節(jié)能型地鐵車輛空調(diào)的能量調(diào)節(jié)方式

范英輝

【摘 要】空調(diào)是地鐵車輛運行過程中的重要能耗裝置，車輛空調(diào)的節(jié)能對整個地鐵運營系統(tǒng)的能源合理利用具有重要的意義。本文結(jié)合天津市濱海新區(qū)Z4線工程車輛空調(diào)系統(tǒng)的選型設(shè)計，重點介紹了軌道交通車輛空調(diào)能量調(diào)節(jié)的四種形式：變頻機組、并聯(lián)機組、壓縮機旁通卸載機組和bock壓縮機機組，并對各自的工作原理和優(yōu)缺點進行了對比分析。

【關(guān)鍵詞】節(jié)能 地鐵車輛空調(diào) 能量調(diào)節(jié) 方式

空調(diào)是地鐵車輛運行過程中的重要能耗裝置，車輛空調(diào)的節(jié)能對整個地鐵運營系統(tǒng)的能源合理利用具有重要的意義。根據(jù)目前運營線路的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，一條20公里的地鐵線路，平均每年的能耗達到8000kwh。其中車輛用電量為總用電量的50%～60%，以空調(diào)為主的輔助系統(tǒng)耗能約占車輛耗能的50%。因此在選型設(shè)計中，除了考慮安全性和實用性之外，也必須將節(jié)能設(shè)計作為重要的環(huán)節(jié)。

根據(jù)行業(yè)調(diào)查情況，在我國現(xiàn)有鐵路、地鐵等軌道交通車輛中，90%以上采用單冷定頻空調(diào)，少部分采用變頻、熱泵等節(jié)能方案?？照{(diào)系統(tǒng)的節(jié)能是一個綜合性工程，包括車輛形式、風(fēng)道選型、風(fēng)量控制和機組能量調(diào)節(jié)等多種方式。其中空調(diào)機組的能量調(diào)節(jié)是所有方式中最為核心的內(nèi)容。本文針對天津濱海Z4線車輛空調(diào)的設(shè)計選型實際，就地鐵列車空調(diào)設(shè)計中的節(jié)能方案做一對比分析。

目前我國軌道交通行業(yè)中的能量調(diào)節(jié)機組主要采用以下形式：

1變頻機組

所謂的“變頻空調(diào)”是與傳統(tǒng)的“定頻空調(diào)”相對比而產(chǎn)生的概念。眾所周知，軌道交通車輛空調(diào)常用驅(qū)動電壓為380伏、50赫茲，在這種條件下工作的空調(diào)稱之為“定頻空調(diào)”。由于空調(diào)機組的供電頻率不能改變，傳統(tǒng)定頻空調(diào)的壓縮機轉(zhuǎn)速基本不變，依靠其不斷地開啟和關(guān)閉部分或全部壓縮機來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。而與之相比，“變頻空調(diào)”通過變頻器來改變壓縮機供電頻率，并以此調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速。依靠壓縮機轉(zhuǎn)速的快慢達到控制室溫的目的，使得制冷室溫波動較小、舒適度較好。

變頻空調(diào)機組內(nèi)部設(shè)置有兩臺變頻壓縮機，并安裝兩臺變頻器。變頻控制器根據(jù)車輛反饋的載荷信號及室內(nèi)溫度，通過變頻器控制壓縮機的工作頻率，調(diào)整壓縮機的能量輸出，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)制冷能量的多級調(diào)節(jié)。變頻空調(diào)機組，對室內(nèi)的溫度控制更準確，并可根據(jù)車輛實時的溫度波動和載荷變化，迅速調(diào)節(jié)壓縮機的輸出，維持客室內(nèi)相對穩(wěn)定的空氣環(huán)境。

2并聯(lián)機組

制冷系統(tǒng)一般是按照額定工況的制冷負荷進行選型設(shè)計的，在額定工況（夏季炎熱時期、超員載荷）及其以上的惡劣工況下，并聯(lián)壓縮機組與一般壓縮機組并無不同，而在一年中的多數(shù)時間內(nèi)（春夏交替、夏秋交替時期，早晚時間段等），空調(diào)機組均在額定工況以下的非滿負荷運行。

對于非滿負荷工況，使用兩臺壓縮機的空調(diào)機組設(shè)置有全冷、半冷、通風(fēng)等工況。當客室內(nèi)的溫度持續(xù)下降，達到預(yù)定的半冷工況的溫度值，此時停一臺壓縮機，如果車廂內(nèi)溫度繼續(xù)下降，再關(guān)停運行的壓縮機，轉(zhuǎn)入通風(fēng)模式。形成0～50%～100%的能量調(diào)節(jié)模式。

