城軌車輛變頻熱泵空調(diào)舒適性及節(jié)能研究

劉忠慶 王彥魯

摘要：依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定了對(duì)比試驗(yàn)程序，對(duì)上海地鐵16號(hào)線的變頻熱泵空調(diào)列車與定速電加熱空調(diào)列車進(jìn)行了冬季靜止采暖測試，分析了變頻熱泵空調(diào)機(jī)組在地鐵車輛上使用的舒適性與節(jié)能效果，可為我國城市軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組的運(yùn)用提供參考。

關(guān)鍵詞：熱泵空調(diào);控溫原理;舒適性;節(jié)能

0? ? 引言

我國城市軌道交通行業(yè)發(fā)展迅速，城軌車輛逐漸成為人們通勤的重要工具。據(jù)統(tǒng)計(jì)，軌道交通車輛用電量占運(yùn)營線路總用電量比重較大，其中以空調(diào)為主的輔助系統(tǒng)能耗約占車輛總能耗的一半[1]，因此，研究軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組能耗試驗(yàn)方法并制定空調(diào)機(jī)組能效指標(biāo)符合我國節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[2]。目前，城軌車輛冬季采暖應(yīng)用較多的是電加熱空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)用熱泵空調(diào)機(jī)組占比較小，為了研究城市軌道交通車輛應(yīng)用變頻熱泵空調(diào)機(jī)組的效果，對(duì)變頻熱泵空調(diào)列車與定速電加熱空調(diào)列車的冬季采暖性能進(jìn)行了測試，分析了變頻熱泵空調(diào)在軌道車輛上使用的舒適性與節(jié)能效果，可以為我國城市軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組的運(yùn)用提供參考。

1? ? 變頻熱泵空調(diào)控溫原理及節(jié)能分析

變頻熱泵型空調(diào)機(jī)組處于采暖模式時(shí)，通過四通換向閥改變制冷劑流向?qū)崿F(xiàn)制冷模式和制熱模式切換，制熱時(shí)，制冷劑依次流過壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置、冷凝器、壓縮機(jī)[3]，冷凝器從車外空氣吸收熱量，蒸發(fā)器向流入車內(nèi)空氣釋放熱量。當(dāng)車內(nèi)溫度低于目標(biāo)溫度下限值時(shí)，壓縮機(jī)就會(huì)升頻，制冷劑流量變大，制熱量也隨之變大，車內(nèi)溫度就會(huì)升高;當(dāng)車內(nèi)溫度高于目標(biāo)溫度上限值時(shí)，壓縮機(jī)就會(huì)降頻，制冷劑流量變小，制熱量也隨之變小，車內(nèi)溫度就會(huì)降低;當(dāng)車內(nèi)溫度與設(shè)定溫度偏差小于限值時(shí)，壓縮機(jī)就維持當(dāng)前頻率繼續(xù)運(yùn)行。變頻熱泵型空調(diào)機(jī)組能量分級(jí)比定速電加熱型空調(diào)機(jī)組更細(xì)致，因此，其控溫準(zhǔn)確性更高、舒適性更好。制熱時(shí)，電加熱型空調(diào)機(jī)組能效比為1，熱泵型空調(diào)機(jī)組名義工況能效比能達(dá)到2以上，雖然熱泵型空調(diào)機(jī)組隨著室外側(cè)溫度降低制熱能效比也會(huì)降低，但即使在室外溫度-20 ℃條件下制熱能效比也能達(dá)到1.3以上[4]，因此，熱泵型空調(diào)機(jī)組更具有節(jié)能優(yōu)勢。

2? ? 試驗(yàn)車輛及試驗(yàn)程序

本文選取了上海地鐵16號(hào)線的兩列車進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，其中一列車安裝變頻熱泵空調(diào)機(jī)組，另一列車安裝定速電加熱空調(diào)機(jī)組，選擇兩列車的1號(hào)車和2號(hào)車進(jìn)行靜止升溫測試、微風(fēng)速測試、開關(guān)門測試[5]，被試車的主要性能參數(shù)如表1所示，兩列車除空調(diào)機(jī)組不同之外，其他視為相同。

