北京地鐵首都機(jī)場線采用變頻熱泵車輛空調(diào)應(yīng)用研究

程曉軍1，王紳宇，蔣政言，馮鈞杰，亓海明

(1.北京京城地鐵有限公司，北京 101300；2.山東朗進(jìn)科技股份有限公司，山東 青島 266071)

1 概述

北京地鐵首都機(jī)場線是一條連接北京首都國際機(jī)場與東直門交通樞紐的軌道客運(yùn)專線，機(jī)場線全長27.3 km，除3號(hào)航站樓站外其余均為地下站(路線見圖1)，采用4節(jié)編組L型列車，北京地鐵首都機(jī)場線最高速度可達(dá)110 km/h，日均客運(yùn)量已超3萬余人次，為首都機(jī)場及北京市區(qū)提供大運(yùn)量的客運(yùn)服務(wù)。北京城市總體規(guī)劃(2016年-2035年)提出，“提升北京首都國際機(jī)場陸側(cè)交通通道能力”。為達(dá)到這一要求，北京市發(fā)改委配合各有關(guān)部門，啟動(dòng)了提升機(jī)場線服務(wù)水平項(xiàng)目建設(shè)工作，主要包括：機(jī)場線城市值機(jī)改造、機(jī)場線增購車輛、機(jī)場線車輛段改造和機(jī)場線西延工程。

為了響應(yīng)國家“十三五”關(guān)于節(jié)能減排的號(hào)召，需要在項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)針對節(jié)能減排設(shè)計(jì)做出變更，空調(diào)系統(tǒng)作為地鐵車輛的重要組成部分，其能耗約占整車能耗的30%，屬于耗電大戶。同時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)對列車廂內(nèi)環(huán)境空氣的溫度、濕度、潔凈度、流速等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制來營造舒適性車廂環(huán)境，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響整車的通風(fēng)系統(tǒng)，從而進(jìn)一步影響乘客的舒適性，為提高乘客的舒適性，推動(dòng)車輛的節(jié)能減排及后續(xù)的維保工作的順利開展，機(jī)場線增購項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)將進(jìn)行全面的升級(jí)，將原有的定頻單冷空調(diào)機(jī)組更換為變頻熱泵空調(diào)機(jī)組[1]。

圖1 首都機(jī)場線運(yùn)行圖

2 空調(diào)系統(tǒng)更改方案

首都機(jī)場線原本采用的是傳統(tǒng)軌道項(xiàng)目常用的定頻單冷空調(diào)機(jī)組，冬季采用客室電加熱配合空調(diào)內(nèi)的新風(fēng)預(yù)熱器進(jìn)行客室內(nèi)的制熱，此方案空調(diào)機(jī)組只有制冷能力，通過控制壓縮機(jī)啟停進(jìn)行制冷量調(diào)節(jié)，對于大客流下具有一定的優(yōu)勢，但是在潮汐式客流下無法進(jìn)行有效的反饋，會(huì)導(dǎo)致客室內(nèi)溫度波動(dòng)較大，整體舒適性差，而且壓縮機(jī)的頻繁啟停會(huì)導(dǎo)致部件壽命降低。機(jī)場線增購項(xiàng)目，采用行業(yè)內(nèi)先進(jìn)的變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)，冬季通過熱泵空調(diào)制熱，極端天氣下通過電加熱配合制熱，變頻熱泵空調(diào)技術(shù)在軌道行業(yè)內(nèi)屬于先進(jìn)技術(shù)，空調(diào)具備夏季制冷及冬季熱泵制熱的功能，通過控制壓縮機(jī)等部件的工作頻率進(jìn)行對制冷量的調(diào)節(jié)，客流量較大或溫度較高時(shí)運(yùn)行較高頻率可達(dá)到快速制冷的目的，溫度較低或客流量較小時(shí)可運(yùn)行較低頻率維持客室內(nèi)的溫度，減小溫度波動(dòng)，使乘坐舒適性更好，同時(shí)減少壓縮機(jī)的啟停次數(shù)，增加了部件壽命同時(shí)，也有利于節(jié)能減排。

