軌道車(chē)輛變頻空調(diào)性能試驗(yàn)研究

王 釗

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軌道車(chē)輛變頻空調(diào)性能試驗(yàn)研究

王 釗

（廣州鼎漢軌道交通車(chē)輛裝備有限公司 廣州 510260）

對(duì)雙制冷系統(tǒng)變頻空調(diào)進(jìn)行不同工況條件下的性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明變頻空調(diào)全冷運(yùn)行時(shí)能效比遠(yuǎn)大于半冷運(yùn)行時(shí)的能效比，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)只啟動(dòng)一臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行的情況。在較低的環(huán)境溫度條件下，適當(dāng)降低冷凝風(fēng)量，能夠提升空調(diào)的能效比。上述試驗(yàn)研究結(jié)果，對(duì)變頻空調(diào)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和邏輯控制具有指導(dǎo)意義。

軌道車(chē)輛；變頻空調(diào)；能效比；性能試驗(yàn)

0 引言

軌道車(chē)輛變頻空調(diào)是在定頻空調(diào)的基礎(chǔ)上選用了變頻專(zhuān)用壓縮機(jī)，增加了變頻控制系統(tǒng)，采用變頻原理，利用可變化交/直流電源來(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速[1]，從而改變制冷管路中制冷劑循環(huán)量，控制壓縮機(jī)輸出能力。它的基本結(jié)構(gòu)和制冷原理與普通的定頻空調(diào)完全相同。

目前國(guó)內(nèi)變頻空調(diào)在軌道車(chē)輛上已經(jīng)有部分的使用，如CRH2型動(dòng)車(chē)組[2]、重慶單軌車(chē)輛、深圳地鐵部分線路[3,4]等。但目前對(duì)軌道車(chē)輛變頻空調(diào)的性能[5-7]與頻率控制邏輯還未有較深入的研究。本項(xiàng)目結(jié)合國(guó)內(nèi)外軌道車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)的需求和特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)用于地鐵車(chē)輛的變頻空調(diào)機(jī)組測(cè)試不同頻率和工況條件下空調(diào)的性能參數(shù)，得到相應(yīng)的變化曲線，用以?xún)?yōu)化變頻空調(diào)的設(shè)計(jì)和控制。

1 變頻空調(diào)制冷原理

圖1為車(chē)輛變頻空調(diào)的制冷系統(tǒng)原理圖。制冷系統(tǒng)主要由變頻壓縮機(jī)、冷凝器、外平衡式熱力膨脹閥、蒸發(fā)器等部件用管路連接起來(lái)形成密閉系統(tǒng)；使用液管電磁閥、單向閥等部件控制和保護(hù)壓縮機(jī)的使用。

圖1 制冷系統(tǒng)原理圖

1—熱力膨脹閥；2—汽液分離器；3—液管電磁閥；4—視液鏡；5—干燥過(guò)濾器；6—變頻壓縮機(jī)；7—單向閥；8—冷凝器；9—冷凝風(fēng)機(jī)；10—蒸發(fā)器；11—蒸發(fā)風(fēng)機(jī)

2 試驗(yàn)裝置和方法

空調(diào)機(jī)組制冷量測(cè)量采用空氣焓差法，通過(guò)測(cè)量空調(diào)機(jī)組蒸發(fā)器前后進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)的干球溫度、濕球溫度和空氣流量來(lái)計(jì)算制冷量。

按照TB/T 1804—2009《鐵道客車(chē)空調(diào)機(jī)組》[8]標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)量在不同的室內(nèi)外側(cè)進(jìn)氣參數(shù)條件下，壓縮機(jī)工作在不同頻率時(shí)的空調(diào)制冷量、功率、能效比等參數(shù)。

變頻空調(diào)機(jī)組額定制冷量為42kW，送風(fēng)量 為5000m3/h，新風(fēng)量為1600m3/h，使用谷輪ZRHV72KJE—TFD型臥式變頻渦旋壓縮機(jī)，使用具有MOP功能的外平衡式熱力膨脹閥作為節(jié)流裝置，壓縮機(jī)變頻調(diào)節(jié)范圍為35～75Hz，制冷劑為R407C。通過(guò)切換冷凝風(fēng)機(jī)電機(jī)極數(shù)實(shí)現(xiàn)高低速冷凝風(fēng)量功能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 壓縮機(jī)頻率對(duì)吸排氣壓力的影響

試驗(yàn)工況為室外側(cè)進(jìn)氣干球溫度32.5±0.5℃；室內(nèi)側(cè)進(jìn)氣干球溫度28.9±0.25℃，進(jìn)氣濕球溫度23.1±0.25℃，空調(diào)機(jī)組兩臺(tái)壓縮機(jī)均運(yùn)行。圖2為不同頻率下壓縮機(jī)的吸排氣壓力變化曲線。

