城軌車輛全熱交換空調(diào)機組性能研究

孫照嵐，金甜甜，臧建彬

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海200020）

城軌車輛全熱交換空調(diào)機組性能研究

孫照嵐1，金甜甜2，臧建彬2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海200020）

全熱交換器是一種能量回收裝置，目前在建筑上已經(jīng)得到應(yīng)用，但在城市軌道車輛上尚無應(yīng)用。本文以城軌車輛全熱交換空調(diào)機組為研究對象，以全熱交換器單元和空調(diào)機組整體的性能分析為基礎(chǔ)，設(shè)計了相應(yīng)的全熱交換空調(diào)機組結(jié)構(gòu)進行了性能試驗，并給出其整體性能系數(shù)。

全熱交換器；空調(diào)機組；性能系數(shù)

0 引言

近年來，我國城市軌道交通進入現(xiàn)代化高速發(fā)展階段，其節(jié)能問題日益受到關(guān)注。電能消耗是城市軌道交通系統(tǒng)運營過程中能耗的主要形式，空調(diào)系統(tǒng)的能耗在車輛能耗中占有很大的比例，而新風(fēng)能耗約占空調(diào)系統(tǒng)的30%-40%。全熱交換器是一種能量回收裝置，能夠利用新風(fēng)來回收排風(fēng)中所攜帶的能量，在建筑上已經(jīng)得到應(yīng)用，但在城市軌道交通車輛上尚無應(yīng)用，只有一些初步探討。

本文通過理論分析結(jié)合性能試驗的方法，對加裝全熱交換單元后城軌車輛空調(diào)機組的性能變化做了系統(tǒng)研究。

1 全熱交換空調(diào)機組性能分析

1.1 全熱交換空調(diào)機組

全熱交換空調(diào)機組將全熱交換器與原有的車頂單元式空調(diào)機組相結(jié)合，全熱交換器放置在空調(diào)機組兩側(cè)，如圖1所示。

全熱交換空調(diào)機組由原有地鐵列車空調(diào)機組、全熱交換器、風(fēng)帽及新風(fēng)道等組成。每臺空調(diào)機組配有兩臺全熱交換器，全熱交換器沿車長方向?qū)ΨQ分布于空調(diào)機組兩側(cè)；每臺全熱交換器配有一個新風(fēng)進風(fēng)風(fēng)帽和一個排風(fēng)出風(fēng)風(fēng)帽，兩個風(fēng)帽沿車體橫斷面方向?qū)ΨQ分布與全熱交換器兩側(cè)；全熱交換器與空調(diào)機組回風(fēng)口之間以保溫風(fēng)管連接。新風(fēng)從新風(fēng)進風(fēng)風(fēng)帽進入全熱交換器后，與車內(nèi)排風(fēng)換熱換濕后由新風(fēng)風(fēng)道接入空調(diào)機組回風(fēng)口，與室內(nèi)回風(fēng)混合后經(jīng)空調(diào)機組蒸發(fā)器處理后送入車廂內(nèi)。

圖1 全熱交換空調(diào)機組

1.2 性能分析

全熱交換空調(diào)機組將現(xiàn)有的全熱交換器與原有的城市軌道車輛空調(diào)機組結(jié)合起來，車外新鮮空氣先進入全熱交換單元與車廂廢排空氣換熱換濕，再與回風(fēng)混合后進入空調(diào)機組降溫除濕。全熱交換器的增加引起原有的車輛空調(diào)系統(tǒng)中空氣處理過程發(fā)生變化，圖2為其空氣處理過程。

圖2 全熱交換空調(diào)機組空氣處理過程

空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器的冷卻能力，即冷量可用下式計算[1]：

式中Q0—空調(diào)系統(tǒng)所需冷量，W；

G—空調(diào)系統(tǒng)總風(fēng)量，kg/s；

iC—新、回風(fēng)混合點焓值，kJ/kg；iL—送風(fēng)狀態(tài)點焓值，kJ/kg。

車輛空調(diào)系統(tǒng)中新回風(fēng)比為1：2，則由此可在焓濕圖上確定混合點，新、回風(fēng)混合點焓值由下式計算可得:

