城軌車輛全熱交換空調(diào)機組節(jié)能及適用性分析

徐　剛，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.同濟大學機械與能源工程學院，上海200020）

城軌車輛全熱交換空調(diào)機組節(jié)能及適用性分析

徐剛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.同濟大學機械與能源工程學院，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)得到應用，但在城市軌道車輛上尚無應用。本文選取北京、上海、廣州、貴陽和烏魯木齊為典型城市，以車外氣象參數(shù)逐時值為基礎，依據(jù)全熱交換機組試驗，對全熱交換空調(diào)機組年制冷季及制熱季的節(jié)能量進行了分析；在節(jié)能量計算的基礎上，給出了全熱交換空調(diào)機組的適用地區(qū)為：夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)。

城軌車輛；全熱交換器；空調(diào)機組；節(jié)能量

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，能夠利用新風來回收排風中所攜帶的能量，在建筑上已經(jīng)得到應用，但在城市軌道交通車輛上尚無應用，只有一些初步探討。

本文以地鐵A型車為對象，對全國典型城市使用城市軌道車輛全熱交換空調(diào)機組的年制冷季節(jié)能量進行了分析，并在此基礎上給出了其適用地區(qū)。

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。每臺機組配有兩臺全熱交換器，每臺全熱交換器配有兩個風帽，全熱交換器與空調(diào)機組回風口之間以保溫風管連接。

新風由新風風帽進入全熱交換器后，與室內(nèi)排風換熱換濕后由新風腔送入空調(diào)機組回風口，與室內(nèi)回風混合后經(jīng)空調(diào)機組蒸發(fā)器處理后送入車廂內(nèi)。全熱交換器單元的增加可以降低新風負荷，減少蒸發(fā)器冷量需求及壓縮機耗功，降低車輛能耗。

2　新風負荷特性分析

全熱交換器的地區(qū)適用性主要取決于兩個方面：新風負荷的大小和新風負荷的組成，因此需對各地區(qū)的新風負荷特性進行分析。

按照地鐵設計規(guī)范中對于采用空調(diào)系統(tǒng)的標準規(guī)定并結(jié)合我國氣候分區(qū)[1]，選取北京、上海、廣州、貴陽和烏魯木齊為典型城市。在此基礎上，結(jié)合客車空調(diào)設計參數(shù)給出其車內(nèi)外設計參數(shù)[2]，具體見表1。

表1　典型城市城軌車輛空調(diào)設計參數(shù)

新風負荷可由下式表示[3]：

潛熱負荷：

顯熱負荷：

式中QW—新風負荷，kW；

GW—新風量，kg/s；

iN—N點焓值，kJ/kg干；

iW—W點焓值，kJ/kg干；

tN—N點溫度，℃；

tW—W點溫度，℃；

dN—N點含濕量，g/kg干；

dW—W點含濕量，g/kg干。

濕空氣的焓值計算公式如下[4]:

式中i—濕空氣焓值，kJ/kg干；

t—空氣溫度，℃；

d—空氣含濕量，kJ/kg干。由上式可以看出，焓值分為兩部分：隨溫度變化的熱量（1.005+0.00184d）t，即顯熱；隨含濕量變化的濕量2500d，它表示0℃時d kg水的汽化潛熱，即潛熱。

負荷比表示潛熱負荷與顯熱負荷的比值，可用下式計算：

式中θ—負荷比，W。

則可計算得到各城市的新風負荷大小和組成，如圖2所示。

由新風負荷計算結(jié)果可知，除烏魯木齊外，其余四個地區(qū)的潛熱負荷比例較大，均適用全熱交換空調(diào)機組。

3　節(jié)能性和適用性分析

3.1空調(diào)機組節(jié)能量

由于在全熱交換空調(diào)機組使用期間，車外的空氣參數(shù)隨著時間變化，特別是凌晨與夜晚時，車外空氣溫度較低，與空調(diào)設計參數(shù)相差較大。為了得到更接近實際情況的結(jié)果，在計算全熱交換空調(diào)機組的節(jié)能量時應以車外逐時空氣參數(shù)為基礎。

全熱交換機組的節(jié)能參數(shù)主要為節(jié)電量和節(jié)電系數(shù)，可用下式計算：

節(jié)電量：

節(jié)電系數(shù)：

式中ΔW—空調(diào)機組節(jié)電量，W；

Wc—原空調(diào)機組耗電量，W；

W′C—改后空調(diào)機組耗電量，W；

WF—全熱交換器耗電量，W；

ε—全熱交換空調(diào)機組節(jié)電系數(shù)，%。

空調(diào)機組的耗電量由下式計算得到[5]:

式中Q0—空調(diào)機組制冷量，W；

EER—空調(diào)機組性能系數(shù)，W/W。加裝全熱交換器前后空調(diào)機組的耗電量變化即為全熱交換器的熱回收能量，可用下式表示：

式中ΔQ0—空調(diào)系統(tǒng)冷量變化量，W；

ηi—全熱交換器的全熱效率，%。式中，全熱交換器的全熱效率由試驗得到，由于全熱效率與車內(nèi)外空氣狀態(tài)有關，因此在進行逐時計算時，以下式對其進行修正[6]：