3 變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展趨勢

國內(nèi)從2005年開始進(jìn)行車輛變頻空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)研究，目前已在上海、深圳、重慶、廣州等城市地鐵車輛運(yùn)用了AC380 V變頻(熱泵)空調(diào)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)定頻空調(diào)系統(tǒng)相比平均節(jié)電20%以上。同時(shí)，從2013年開始，DC600 V直進(jìn)變頻空調(diào)技術(shù)在廣州、江蘇、青島、北京等地區(qū)有軌電車上研究試裝。

北京市作為我國軌道行業(yè)發(fā)展最早的城市，目前地鐵車輛大部分采用AC380V供電定頻空調(diào)。在本項(xiàng)目改造前期變頻熱泵空調(diào)也已經(jīng)在多個(gè)項(xiàng)目上進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證線路包括北京地鐵八號(hào)線，北京地鐵燕房線等。通過不同項(xiàng)目上進(jìn)行的定頻變頻之間的對照，可以明顯看出變頻機(jī)組在節(jié)能減排及舒適性上較定頻空調(diào)有突出表現(xiàn)。

4 方案設(shè)計(jì)

4.1 變頻空調(diào)方案

變頻空調(diào)方案是基于傳統(tǒng)的雙壓機(jī)定頻機(jī)組方案，將傳統(tǒng)方案中的定頻壓縮機(jī)組更換為可調(diào)節(jié)排氣量的變頻壓縮機(jī)，配合增加對應(yīng)的變頻器及控制器進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，可實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)頻率的無級(jí)調(diào)節(jié)，保證實(shí)時(shí)輸出的制冷量可以適配當(dāng)前客室內(nèi)的需求。變頻空調(diào)機(jī)組在冷量需求較小的時(shí)候可降低壓縮機(jī)的輸出功率，保持低頻運(yùn)轉(zhuǎn)，相較定頻空調(diào)壓縮機(jī)定頻運(yùn)轉(zhuǎn)及頻繁的啟停，降低了耗電量，同時(shí)減少了壓縮機(jī)的損耗，延長了使用壽命。同時(shí)變頻空調(diào)機(jī)組通過增加溫度傳感器，通過檢測到的客室內(nèi)、外溫度，自動(dòng)計(jì)算并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)室內(nèi)的設(shè)定溫度，無需人工參與，更適配首都機(jī)場線的全自動(dòng)駕駛的方案。詳細(xì)對照如表1所示。

表1 變頻與定頻機(jī)組對照

變頻控制技術(shù)是成熟可靠的電機(jī)節(jié)能控制技術(shù)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)行業(yè)得到了大批量應(yīng)用。變頻空調(diào)技術(shù)在家用空調(diào)行業(yè)也已經(jīng)進(jìn)行了大量的推廣，已經(jīng)被大眾所接受。

4.2 熱泵制熱方案

我國幅員遼闊，目前已有或在建、規(guī)劃城軌項(xiàng)目的城市處于的氣候類型有：嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)等。通過國家氣象局的網(wǎng)站查詢到的北京地區(qū)的平均溫度分布，北京地區(qū)的氣候?yàn)榈湫偷呐瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。以2018年為例，溫度最低月為1月：-8 ℃～1 ℃，溫度最高在7月，平均溫度為22 ℃～31 ℃。極端最低零下27.4 ℃，極端最高42 ℃以上，其溫度分布如圖2所示。

通過對北京地區(qū)的平均溫度分析，北京地區(qū)應(yīng)歸屬于夏熱冬冷地區(qū)，由于冬季平均最低氣溫不低于-15 ℃，完全適合熱泵空調(diào)機(jī)組的運(yùn)營，北京地區(qū)冬季過渡季節(jié)較長，極端冷天氣較短，由于過渡季節(jié)熱泵的能效比高，節(jié)能效果比較明顯，因此在過渡季節(jié)使用熱泵機(jī)組既可提高舒適性，又可大幅節(jié)能。

圖2 北京地區(qū)月平均氣溫

首都機(jī)場線兼具地上與地下線路，且地上線路較長，受室外溫度的影響較大，為保證冬季的正常運(yùn)行，并保證乘坐的舒適性，首都機(jī)場線需具備冬季制熱需求，且較適合采用熱泵機(jī)組加輔助電加熱方案。常規(guī)地鐵多采用的客室內(nèi)座椅下方設(shè)置電加熱的方案，由于冬季北京室外溫度較低，且電加熱器的熱量輻射范圍有限，容易造成客室內(nèi)加熱范圍不均勻，且受開關(guān)門影響較大，在地上站點(diǎn)時(shí)開門將導(dǎo)致車內(nèi)溫度迅速散失，室內(nèi)溫度波動(dòng)較大，影響乘客的乘坐舒適性。