式中GN—回風(fēng)風(fēng)量，kg/s；

GW—新風(fēng)風(fēng)量，kg/s；

iN—回風(fēng)狀態(tài)點焓值，kJ/kg干；

iW—室外新風(fēng)狀態(tài)點焓值，kJ/kg干。

則增加全熱交換單元前后的蒸發(fā)器的冷量需求如下式：

原空調(diào)機組：

全熱交換空調(diào)機組:

冷量變化:

W1點的焓值可由全熱交換器的全熱效率計算得出[2]:

式中ηi—全熱交換器的全熱效率，%；

iW1—新風(fēng)預(yù)處理后狀態(tài)點焓值，kJ/kg干。

從以上分析可知，全熱交換空調(diào)機組相較于原空調(diào)機組而言，蒸發(fā)器的冷量需求變化可表示為:

式中ΔQ0—空調(diào)機組制冷量變化量，W。

本文中研究對象為用于夏季制冷的空調(diào)機組，因此本文在性能系數(shù)上可參考制冷能效比EER，它表示在規(guī)定的制冷能力實驗條件下，空調(diào)機組制冷量與制冷消耗功率之比，其單位用W/W表示。

城市軌道車輛原有空調(diào)機組的主要耗能元件為壓縮機，主要制冷元件為蒸發(fā)器，性能系數(shù)EER可用下式表示[3]：

式中WC—壓縮機消耗功率，W。

加裝全熱交換單元后，空調(diào)機組的主要耗能元件為壓縮機與全熱交換器單元中的風(fēng)機，主要制冷元件為蒸發(fā)器與全熱交換器，性能系數(shù)EERQ可用下式表示：

式中WF—全熱交換單元消耗功率，W。

圖3 機組試驗設(shè)備連接圖

2 試驗研究

2.1 試驗?zāi)康募霸?/p>

本試驗參照TB/T 1804-2009《鐵道客車空調(diào)機組》進行，測試城軌車輛用全熱交換空調(diào)機組在夏季和冬季工況下運行的換熱換濕性能[4]。

標準規(guī)定，試驗時若大氣壓力低于標準大氣壓（101325Pa），大氣壓讀數(shù)每降低3.5kPa，制冷量可增加0.8%。

本試驗用全熱交換器為B樣機，外形尺寸為220mm×370mm×1250mm。

2.2 試驗臺及試驗儀器

試驗在某合作企業(yè)的風(fēng)洞式焓差試驗臺上進行，設(shè)備系統(tǒng)圖如圖3所示。

風(fēng)洞式焓差試驗臺主要由兩個環(huán)境控制室組成，兩室分別連接空氣調(diào)節(jié)設(shè)備，通過調(diào)節(jié)可使兩室內(nèi)達到試驗工況所要求的溫、濕度。本試驗中，采用大風(fēng)洞模擬車內(nèi)環(huán)境，室外側(cè)模擬車外環(huán)境，全熱交換器置于大風(fēng)洞內(nèi)，空調(diào)機組置于低溫室內(nèi)。室外側(cè)空氣通過保溫風(fēng)管引入全熱交換器，經(jīng)全熱交換器處理后連入空調(diào)機組回風(fēng)道，與室內(nèi)回風(fēng)混合后送入空調(diào)機組，經(jīng)空調(diào)機組降溫除濕處理后，由保溫風(fēng)管送入大風(fēng)洞內(nèi)的房間流量測量裝置。房間流量測量裝置內(nèi)裝有噴嘴，用來測量室內(nèi)側(cè)試驗室內(nèi)的空氣流量；該裝置內(nèi)還裝有風(fēng)機，用來平衡系統(tǒng)所產(chǎn)生的附加阻力[5]。大風(fēng)洞內(nèi)的空氣通過全熱交換器上的排風(fēng)口進入全熱交換器，與室外側(cè)引入的新風(fēng)進行熱濕交換，處理后的排風(fēng)通過保溫風(fēng)管送入室外側(cè)。

