軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能研究

孫方

摘 要：城市軌道車輛系統(tǒng)中，空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占整個(gè)列車系統(tǒng)能耗的35%以上，因此研究空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能對(duì)整車能耗的節(jié)能具有重大意義。文章重點(diǎn)研究了新風(fēng)量調(diào)節(jié)和多壓縮機(jī)及變頻等技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方面的重要作用。

關(guān)鍵詞：列車空調(diào)；節(jié)能；新風(fēng)量調(diào)節(jié)；變頻；冷凝器

引言

隨著城市軌道交通事業(yè)的迅速發(fā)展，列車的設(shè)計(jì)水平和要求不斷提高，對(duì)車內(nèi)環(huán)境的舒適性也提出了更高的要求。為了提供舒適的乘車環(huán)境，車輛配備了空調(diào)設(shè)備。車輛空調(diào)系統(tǒng)不僅關(guān)系到乘客的舒適、安全性，而且直接影響車輛的一次投資和運(yùn)營成本。同時(shí)，隨著世界能源問題日益嚴(yán)重，世界各國對(duì)能源消耗的高度重視，空調(diào)節(jié)能措施也日趨受到高度重視，因此，在滿足車輛舒適性條件下，采用新技術(shù)或有效的空調(diào)節(jié)能控制方案來控制和減少空調(diào)裝置的能耗成為發(fā)展鐵路交通的重要課題之一。

1 車輛熱負(fù)荷的組成

空調(diào)裝置的熱負(fù)荷主要由車體隔熱壁的傳熱、太陽輻射熱、車內(nèi)旅客散發(fā)的顯熱與潛熱、新風(fēng)熱負(fù)荷及機(jī)電設(shè)備散發(fā)的熱量組成。目前，在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要采取以下幾種途徑，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1.1 降低車體傳熱系數(shù)，增強(qiáng)車體的隔熱性能，從而減少車體傳熱及太陽輻射熱

主要靠車體內(nèi)貼保溫材料來實(shí)現(xiàn)，但是受車體及內(nèi)裝結(jié)構(gòu)空間影響，保溫材的厚度限制，車體傳熱系數(shù)降低空間有限。

1.2 根據(jù)載客量的多少，自動(dòng)對(duì)新風(fēng)量進(jìn)行多檔調(diào)節(jié)

為保證乘客的舒適度和健康，空調(diào)系統(tǒng)中最大新風(fēng)量按車輛定員設(shè)定，一般按照10m3/h每人設(shè)定，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)在車輛運(yùn)行過程中新風(fēng)量不可調(diào)節(jié)。由于車輛在運(yùn)行過程中，乘客的人數(shù)是不斷變化的，不會(huì)一直滿載，在乘客人數(shù)較少時(shí)，如果按照定員載荷設(shè)定值，勢(shì)必造成新風(fēng)熱負(fù)荷的浪費(fèi)。因此通過機(jī)組內(nèi)的二氧化碳傳感器或接受車輛載荷信號(hào)，自動(dòng)對(duì)新風(fēng)量進(jìn)行多檔風(fēng)量調(diào)節(jié)，滿足不同數(shù)量乘客時(shí)對(duì)應(yīng)的新風(fēng)量需求，即可起到新風(fēng)節(jié)能的作用。新風(fēng)負(fù)荷在整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷中約占1/3，因?yàn)榻档托嘛L(fēng)負(fù)荷對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能意義重大，經(jīng)試驗(yàn)，對(duì)新風(fēng)可調(diào)空調(diào)機(jī)組和不可調(diào)機(jī)組的2列軌道交通列車在正常運(yùn)行時(shí)的耗電量、客室內(nèi)、外溫度和客流量進(jìn)行了測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析，采用可調(diào)新風(fēng)門空調(diào)機(jī)組的列車空調(diào)節(jié)能量約為12-18%。

1.3 多級(jí)能量調(diào)節(jié)

目前空調(diào)系統(tǒng)較多采用2壓縮機(jī)兩套制冷回路系統(tǒng)，即通過啟停壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)制冷量0、50%、100%的調(diào)節(jié)。但是軌道交通尤其是城市地鐵輕軌，車廂內(nèi)的負(fù)荷隨人流（上下班高峰期）、天氣（晴天、雨天）、季節(jié)以及運(yùn)行路徑（高架或隧道）等波動(dòng)很大，所以對(duì)空調(diào)機(jī)組的冷量需求也是經(jīng)常變化的。這就需要空調(diào)機(jī)組根據(jù)熱負(fù)荷的變化進(jìn)行壓縮機(jī)的分級(jí)控制，機(jī)組的能量調(diào)節(jié)的范圍更為寬廣。采用帶卸載功能（非熱氣旁通）的壓縮機(jī)，可實(shí)現(xiàn)制冷量0%、35%、50%、70%、85%、100%的多級(jí)調(diào)節(jié)。

帶卸載功能的壓縮機(jī)容量控制原理：當(dāng)卸載電磁閥全部關(guān)閉時(shí)，壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)全部工作能力，當(dāng)一個(gè)卸載電磁閥關(guān)閉，另一個(gè)卸載電磁閥開通時(shí)，壓縮機(jī)處在卸載工作狀態(tài)，此時(shí)實(shí)現(xiàn)70%工作能力。利用壓縮機(jī)的能量調(diào)節(jié)和開啟關(guān)閉，可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組多種制冷能力，本項(xiàng)目采用2臺(tái)壓縮機(jī)可實(shí)現(xiàn)如表1制冷量。