首都機(jī)場線增購車輛空調(diào)系統(tǒng)采用的熱泵空調(diào)機(jī)組，通過四通換向閥將制冷狀態(tài)下空調(diào)的冷凝器與蒸發(fā)器互換，原來制冷工作蒸發(fā)器的室內(nèi)盤管變成制熱時(shí)的冷凝器，這樣制冷系統(tǒng)在室外吸熱向室內(nèi)放熱，實(shí)現(xiàn)制熱的目的。

采用熱泵制熱方案，可實(shí)現(xiàn)冬季快速制熱，且配合整車風(fēng)道，可以將熱量均勻地送到車廂內(nèi)的每個(gè)角落，保證整車的溫度分布比較均勻。同時(shí)，由于風(fēng)道持續(xù)送風(fēng)，受開關(guān)門的影響較小。車內(nèi)溫度較高且較平穩(wěn)，乘坐舒適性較好。

5 對比分析

5.1 節(jié)能效果對比

空調(diào)系統(tǒng)作為軌道車輛上的用電大戶，總耗電量約占車輛耗電量的30%，其節(jié)電率受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)定頻空調(diào)由于在各種工況下，壓縮機(jī)只能以固定頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，且頻繁啟停，導(dǎo)致電能損失較大，變頻空調(diào)通過壓縮機(jī)頻率的無級(jí)調(diào)節(jié)，可在低負(fù)荷情況下低頻運(yùn)轉(zhuǎn)，減少壓縮機(jī)的啟停損耗。同時(shí)，將客室內(nèi)的溫度維持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，更貼近設(shè)定溫度，通過合理的控制可有效地降低功耗。

根據(jù)理論分析，變頻空調(diào)的節(jié)電率隨外界氣溫變化而變化。制冷模式下，在春、秋季及過渡季節(jié)較低的外界氣溫工況下，變頻空調(diào)能效比高，總用電量相對較少，節(jié)電率相對較高，夏季高溫工況下，變頻空調(diào)能效比較低，總用電量相對較大，節(jié)電率相對降低，但制冷效果較好，可在較高外部環(huán)境溫度下正常制冷。冬季制熱工況下，相比較與能效比為1的傳統(tǒng)電加熱制熱方式(即1 kW電能轉(zhuǎn)化為1 kW熱能)，熱泵空調(diào)機(jī)組制熱能效比為約為1.8(即1 kW電能可轉(zhuǎn)化為1.8 kW熱能)，節(jié)電率相對較高。

國內(nèi)多個(gè)城市已進(jìn)行過相關(guān)變頻空調(diào)與定頻空調(diào)間的節(jié)電率對照，如廣州、深圳、上海、北京等。測量方法為選取相同線路上的列車進(jìn)行對照，在變頻空調(diào)機(jī)組與定頻空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)相同、每日運(yùn)營的里程時(shí)長及運(yùn)營時(shí)間段等保持基本一致的情況下，通過單獨(dú)安裝的電能表監(jiān)測空調(diào)系統(tǒng)的能耗，提取有效數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算。此種方法可得到最準(zhǔn)確的節(jié)能數(shù)據(jù)。

以北京地鐵八號(hào)線為例，其與首都機(jī)場線運(yùn)行條件相似，均為地上運(yùn)行線路，且八號(hào)線所使用的空調(diào)系統(tǒng)包含變頻與定頻兩種型式，通過八號(hào)線上的參數(shù)對照，就可以清晰地看出變頻空調(diào)的節(jié)能效果。具體監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

將實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后可以得出結(jié)論，六編組變頻空調(diào)車輛(0840 車)單列車空調(diào)機(jī)組平均每公里耗電量1.16 kWh，六編組定速空調(diào)車輛(0841車)單列車空調(diào)機(jī)組平均每公里耗電量 1.45 kWh。綜合節(jié)電率為19.98%對比于傳統(tǒng)定頻空調(diào)，制冷工況下變頻空調(diào)平均節(jié)電率約為20%；而在制熱工況下，常規(guī)電加熱制熱，其能效約等于1.0(1 kW電能轉(zhuǎn)化為1 kW熱能)，而熱泵空調(diào)能效至少在2.1 kW以上，通過簡單計(jì)算即可得到制熱工況下熱泵空調(diào)平均節(jié)電率在50%以上。所以采用變頻熱泵空調(diào)是貼合國家“十三五”規(guī)劃的節(jié)能減排，低碳環(huán)保的目標(biāo)。