本試驗所用的測量儀表可總結(jié)如下，見表1。

表1 空調(diào)機組試驗用測量儀

2.3 試驗工況及結(jié)果

城軌車輛用全熱交換空調(diào)機組相較于原地鐵列車空調(diào)機組而言，增設(shè)了全熱交換裝置。在進行性能試驗時，新風(fēng)閥關(guān)閉，新風(fēng)通過全熱交換器后與回風(fēng)部分混合進入空調(diào)機組，室內(nèi)參數(shù)應(yīng)仍設(shè)置成空調(diào)機組工作時回風(fēng)狀態(tài)參數(shù)，即有別于標準規(guī)定室內(nèi)側(cè)進氣參數(shù)。為比較加裝全熱交換器對空調(diào)機組的影響，對于原機組關(guān)閉新風(fēng)閥的試驗方式也應(yīng)進行更改，即未裝全熱交換器與加裝全熱交換器的兩組空調(diào)機組性能試驗應(yīng)保證同樣的工況要求。具體工況設(shè)定見表2。

試驗工況中，大風(fēng)洞風(fēng)量要求基于全熱交換器新風(fēng)風(fēng)量、地鐵列車新回風(fēng)比及地體列車通風(fēng)量要求所定。裝置在該工況下連續(xù)穩(wěn)定運行30min后，開始進行測量；連續(xù)測量20min，按5min時間間隔記錄空氣的各項參數(shù)，共記錄4次數(shù)值，結(jié)果取其平均值。

本試驗共進行兩組試驗：無全熱交換器試驗和加裝全熱交換器試驗。試驗結(jié)果見表3。

表2 空調(diào)機組試驗工況

表3 空調(diào)機組試驗工況表℃

2.4 試驗結(jié)果分析

2.4.1 空調(diào)機組的制冷量變化

根據(jù)計算，空調(diào)機組的制冷（熱）量變化見表4。該試驗中，大氣壓力為100098Pa，比標準大氣壓低1227Pa，低于標準規(guī)定的需修正制冷量的大氣壓力變化值，因此試驗結(jié)果中的制冷量不予修正。兩組試驗中，空調(diào)機組總通風(fēng)量夏季相差值為61m3/h，即為0.01m3/s；冬季相差值為60.63m3/h，即為0.01m3/s，可認為冬夏季工況下均近似相等，在性能上的微小差異忽略不計。

表4 空調(diào)機組單元的制冷（熱）量變化kW

此處空調(diào)機組制熱工況下的制熱量在試驗時由于條件限制，存在偏差。另外，加裝全熱交換器后，全熱交換空調(diào)機組的整體制冷（熱）量上升主要是因為空調(diào)機組單元的制冷（熱）量高于理論值。空調(diào)機組單元在加裝全熱交換器后，由于條件限制，并未更換為理論上的低制冷（熱）量機組，因此性能上稍優(yōu)于理論值。

2.4.2 空調(diào)機組的性能系數(shù)

增加全熱交換器后，空調(diào)機組的制冷量降低，原壓縮機不再適用，應(yīng)選用小功率壓縮機，則空調(diào)機組部分的電功率降低。本文擬定32kW的機組EER與40kW的機組相同，得出其相應(yīng)的電功率耗值，并根據(jù)修正結(jié)果得出相應(yīng)的全熱交換空調(diào)機組性能參數(shù)值。根據(jù)計算，空調(diào)機組的性能系數(shù)變化見表5。

表5 全熱交換空調(diào)機組性能系數(shù)變化

由表5可以看出：

（1）夏季工況下，總通風(fēng)量為4885.90m3/h，未加裝全熱交換器時，空調(diào)機組的制冷量為40.30kW，性能系數(shù)為2.43；加裝全熱交換器時，總通風(fēng)量為4824.83m3/h?？照{(diào)機組的總制冷量為41.87kW，性能系數(shù)為2.90。該空調(diào)滿足標準規(guī)定的鐵道客車空調(diào)機組的EER應(yīng)大于2.1的要求。

