城市軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方案分析

于文晶，康偉

（中國北車集團長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062）

城市軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方案分析

于文晶*，康偉

（中國北車集團長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062）

本文闡述了城市軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)中采用變新風及并聯(lián)壓縮機的方案，實現(xiàn)城市軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能要求。結(jié)合城市軌道車輛項目空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方案研究和應用，針對變新風及并聯(lián)壓縮機的方案進行了分析和論證，為車輛空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制提供參考和依據(jù)。

車輛空調(diào)系統(tǒng)；變新風；并聯(lián)壓縮機；節(jié)能

0 引言

在科學技術快速發(fā)展的今天，綠色節(jié)能環(huán)保已經(jīng)越來越受到人們的重視，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展也成為經(jīng)濟發(fā)展的一個重要目標。在城鐵車輛的設計中，這一理念也已得到重視，并進行了推廣，本文將就城鐵車輛定頻空調(diào)機組的節(jié)能進行論述。

1 節(jié)能方案應用

在城鐵車輛的各個系統(tǒng)中，空調(diào)系統(tǒng)的耗電量大，根據(jù)相關文獻[1]，以空調(diào)系統(tǒng)為主的輔助系統(tǒng)耗電量占車輛耗電量的50%，因此在空調(diào)系統(tǒng)采用節(jié)能設計對整車的節(jié)能效果意義重大。

目前城鐵車輛的空調(diào)機組一般分為變頻和定頻兩種型式，國內(nèi)的城鐵車用的變頻空調(diào)機組起步相對較晚，同時由于變頻技術的限制，導致變頻空調(diào)機組的應用并不多；而定頻技術作為主要的空調(diào)機組方案，已被廣泛應用于國內(nèi)城鐵車車輛項目。

表1為城市軌道交通車輛空調(diào)系統(tǒng)的幾種節(jié)能方案。

由于變頻熱泵技術在軌道交通車輛空調(diào)系統(tǒng)上的應用并不廣泛，而幅流風機的設定與車輛內(nèi)裝緊密聯(lián)系；小管徑銅管換熱器[2-3]具有一定的節(jié)能作用，但在車輛上應用極少，因此本文針對變新風節(jié)能方案和壓縮機并聯(lián)方案的方案加以分析。

表1 城市軌道交通車輛空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方案

2 變新風控制方案

2.1 原理

城鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)的目的是將進入空調(diào)機組內(nèi)部的、由新風和回風混合后的混合風通過蒸發(fā)器的降溫除濕過程，再送入車廂內(nèi)部，以滿足乘客乘車舒適性要求?？照{(diào)機組的制冷量由車內(nèi)冷、濕負荷[4]確定，而在負荷計算中，新風負荷占據(jù)了很大的比重。

傳統(tǒng)車輛空調(diào)系統(tǒng)中，新風量并不按照乘客的數(shù)量設定，而是均按照AW2載員時人均新風10 m3/h[5]設定。因此大部分時間新風超過需求，采用根據(jù)載客數(shù)量調(diào)整新風方案可以有效實現(xiàn)節(jié)能控制。通過對上海軌道交通一號線全天客流量和上海地區(qū)夏季氣象資料的調(diào)研[6]，定新風量空調(diào)負荷要比變新風量空調(diào)負荷大，而差別在于新風量的負荷[7]。計算分析得到軌道交通一號線車輛空調(diào)系統(tǒng)新風負荷的節(jié)能潛力約為12.6%～14.6%。另外，據(jù)調(diào)查，新風負荷在制冷負荷中占比較大，圖1和表1為某項目中的M車、Mp車制冷負荷分配情況。

圖1 M車、Mp熱負荷分配圖

表1 M車、Mp車熱負荷分配表

從表1可見，新風負荷將近占總制冷負荷的一半，而新風負荷主要由乘客負載產(chǎn)生。由于受車輛線路、站間距、行車密度以及工作日與非工作日、車輛沿線的情況等因素影響，城鐵車輛的載客量波動量很大，因此在載客量較小時降低新風量，則車輛空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設計效果非常明顯。

因此，根據(jù)軌道交通車輛載客量實時控制新風量是一種行之有效的節(jié)能措施。

2.2 變新風節(jié)能方案

新風門根據(jù)車內(nèi)載荷情況進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能、舒適度的要求。新風量的控制方法[8]有2種，可以采用二氧化碳濃度檢測，即在回風門設置二氧化碳傳感器[9]，根據(jù)二氧化碳濃度調(diào)節(jié)新風門，從而改變新風量。