圖3 北京地鐵八號(hào)線能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5.2 舒適性對比

定頻空調(diào)機(jī)組控制邏輯較為簡單，通過壓縮機(jī)的啟停來控制客室內(nèi)的溫度，在壓縮機(jī)運(yùn)行期間，空調(diào)機(jī)組持續(xù)輸出最大制冷量。當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定點(diǎn)時(shí)，機(jī)組內(nèi)兩臺(tái)壓縮機(jī)逐臺(tái)關(guān)閉，可進(jìn)行兩檔制冷量調(diào)節(jié)，但是為了保證壓縮機(jī)的可持續(xù)運(yùn)行，常規(guī)定頻機(jī)組需要每次壓縮機(jī)啟動(dòng)后至少運(yùn)行4 min，且停機(jī)后再次運(yùn)行至少需要3 min的緩沖，這樣會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行、停止時(shí)間過長，客室內(nèi)溫度波動(dòng)較大，而且這樣的調(diào)節(jié)方式無法做到快速響應(yīng)，在溫度變化較大或載員數(shù)量變化較大時(shí)會(huì)造成客室內(nèi)忽冷忽熱的感覺，會(huì)降低乘客的乘坐舒適度。且冬季采用客室電加熱方式制熱，升溫速率較低且受開關(guān)門影響較大，溫度很難達(dá)到并保持在設(shè)定溫度。

變頻空調(diào)機(jī)組內(nèi)設(shè)有溫度傳感器，可精確識(shí)別當(dāng)前客室內(nèi)及外界的溫度變化，并可以通過接收載荷信號(hào)了解客室內(nèi)人員數(shù)量的變化，并將信息實(shí)時(shí)反饋給空調(diào)控制器，可隨時(shí)對空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)做出調(diào)整。需要的制冷量較大時(shí)壓縮機(jī)高頻運(yùn)轉(zhuǎn)，保證足夠的冷量(熱量)輸出；當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度，或乘員減少時(shí)，壓縮機(jī)可低頻維持運(yùn)轉(zhuǎn)，將客室溫度維持在設(shè)定溫度，整體波動(dòng)較小。不論是制冷還是制熱工況下，受到開關(guān)門或乘員變化影響，變頻空調(diào)機(jī)組可快速調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率，實(shí)現(xiàn)快速制冷(制熱)的目的，增強(qiáng)乘坐的舒適性。

同樣以北京地鐵八號(hào)線為例，在相同的運(yùn)行條件下，隨機(jī)抽取某天的車廂內(nèi)溫度跟車記錄數(shù)據(jù)，由于環(huán)境溫度處于變化過程，針對車廂內(nèi)實(shí)測溫度通過定時(shí)對比得結(jié)果如圖4所示。

圖4中兩條曲線分別代表了搭載變頻與定頻空調(diào)機(jī)組的列車車廂內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度，通過分析以上溫度數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論：搭載變頻空調(diào)的列車，車廂內(nèi)溫度多處于平穩(wěn)曲線階段，溫度波動(dòng)范圍??；搭載定速空調(diào)的列車，車廂內(nèi)溫度曲線有局部波動(dòng)較大，相比之下，變頻空調(diào)車輛溫度控制更為精確。

圖4 北京地鐵八號(hào)線車廂內(nèi)溫度變化圖

通過實(shí)驗(yàn)表明，變頻空調(diào)機(jī)組通過變頻控制可以降低客室內(nèi)溫度波動(dòng)，并受外界溫度變化及開關(guān)門變化影響較小，綜合舒適性優(yōu)于傳統(tǒng)定頻空調(diào)機(jī)組。

5.3 可維護(hù)性分析

5.3.1 原空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)

首都機(jī)場線增購項(xiàng)目變頻空調(diào)機(jī)組沿用之前空調(diào)機(jī)組的外型方案，空調(diào)尺寸及接口方案與之前保持一致，同時(shí)在結(jié)構(gòu)可維護(hù)性上進(jìn)行了提升，原定頻空調(diào)機(jī)組外型如圖5所示。