（2）冬季工況下，總通風(fēng)量為4799.23m3/h，未加裝全熱交換器時，空調(diào)機組的制熱量為28.94kW，性能系數(shù)為1.91；加裝全熱交換器時，總通風(fēng)量為4859.86m3/h。空調(diào)機組的總制熱量為29.02kW，性能系數(shù)為2.36。

需要注意的是，冬季工況下原空調(diào)機組的性能系數(shù)為1.91，與夏季工況下有所區(qū)別，且不滿足標準規(guī)定的鐵道客車空調(diào)機組的EER應(yīng)大于2.1的要求，主要是試驗過程中對鐵道標準規(guī)定的試驗工況及試驗方法進行了更改，而且試驗中由于氣候條件的限制，不能精準達到試驗要求，因此出現(xiàn)了偏差。

綜上，可將增加全熱交換器前后的空調(diào)機組夏季性能參數(shù)進行對比，其結(jié)果如圖4所示。由于冬季情況存在偏差，且趨勢與夏季相同，此處只以夏季為例進行說明。

從上述結(jié)果可以看出，增加全熱交換器后，對于空調(diào)機組單體而言，制冷量和耗功大幅降低，同一地鐵車型可選用更小型號的空調(diào)機組，空調(diào)機組單元性能系數(shù)無變化；對于全熱交換空調(diào)機組整體而言，總耗功量降低，機組整體性能系數(shù)增大，即可用更少的電能換取相同的制冷量，達到了節(jié)能效果。

圖4 全熱交換器增加前后機組夏季性能比對

3 結(jié)語

本文對全熱交換空調(diào)機組進行理論分析，結(jié)合性能試驗的測試結(jié)果，分析了加裝全熱交換單元后空調(diào)機組的性能變化。

（1）根據(jù)試驗結(jié)果，全熱交換空調(diào)機組能夠減少9.42kW的制冷量及4.84kW的制熱量。

（2）夏季工況下，全熱交換空調(diào)機組的性能系數(shù)為2.90；冬季工況下，全熱交換空調(diào)機組的性能系數(shù)為2.36。

加裝全熱交換器后，空調(diào)機組的性能系數(shù)增大。因此，在相同空調(diào)負荷的情況下，空調(diào)機組的耗電量減小，可以達到節(jié)能的效果。

[1] 趙榮義.空氣調(diào)節(jié)[M].4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2] 朱聘冠.換熱器原理及計算[M].北京：清華大學(xué)出版社，1987.

[3] 鄭賢德.制冷原理與裝置[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[4] TB/T1804-2009，鐵道客車空調(diào)機組[S].

[5] E.John Finnemore, Joseph B.Franzini. Fluid Mechanics With Engineering Application (Tenth Edition)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

修回日期：2016-08-25

Performance of Heat and Mass Transfer in Metro

SUN Zhao-lan1，JIN Tian-tian2，ZANG Jian-bin2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd，Qingdao 266111，China；2.School of Mechanical Engineering Tongji University，Shanghai 200020，China）

Total heat exchanger is an energy recovery device that has been applied architecture, but hasn’t been used in urban rail vehicle. We study the total heat exchanger in air conditioning units of urban rail vehicle, analyze the performance of the total heat exchanger unit and the overall performance of air conditioning units, design the structure of the total heat exchanger in air conditioning units and experiment its performance. Finally we find the coefficient of performance.

heat and mass transfer；air-conditioning；coefficient of performance

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.020

U270.383

B

2095-3429（2016）06-0076-05

孫照嵐（1987-），男，遼寧沈陽人，碩士，助理工程師，研究方向：空調(diào)系統(tǒng)；臧建彬（1973-），男，教授，博士，研究方向：軌道交通環(huán)境控制。

2016-07-22