圖2 吸排氣壓力隨壓縮機(jī)頻率的變化曲線

如圖2所示，壓縮機(jī)頻率增大，壓縮機(jī)的排氣壓力增大，吸氣壓力減小。對(duì)于渦旋壓縮機(jī)，其排氣量與轉(zhuǎn)速成正比，而轉(zhuǎn)速與電機(jī)頻率成正比。頻率升高，壓縮機(jī)排氣量隨之增大，進(jìn)入冷凝器的制冷劑循環(huán)流量同樣增大，壓縮機(jī)排氣壓力升高。

壓縮機(jī)排氣量增大，相應(yīng)的從蒸發(fā)器吸入的制冷劑量增加，蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度下降，使得吸氣壓力也同樣下降。

3.2 壓縮機(jī)頻率對(duì)制冷量和能效比的影響

試驗(yàn)工況分為5組，如下表1所示，室內(nèi)側(cè)進(jìn)氣參數(shù)按照室外新風(fēng)和室內(nèi)回風(fēng)混合后計(jì)算得到，并以車(chē)內(nèi)溫濕度經(jīng)驗(yàn)值作為參照進(jìn)行設(shè)定?？照{(diào)機(jī)組全冷運(yùn)行，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率范圍為38～60Hz。

表1 試驗(yàn)工況

圖4為在5種工況條件下制冷量和能效比隨壓縮機(jī)頻率的變化曲線。

從圖3可知，隨著壓縮機(jī)頻率的增大，空調(diào)制冷量隨之近似線性增大，能效比初始緩慢增大，達(dá)到最大值后再逐漸降低。

制冷量和能效比與壓縮機(jī)頻率的變化曲線相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)的性能參數(shù)同時(shí)兼顧了空調(diào)制冷量和能效比，因此該點(diǎn)的頻率可以作為空調(diào)在此工況下的最佳工作頻率點(diǎn)。在5種工況條件下，該點(diǎn)頻率分別為46.18 Hz、48.43Hz、51.05Hz、52.86Hz、55.73Hz。

圖4 最佳工作頻率隨室外側(cè)進(jìn)氣干球溫度的變化曲線

在不同的室外側(cè)進(jìn)氣條件下，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，得到壓縮機(jī)最佳工作頻率與室外側(cè)進(jìn)氣干球溫度的線性擬合公式：

=76.733-0.9412T

式中，為最佳工作頻率，T為室外側(cè)進(jìn)氣干球溫度。

3.3 全冷與半冷運(yùn)行時(shí)制冷量與能效比的變化

試驗(yàn)工況為室外側(cè)進(jìn)氣干球溫度27.5±0.5℃；室內(nèi)側(cè)進(jìn)氣干球溫度25.3±0.25℃，進(jìn)氣濕球溫度20.6±0.25℃?？照{(diào)機(jī)組分為全冷和半冷運(yùn)行，全冷運(yùn)行時(shí)2臺(tái)壓縮機(jī)以相同頻率工作；半冷運(yùn)行時(shí)只啟動(dòng)1臺(tái)壓縮機(jī)工作，所有蒸發(fā)風(fēng)機(jī)和冷凝風(fēng)機(jī)全部運(yùn)行。壓縮機(jī)運(yùn)行頻率范圍為38～60Hz。圖5為全冷和半冷運(yùn)行條件下，壓縮機(jī)工作在不同頻率時(shí)空調(diào)制冷量和能效比的變化曲線。

圖5 全冷運(yùn)行和半冷運(yùn)行時(shí)制冷量和能效比隨壓縮機(jī)頻率的變化曲線

在相同的制冷工況條件下，半冷時(shí)單臺(tái)壓縮機(jī)的制冷量比全冷時(shí)單臺(tái)壓縮機(jī)制冷量略大，主要是因?yàn)榘肜溥\(yùn)行時(shí)，交叉排布的蒸發(fā)器的換熱效果更好，提高了單個(gè)制冷循環(huán)的制冷量。而在能效比方面，全冷時(shí)能效比變化范圍為2.48～2.71；而半冷時(shí)能效比只有2.09～2.19。因此，無(wú)論壓縮機(jī)運(yùn)行在哪些頻率，雙系統(tǒng)變頻空調(diào)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)只啟動(dòng)一臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行的情況，這樣能夠保證空調(diào)獲得更高的能效比，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。

