diào)整檔位的設(shè)定、CO2的體積分?jǐn)?shù)的信號(hào)采樣、電器部分改造、功能和故障控制理念以及功耗的監(jiān)測(cè)等多個(gè)方面研究部署。在硬件改造和控制軟件修編的基礎(chǔ)上，充分考慮故障模式、自檢功能，以及控制邏輯的可調(diào)要求，在不影響原有功能的基礎(chǔ)上增加了新風(fēng)口可調(diào)功能；當(dāng)新風(fēng)口位置反饋發(fā)生故障或CO2的體積分?jǐn)?shù)傳感器發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)列車(chē)控制總線(xiàn)發(fā)送風(fēng)口故障，同時(shí)將新風(fēng)口開(kāi)至最大。

圖2　早高峰時(shí)段車(chē)廂內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的監(jiān)測(cè)情況圖

3.4新風(fēng)節(jié)能改造效果分析

改造后，對(duì)列車(chē)空調(diào)機(jī)組新風(fēng)量進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果基本滿(mǎn)足實(shí)際要求；在線(xiàn)路運(yùn)行試驗(yàn)中，通過(guò)軟件實(shí)時(shí)記錄了空調(diào)運(yùn)行過(guò)程中的CO2的體積分?jǐn)?shù)、新風(fēng)量（風(fēng)口開(kāi)度）、新風(fēng)溫度及壓縮機(jī)運(yùn)行情況等。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的跟蹤，選取CO2的體積分?jǐn)?shù)采樣較高的一天數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（見(jiàn)圖3）得知，車(chē)廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)控制在了安全衛(wèi)生的要求內(nèi)，風(fēng)口檔位的調(diào)整也較好地覆蓋了全天低峰客流的情況。

圖3　車(chē)廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)和新風(fēng)口開(kāi)度隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的變化情況圖

同時(shí)，對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)公里數(shù)和空調(diào)機(jī)組的實(shí)際功耗進(jìn)行了定期的跟蹤和記錄。根據(jù)9月、10月間對(duì)新風(fēng)量調(diào)節(jié)后列車(chē)節(jié)電情況的跟蹤試驗(yàn)結(jié)果可知，9月份節(jié)能達(dá)13%左右。當(dāng)然，上述節(jié)電效果是依據(jù)試驗(yàn)時(shí)的客流量（CO2的體積分?jǐn)?shù)）為依據(jù)的。由于列車(chē)的運(yùn)行和保養(yǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，如果試驗(yàn)線(xiàn)總體客流量發(fā)生明顯且長(zhǎng)期的變化，則會(huì)對(duì)實(shí)際節(jié)能效果產(chǎn)生影響：主要是因?yàn)樵摴?jié)電方式是通過(guò)減少新風(fēng)負(fù)荷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，乘客數(shù)量如果一直維持較高的水平，新風(fēng)量供給則無(wú)法減小，相應(yīng)節(jié)電量也會(huì)減少。通過(guò)上述的試驗(yàn)情況以及對(duì)車(chē)廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)的監(jiān)測(cè)情況，檢驗(yàn)了列車(chē)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中車(chē)廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)是否符合原設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了在不影響舒適性前提下的節(jié)能效果。

3.5新風(fēng)節(jié)能改造中的注意事項(xiàng)

根據(jù)本次改造試驗(yàn)情況，下一步還需在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步完善：①綜合考慮風(fēng)口控制方式數(shù)據(jù)采樣的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，以及前期試驗(yàn)過(guò)程中車(chē)廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)的檢測(cè)情況。新風(fēng)口的調(diào)節(jié)控制可以根據(jù)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給新風(fēng)口控制器的乘客負(fù)載信息，當(dāng)車(chē)輛關(guān)門(mén)時(shí)，空調(diào)控制器接受此信號(hào)，風(fēng)口可以在最短時(shí)間內(nèi)將新風(fēng)量調(diào)節(jié)到需要的水平。同時(shí)在車(chē)廂回風(fēng)口可加裝CO2的體積分?jǐn)?shù)傳感器作為上限安全保護(hù)。若線(xiàn)路總體客流量發(fā)生明顯且長(zhǎng)期的變化，或?qū)嶋H運(yùn)行中舒適度需要調(diào)整，也可通過(guò)正線(xiàn)的CO2的體積分?jǐn)?shù)取樣數(shù)據(jù)，判斷新風(fēng)量大小是否需要進(jìn)行調(diào)整。②CO2的體積分?jǐn)?shù)傳感器易被污染，需要定期維護(hù)。③完善非制冷工況的新風(fēng)量控制方式。

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，空調(diào)系統(tǒng)是我國(guó)軌道交通車(chē)輛中的必須設(shè)備，降低其能耗不僅有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，還能夠進(jìn)一步提高軌道公司的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)此，必須總結(jié)國(guó)內(nèi)外的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，采用新的技術(shù)，改造和提升傳統(tǒng)系統(tǒng)方式，充分結(jié)合工程建設(shè)具體情況，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)技術(shù)在軌道交通車(chē)輛的科學(xué)理性探索。

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U270.38+3

A

1673-0038（2015）03-0145-03

2014-12-25

高峰（1982-），男，中級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事工程設(shè)計(jì)管理方面的工作。