并聯(lián)式空調(diào)機組一般采用4臺立式壓縮機，并兩兩并聯(lián)共用一套制冷系統(tǒng)。在實際使用中，控制器根據(jù)車輛反饋的載荷信號和溫度值，調(diào)整機組中壓縮機的運行數(shù)量，可以實現(xiàn)四級能量調(diào)節(jié)的功能。

對于使用4臺并聯(lián)壓縮機系統(tǒng)的空調(diào)機組來說，其能量調(diào)節(jié)模式與一般空調(diào)機組相同，但其調(diào)節(jié)狀態(tài)為0～25%～50%～75%～100%，形成多級能量調(diào)節(jié)模式。并聯(lián)壓縮機組在非滿負荷運行時，如75%（停1臺壓縮機）、50%（停2臺壓縮機）、25%（停3臺壓縮機）狀態(tài)時，由于散熱器的換熱量相對減少，但換熱面積及冷凝風(fēng)量不變，整個機組的換熱效率會大幅提高，機組的能效比值相比4臺壓縮機全開時要大。此時機組在制冷量達到要求時，輸入功率下降，同樣能產(chǎn)生節(jié)能效果。

空調(diào)壓縮機的頻繁起停同樣會造成能量的損耗，壓縮機在停機2分鐘以后，系統(tǒng)內(nèi)高低壓力就會達到平衡狀態(tài)。壓縮機再次啟動時系統(tǒng)需要重新建立高低壓差，使系統(tǒng)管路預(yù)冷卻后，才能輸出制冷空氣。壓縮機在每次起停過程中，由開始建立高低壓差到正式輸出冷空氣的過程，是常規(guī)定速空調(diào)能量損耗的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)從國內(nèi)既有地鐵項目得到的實測數(shù)據(jù)，常規(guī)空調(diào)在環(huán)境溫度達到35℃時，每天壓縮機停機次數(shù)可達到36次。在此情況下，空調(diào)系統(tǒng)建立壓力累計需要36分鐘（空調(diào)系統(tǒng)開啟壓縮機后建立壓力差的時間約為1分鐘），壓縮機最短停機時間為2分鐘。由此可知，即使在環(huán)境溫度在35℃，空調(diào)系統(tǒng)不需要制冷的時間占全天的百分比為10%（每天運行時間按照18小時計算），空調(diào)系統(tǒng)壓縮機在建立壓力過程中完全損耗的能量占比為3.33%。

3壓縮機旁通卸載機組

壓縮機旁通卸載機組主要功能部件是熱氣旁通閥，該閥是一種利用制冷劑壓力和彈簧力的平衡原理來控制閥入口和出口壓力的機械裝置。作為能量調(diào)節(jié)的旁通閥可以提供一種手段，即通過旁通制冷劑高壓側(cè)至系統(tǒng)的低壓側(cè)，來保證系統(tǒng)能在給定的最低吸氣壓力下正常工作。

空調(diào)機組采用兩臺普通的定頻壓縮機，通過在壓縮機的排氣口處設(shè)置旁通結(jié)構(gòu)，將部分排氣直接導(dǎo)向壓縮機的吸氣管。其控制器通過檢測室外溫度，對比室內(nèi)溫度，控制旁通電磁閥動作，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的能量輸出，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的能量調(diào)節(jié)。

4博客（bock）壓縮機機組

空調(diào)機組采用兩臺博客（bock）壓縮機，在壓縮機吸氣口處安裝能量調(diào)節(jié)閥，通過能量調(diào)節(jié)閥的開閉來通斷同側(cè)氣缸的吸氣通道，從而實現(xiàn)壓縮機的能量調(diào)節(jié)。一臺空調(diào)就可以實現(xiàn)25%、50%，75%、100%的冷量調(diào)節(jié)。

對于博客（bock）半封活塞壓縮機，其節(jié)能原理與并聯(lián)壓縮機類似，如果采用4缸壓縮機就可以通過能調(diào)閥進行2個氣缸的關(guān)閉實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，而同樣在非滿負荷條件下，關(guān)閉2個氣缸，制冷系統(tǒng)所經(jīng)過的蒸發(fā)器和冷凝器面積不變，相當于換熱面積增大，可以實現(xiàn)節(jié)能效果。但由于活塞壓縮機停止2個氣缸并未相當于用電功率減半，而相當于全負荷時的60%，所以相比于并聯(lián)壓縮機停止1臺壓縮機即減少一半的功耗來說能耗略有增加。

目前國內(nèi)軌道行業(yè)采用半封活塞壓縮機的項目不多，按照壓縮機廠家及相關(guān)數(shù)據(jù)信息，半封活塞壓縮機具有15%～20%的節(jié)能效果。

參考文獻：

[1]李瑞振.地鐵車輛應(yīng)用變頻空調(diào)的節(jié)能分析[J].節(jié)能，2014，01：33—36.