3.4 不同冷凝風(fēng)量條件下制冷量與能效比的變化

試驗(yàn)工況為室外側(cè)進(jìn)氣干球溫度27.5±0.5℃；室內(nèi)側(cè)進(jìn)氣干球溫度25.3±0.25℃，進(jìn)氣濕球溫度20.6±0.25℃，空調(diào)機(jī)組冷凝風(fēng)機(jī)分為高速檔和低速檔運(yùn)行。高速檔時(shí)電機(jī)為4極，單臺(tái)冷凝風(fēng)機(jī)風(fēng)量約為9000m3/h，功率1.1kW；低速檔電機(jī)切換為6極，單臺(tái)冷凝風(fēng)機(jī)風(fēng)量為約6000m3/h，功率0.55kW。制冷運(yùn)行時(shí)所有蒸發(fā)風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)全部運(yùn)行。壓縮機(jī)運(yùn)行頻率范圍為38～60Hz。圖6為冷凝風(fēng)機(jī)在高速檔和低速檔條件下，壓縮機(jī)工作在不同頻率時(shí)空調(diào)制冷量和能效比的變化曲線。

圖6 不同冷凝風(fēng)量下制冷量和能效比隨壓縮機(jī)頻率的變化曲線

在高速檔時(shí)，隨著壓縮機(jī)頻率的增大，空調(diào)機(jī)組制冷量由30.36kW迅速增加到39kW，能效比略微增大后逐步下降；在低速檔時(shí)，隨著壓縮機(jī)頻率的增大，空調(diào)機(jī)組制冷量由28.54kW迅速增加到40.73kW，能效比由最大值2.81逐漸降低至2.69，然后略有提升。

對(duì)比不同冷凝風(fēng)量下的兩條能效比曲線，低速檔時(shí)能效比均大于高速檔時(shí)的能效比，雖然減少了冷凝風(fēng)量，壓縮機(jī)吸排氣壓力均有不同程度提升，壓縮機(jī)功率變大，但冷凝風(fēng)機(jī)電機(jī)極數(shù)的變化降低了冷凝風(fēng)機(jī)的功率。同時(shí)由于冷凝風(fēng)量不同，在較低的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率時(shí)，高速檔風(fēng)量能夠強(qiáng)化換熱，空調(diào)制冷量相比于低速條件下略大。而當(dāng)壓縮機(jī)頻率逐步升高后，由于冷凝效果過(guò)好，過(guò)冷度相比于低速檔大很多，熱力膨脹閥的開(kāi)度達(dá)到最大后不再自動(dòng)調(diào)整，系統(tǒng)制冷劑循環(huán)量無(wú)法繼續(xù)增加，液態(tài)制冷劑積存在冷凝器內(nèi)反而阻礙了冷凝換熱效果，此時(shí)空調(diào)制冷量增加幅度比低速檔時(shí)小。

當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率增加時(shí)，在較少的冷凝風(fēng)量條件下，冷凝器內(nèi)的循環(huán)制冷劑同樣能夠完全冷凝成液體，而過(guò)冷度相比于高速檔時(shí)小。在提高壓縮機(jī)運(yùn)行頻率時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑循環(huán)量能夠進(jìn)一步增大，空調(diào)機(jī)組制冷量能夠繼續(xù)增大。

上述試驗(yàn)表明，在較低的室外側(cè)進(jìn)氣干球溫度條件下，冷凝風(fēng)機(jī)低速檔運(yùn)行能效比更高，更加節(jié)能。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)軌道車(chē)輛變頻空調(diào)進(jìn)行性能試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）變頻空調(diào)的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率增大時(shí)，排氣壓力增大，吸氣壓力減小，制冷量增大，能效比初始緩慢增大，達(dá)到最大值后再逐漸降低。壓縮機(jī)最佳工作頻率與室外側(cè)干球溫度成線性關(guān)系。

（2）雙系統(tǒng)變頻空調(diào)全冷運(yùn)行時(shí)能效比遠(yuǎn)大于半冷運(yùn)行時(shí)的能效比，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)只啟動(dòng)一臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行的情況。

（3）在較低的室外側(cè)進(jìn)氣干球溫度條件下，適當(dāng)降低冷凝風(fēng)量時(shí)，能夠提升空調(diào)的能效比。

上述試驗(yàn)研究結(jié)果，對(duì)變頻空調(diào)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和邏輯控制具有指導(dǎo)意義。

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Performance Test Research on Inverter Air-conditioning for Railway Vehicles

Wang Zhao

( Guangzhou Dinghan Railway Vehicles Equipment Co., Ltd, Guangzhou, 510260 )

The performance test of double cooling systems in inverter air-conditioning under different working conditions is carried out. The test results show that the energy efficiency ratio of full cooling operation is much larger than half cooling operation. The half cooling operation should be avoided as far as possible. The energy efficiency ratio can be improved when the condensing air flow rate is reduced properly at low ambient temperature. The experimental results are guiding significance to the system design and logic control of inverter air-conditioning.

railway vehicles; inverter air-conditioning; EER; performance test

1671-6612（2018）06-651-05

U270.38+3

A

王 釗（1986-），男，碩士研究生，工程師，從事軌道車(chē)輛空調(diào)設(shè)計(jì)研發(fā)工作，E-mail：wangzhao@ dinghantech.com

2018-02-24