式中δ—修正系數(shù)；

Δt—車內(nèi)外溫度差，℃；

Δd—車內(nèi)外濕度差，g/kg干；

LF—全熱交換器風量，m3/h。

3.2典型城市節(jié)能量計算

在試驗環(huán)境車外干球溫度35℃，濕球溫度28℃；車內(nèi)干球溫度27℃，濕球溫度19.5℃情況下，城軌車輛用全熱交換空調(diào)機組中，全熱交換器單元全熱效率為50.37%，耗功為1.1kW；空調(diào)機組單元性能系數(shù)為2.43。

該試驗基于地鐵A型車完成。對于地鐵列車A型車，每節(jié)車廂兩端分別安裝一臺車頂單元式空調(diào)機組，以試驗所用的地鐵列車原空調(diào)機組為例，每臺空調(diào)機組的制冷量為40kW。加裝全熱交換器后，每臺空調(diào)機組配有兩臺全熱交換器，則每節(jié)車廂共配有四臺全熱交換器。根據(jù)以上信息可得：每節(jié)車廂新風量為3200m3/h，原地鐵列車空調(diào)機組制冷量為80kW，性能系數(shù)為2.43，則耗功為32.92kW。

則根據(jù)修正得到各適用地區(qū)的全熱效率，結(jié)果見表2，修正系數(shù)為0.85。

表2　各地區(qū)全熱交換器的全熱效率

由表2知，全熱交換器在各區(qū)的全熱效率變化不大，基本維持在50%左右。

空調(diào)運行時長為地鐵運行時間，根據(jù)各地地鐵運營公告得到，本文采用方案為地鐵每日運營時間為5∶00-23∶00，共18h。根據(jù)各城市制冷季和制熱季的總時長，對各地區(qū)典型氣象年空調(diào)機組運行時段內(nèi)每天地鐵運行時間進行全熱交換器逐時的熱回收能量計算并進行疊加，最終結(jié)果見表3。

表3　全熱交換空調(diào)機組制冷季及制熱季總節(jié)能量kWh

3.3適用性分析

從表3可得出：

（1）各地區(qū)的節(jié)約電量排序為：廣州＞上海＞北京＞貴陽，其中以上海為代表的夏熱冬冷地區(qū)和以廣州為代表的夏熱冬暖地區(qū)的一年中制冷季和制熱季的節(jié)電量均在5000kWh以上；而以北京為代表的寒冷地區(qū)和以貴陽為代表的溫和地區(qū)的制冷季和制熱季節(jié)電量較低，約在1000kWh左右。

（2）各地區(qū)的節(jié)電百分比排序為：廣州＞上海＞北京＞貴陽，其中以上海為代表的夏熱冬冷地區(qū)和以廣州為代表的夏熱冬暖地區(qū)的一年中制冷季和制熱季的節(jié)電百分比均在5%以上；而以北京為代表的寒冷地區(qū)和以貴陽為代表的溫和地區(qū)的制冷季和制熱季節(jié)電百分比較低，約在1%左右。

則可得：全熱交換空調(diào)機組的適用地區(qū)為夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)。

4　結(jié)語

本文基于全熱交換器的試驗計算得到各地區(qū)全熱交換器的全熱效率，以各地區(qū)車外氣象參數(shù)逐時值為基礎，對全熱交換空調(diào)機組年制冷季及制熱季的節(jié)能量進行分析計算。

根據(jù)分析結(jié)果可知：上海及廣州地區(qū)的年節(jié)能量均在5000kWh以上，節(jié)電百分比均在5%以上。根據(jù)經(jīng)驗，節(jié)能技術(shù)的節(jié)能量達到2%是比較可行的。因此，上海及廣州是較為適用全熱交換空調(diào)機組的地區(qū)。

而北京和貴陽地區(qū)的年節(jié)能量較低，節(jié)電百分比僅在1%左右。因此北京和貴陽地區(qū)的全熱交換空調(diào)機組應用的經(jīng)濟性還需要進一步研究。

[1]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]UIC553-2004，客車車廂的通風、供暖和空調(diào)[S].

[3]GB/T 21087-2007，空氣-空氣能量回收裝置[S].

[4]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.

[5]TB/T1804-2009，鐵道客車空調(diào)機組[S].

[6]吳瑋華.空氣-空氣板式全熱交換器熱量回收性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

Energy Conservation and App licability of Heat and Mass Transfer in Metro

XU Gang1，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）

Totalheatexchanger isan energy recovery device thathasbeen applied architecture，buthasn'tbeen used in urban rail vehicle.We select Beijing，Shanghai，Guangzhou，Urumqi and Guiyang as typical cities，analysis its annual energy conservation based on the hourlymeteorologicalparameter out of the vehicle and totalheatexchanger test.We find that the totalheatexchanger can beapplied tohotsummerand coldwinterareaand hotsummerandwarmwinterarea.

metro；heatandmass transfer；air-conditioning；energy conservation

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.019

U270.38+3

B

2095-3429（2016）05-0079-03

徐剛（1984-），男，山東青島人，碩士，工程師。臧建彬（1973-），男，博士，教授。

2016-07-22

2016-08-25