但這仍然是一種不連續(xù)的調(diào)節(jié)方式，仍然不能避免壓縮機(jī)的開關(guān)損耗，不能完全滿足車輛負(fù)荷變化對(duì)制冷量的調(diào)節(jié)需求。同時(shí)壓縮機(jī)的頻繁啟停造成客室內(nèi)溫度的波動(dòng)范圍較大，舒適性較差。采用熱氣旁通卸載方式的空調(diào)，是將壓縮機(jī)排出的高壓氣態(tài)制冷劑經(jīng)旁通閥直接排到膨脹閥的出口，即此部分制冷劑并參與熱交換，不產(chǎn)生制冷量，因此通過熱氣旁通卸載的方式只調(diào)節(jié)了制冷量，輸入功率卻沒有降低，是一種能量的浪費(fèi)。

1.4 采用變頻空調(diào)

變頻空調(diào)機(jī)組采用變頻壓縮機(jī)，可實(shí)現(xiàn)制冷能力10%-120%范圍內(nèi)的無級(jí)能量輸出。壓縮機(jī)可根據(jù)客室內(nèi)的熱負(fù)荷自動(dòng)工作在相應(yīng)的頻率，當(dāng)負(fù)荷減少時(shí)頻率降低，壓縮機(jī)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)不需要停機(jī)（減少壓縮機(jī)開關(guān)損耗）。相比多壓縮機(jī)方案通過控制壓縮機(jī)的啟停來維持客室溫度的方法，避免了壓縮機(jī)頻繁啟停的損耗，溫度控制也更加精準(zhǔn)。同時(shí)壓縮機(jī)低頻啟動(dòng)，大大降低了啟動(dòng)沖擊電流，減少功率消耗。在壓縮機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)，制冷劑流量減小，換熱器面積相對(duì)增大，壓縮機(jī)容積效率提高，能效比更高，可達(dá)到3.5以上。

1.5 預(yù)冷或預(yù)熱

車輛設(shè)置預(yù)冷和預(yù)熱功能。車輛準(zhǔn)備投入載客運(yùn)行前，由于車輛內(nèi)還沒有乘客，因此可以不用考慮新風(fēng)進(jìn)入，將新風(fēng)閥關(guān)閉，回風(fēng)閥全開，全回風(fēng)運(yùn)行，達(dá)到快速制冷或加熱的目的，達(dá)到設(shè)定目標(biāo)溫度或設(shè)定時(shí)間自動(dòng)轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。

1.6 春、秋過度季節(jié)，適當(dāng)加大空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)量甚至關(guān)閉回風(fēng)閥全新風(fēng)運(yùn)行

在春、秋兩季環(huán)境溫度較低，且車廂內(nèi)人員較多需要制冷的情況下，當(dāng)環(huán)境溫度低于車廂內(nèi)設(shè)定溫度時(shí)，可加大新風(fēng)量運(yùn)行，利用新風(fēng)對(duì)客室降溫，達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)還可提高車廂內(nèi)空氣的品質(zhì)。

1.7 不同季節(jié)的溫度設(shè)定

根據(jù)UIC553曲線設(shè)定自動(dòng)調(diào)節(jié)客室內(nèi)溫度，按照季節(jié)對(duì)設(shè)定溫度進(jìn)行修正，不同的時(shí)間設(shè)定不同的目標(biāo)溫度值，既提高舒適度，又達(dá)到節(jié)能的效果。

1.8 冷凝器并聯(lián)

傳統(tǒng)的制冷回路中（假設(shè)此機(jī)組采用兩臺(tái)壓縮機(jī)），一個(gè)制冷回路采用一個(gè)冷凝器。而采用并聯(lián)冷凝器的方式，即1個(gè)壓縮機(jī)使用2個(gè)并聯(lián)的冷凝器，提高空調(diào)機(jī)組運(yùn)行在半載制冷狀態(tài)下的制冷效率，以達(dá)到節(jié)能的目的。其原理是：空調(diào)機(jī)組全載（2臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行）時(shí)，空調(diào)機(jī)組的2臺(tái)冷凝器均使用，效果與常規(guī)方式一樣；但空調(diào)機(jī)組半載時(shí)（1臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行），冷凝器的利用率大幅提高，冷凝溫度較常規(guī)設(shè)計(jì)低，從而提高了機(jī)組單位能耗的制冷量。同時(shí)，在高溫卸載時(shí)（只有一臺(tái)壓縮機(jī)工作），兩側(cè)冷凝器會(huì)和所有的冷凝風(fēng)量進(jìn)行換熱，冷凝器換熱量幾乎增加一倍，冷凝壓力大幅度下降，從而保證壓縮機(jī)能在極端高溫下繼續(xù)工作。

1.9 采用高效節(jié)能制冷劑

列車空調(diào)制冷劑的選擇不僅需要符合《蒙特利爾協(xié)議》的環(huán)保型制冷劑，還需考慮運(yùn)營的能耗節(jié)能要求，制冷劑R407c是一種具有優(yōu)良的熱力性能并具有節(jié)能效果的混合型制冷劑，單位容積制冷量較R134a等其他制冷劑大，是目前軌道交通行業(yè)常用的環(huán)保型制冷劑。

2 結(jié)束語

以上幾種節(jié)能方案并不是孤立的，通常是根據(jù)運(yùn)行環(huán)境要求同時(shí)采用其中幾種節(jié)能方法，跟傳統(tǒng)列車空調(diào)系統(tǒng)相比，采用上述幾種節(jié)能方案的系統(tǒng)具有高效、低能耗、高舒適性的特點(diǎn)。并且在越來越多的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中被運(yùn)用，具有良好的可行性與可靠性。