圖5 原空調(diào)機(jī)組外型圖片

1)更改前的空調(diào)機(jī)組，頂部由兩塊大頂蓋組成，分別覆蓋室外腔及室內(nèi)腔，材質(zhì)為玻璃鋼材質(zhì)，由于蓋板體積較大，重量較重，在檢修內(nèi)部部件時(shí)需要至少2個(gè)人才能抬起，對于空調(diào)機(jī)組的日常檢修及維護(hù)造成一定的難度。

2)冷凝風(fēng)機(jī)安裝在室外蓋板之下，影響冷凝風(fēng)的氣流組織，不利于室外冷凝器散熱，會(huì)導(dǎo)致整體空調(diào)性能的下降。

5.3.2 變頻機(jī)組空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)

更改后的空調(diào)機(jī)組，通過收集匯總?cè)粘＿\(yùn)營數(shù)據(jù)后做出對應(yīng)調(diào)整，外型圖如圖6所示。

圖6 變頻空調(diào)機(jī)組外型圖片

1)頂部蓋板由兩塊大蓋板更換為多塊小蓋板，材質(zhì)為鋁合金，減輕重量的同時(shí)可在檢修時(shí)針對性的打開對應(yīng)的蓋板，且蓋板有鉸鏈鏈接，并內(nèi)置支撐桿，可在檢修時(shí)保持開啟狀態(tài)，減少檢修時(shí)的麻煩。

2)冷凝風(fēng)機(jī)上不再被蓋板覆蓋，可單獨(dú)檢修，冷凝風(fēng)機(jī)采用鉸鏈及螺栓固定，檢修方便；冷凝風(fēng)機(jī)兩側(cè)小蓋板為壓縮機(jī)位置，也可以單獨(dú)維護(hù)。

3)冷凝風(fēng)機(jī)無蓋板覆蓋，增大出風(fēng)面積，優(yōu)化冷凝器蓋板風(fēng)口結(jié)構(gòu)形式，可優(yōu)化室外側(cè)的氣流組織，提升進(jìn)出風(fēng)量，整體提高室外側(cè)的換熱效率，帶來空調(diào)性能的整體提升。

5.3.3 空調(diào)機(jī)組可靠性對比

相比較于傳統(tǒng)定頻機(jī)組，變頻空調(diào)機(jī)組內(nèi)增加了變頻器、傳感器及電子膨脹閥等電子器件，增加的器件帶來的就是增加的故障風(fēng)險(xiǎn)。為確保變頻空調(diào)機(jī)組能可靠運(yùn)行，在項(xiàng)目進(jìn)行初期就對國內(nèi)多個(gè)城市的變頻空調(diào)線路進(jìn)行調(diào)研。

通過調(diào)研國內(nèi)多個(gè)具有變頻空調(diào)線路的城市的運(yùn)營數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)定頻空調(diào)機(jī)組的平均無故障運(yùn)行公里數(shù)約為45萬km，變頻空調(diào)機(jī)組內(nèi)雖然增加了部分電子器件，但是在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了器件的安全性和可靠性，所以在安裝方式和位置的選擇上就遵循了防水防塵，利于散熱，利于檢修的設(shè)計(jì)思路，從根本上降低電子部件故障的幾率。同時(shí)，由于采用變頻控制，壓縮機(jī)及風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)采用柔性啟動(dòng)，啟動(dòng)電流從零開始，減少干擾和沖擊帶來的故障因素。提高空調(diào)系統(tǒng)的整體可靠性，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以上城市變頻空調(diào)機(jī)組的平均無故障運(yùn)行時(shí)間約為60萬km，總體可靠性數(shù)據(jù)優(yōu)于傳統(tǒng)定頻空調(diào)。

6 結(jié)語

通過空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)，首都機(jī)場線可以為廣大乘客提供更舒適的出行服務(wù)，同時(shí)也能響應(yīng)國家“十三五”規(guī)劃關(guān)于節(jié)能減排的號(hào)召，將改變落在實(shí)處，從源頭著手優(yōu)化車輛能源管理，促進(jìn)我國軌道交通車輛節(jié)能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[2]。