此外，還有更為可靠且易行的方式，即采用載客量信號進行控制?？照{(diào)系統(tǒng)控制根據(jù)車載人員的數(shù)量來調(diào)節(jié)新風閥開度，由TCMS傳送過來的車輛載荷信號，新風閥開度分為4檔，分別為25%、50%、75%及100%，具體可見表2。

通過這些方案，可有效實現(xiàn)車輛空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能要求。

表2 車輛新風閥開度

3 壓縮機4級能量調(diào)節(jié)節(jié)能方案

3.1 原理

空調(diào)機組內(nèi)設有2套獨立的制冷系統(tǒng)，每個制冷系統(tǒng)中有一組由2臺壓縮機并聯(lián)組成的壓縮機組，通過控制壓縮機開啟的個數(shù)，實現(xiàn)4級能量調(diào)節(jié)。

3.2 四級調(diào)節(jié)節(jié)能方案

每臺空調(diào)機組設有4臺壓縮機，通過管路兩兩并聯(lián)，壓縮機設有過載、欠壓等保護，設有高低壓壓力保護裝置。壓縮機采用的是柔性渦旋壓縮機[10]，振動及噪聲較低。

通過開啟壓縮機的數(shù)量，來實現(xiàn)以下四種制冷模式。

制冷模式1：每臺空調(diào)提供25%的制冷功率，即每臺空調(diào)機組僅一臺壓縮機工作。

制冷模式2：每臺空調(diào)提供50%的制冷功率，即每臺空調(diào)機組內(nèi)各有一套制冷系統(tǒng)中的1臺壓縮機工作。

制冷模式3：每臺空調(diào)提供75%的制冷功率，即每臺空調(diào)機組2套制冷系統(tǒng)中1套2臺壓縮機工作，1套僅1臺壓縮機工作。

制冷模式4：每臺空調(diào)提供100%的制冷功率，即每臺空調(diào)機組2套制冷系統(tǒng)4臺壓縮機全部工作。

單臺機組運行模式及壓縮機工作狀態(tài)見表3。

為了保證車廂溫度調(diào)節(jié)的均勻性，每節(jié)車所配備的2臺客室空調(diào)機組的壓縮機組合工作模式始終相同。在制冷運行過程之中，客室空調(diào)根據(jù)收到的適時的室內(nèi)溫度值與目標設定數(shù)值進行比較，當超過規(guī)定的偏離值時，機組相應的更換運行模式，增加或者減少制冷能力。運行模式的變換是逐級的。

表3 單臺機組運行模式及壓縮機工作狀態(tài)

3.3 壓縮機4級能量調(diào)節(jié)方案與傳統(tǒng)項目節(jié)能對比

以某項目空調(diào)機組壓縮機試驗數(shù)據(jù)為例：表4為3種方案能耗對比數(shù)據(jù)；圖2為3種方案在不同工況下的功耗對比。

通過對比，可以看出采用壓縮機4級調(diào)節(jié)方案的節(jié)能效果優(yōu)于其他2種傳統(tǒng)的方案，特別在高溫條件下節(jié)能效果更為明顯。

表4 不同工況的功耗對比

圖2 不同方案在三種工況下的功耗比較圖

4 結(jié)論

在城市軌道交通車輛空調(diào)系統(tǒng)中，上述的變新風節(jié)能方案與壓縮機4級調(diào)節(jié)節(jié)能方案，均在工程實踐中通過驗證，取得了一定的成果，但從另外的角度而言也存在一些問題，比如如何通過載客量確定新風門的開度控制和新風量、車輛運行速度對新風量的影響以及并聯(lián)壓縮機帶來的油平衡等問題，還需要不斷試驗及研究，從而確定更加優(yōu)化的方案實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果。

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Analysis of Energy Saving Scheme for Air Conditioning System of Urban Rail Vehicle

YU Wen-jing*, KANG Wei
(Urban Transit Vehicles Development Department, Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun, Jilin 130062,China)

The scheme by applying variable fresh air flow and parallel-connected compressors programs used in the air conditioning system of urban rail vehicle was proposed, which may achieve the energy-saving requirements air conditioning system in urban rail vehicle. Combined with the energy saving research and application, the programs for application of the variable fresh air flow and parallel-connected compressors were analyzed and demonstrated, which would provide reference and basis for energy-saving control for the vehicle air conditioning system.

Vehicle air conditioning system; Variable fresh air; Parallel-connected compressors; Energy saving

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.206

*于文晶（1980-），女，高級工程師，學士。研究方向：軌道車輛空調(diào)采暖。聯(lián)系地址：吉林省長春市綠園區(qū)青蔭路435號，郵編130062。聯(lián)系電話：0431-87832053。E-mail：yuwenjing@cccar.com.cn。