裝用變頻熱泵空調(diào)機(jī)組車輛與裝用定速電加熱空調(diào)機(jī)組車輛的1號(hào)車和2號(hào)車車內(nèi)布點(diǎn)方式相同，均參考標(biāo)準(zhǔn)EN 14750-2：2006進(jìn)行溫、濕度測點(diǎn)以及微風(fēng)速測點(diǎn)布置[6]。兩列車進(jìn)行同步試驗(yàn)，車輛及內(nèi)部設(shè)備處于正常狀態(tài)，通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，新風(fēng)門處于同樣開度位置。車輛靜止時(shí)，進(jìn)行空車升溫試驗(yàn)，測定空調(diào)制熱升溫性能及耗電量，車內(nèi)溫度穩(wěn)定后測試車內(nèi)微風(fēng)速，然后保持空調(diào)控制器設(shè)定溫度不變，繼續(xù)進(jìn)行開關(guān)門試驗(yàn)，記錄車內(nèi)溫度及開關(guān)門狀態(tài)。

3? ? 測試結(jié)果及分析

在上海地鐵公司16號(hào)線庫內(nèi)進(jìn)行了靜止升溫測試、微風(fēng)速測試、開關(guān)門測試，并用電表記錄了靜止升溫時(shí)的空調(diào)機(jī)組制熱能耗值。

3.1? ? 靜止升溫測試

試驗(yàn)時(shí)庫內(nèi)平均溫度為7.22 ℃，兩列車同時(shí)進(jìn)行靜止升溫試驗(yàn)，升溫曲線如圖1～4所示。

由圖1～4可知，在同一外部溫度條件下，變頻熱泵空調(diào)列車溫升速率要大于定速電加熱空調(diào)列車，由升溫階段到穩(wěn)定階段時(shí)，變頻熱泵空調(diào)列車車內(nèi)溫度過渡平穩(wěn)，而定速電加熱空調(diào)列車車內(nèi)溫度出現(xiàn)了過高回調(diào)的過程，溫度波動(dòng)相對(duì)較大，在整個(gè)升溫到穩(wěn)定過程中，變頻熱泵空調(diào)列車車內(nèi)溫差比定速電加熱空調(diào)列車要小。兩種類型空調(diào)機(jī)組能耗變化曲線如圖5所示。

從圖5可知，在整個(gè)靜止升溫過程中，變頻熱泵空調(diào)機(jī)組比定速電加熱空調(diào)機(jī)組耗電量少。升溫60 min內(nèi)，實(shí)測定速電加熱空調(diào)機(jī)組耗電39.24 kWh，變頻熱泵空調(diào)機(jī)組耗電26.62 kWh，變頻熱泵空調(diào)機(jī)組節(jié)電32.16%。

3.2? ? 微風(fēng)速測試

車內(nèi)微風(fēng)速測試結(jié)果如表2所示。

從表2測試結(jié)果可以看出，變頻熱泵空調(diào)列車1號(hào)車與2號(hào)車微風(fēng)速變化范圍基本相同，而定速電加熱空調(diào)列車1號(hào)車與2號(hào)車微風(fēng)速變化范圍相差較大，變頻熱泵空調(diào)列車綜合微風(fēng)速變化范圍比定速電加熱空調(diào)列車要小，說明變頻熱泵空調(diào)列車送風(fēng)均勻性較好。

3.3? ? 開關(guān)門測試

依據(jù)EN 14750-1：2006對(duì)兩類空調(diào)列車進(jìn)行10次開關(guān)門測試，開門時(shí)間為20 s，關(guān)門時(shí)間為2 min，測試溫度曲線如圖6～9所示。

由圖6～9分析可知，變頻熱泵空調(diào)列車能夠較快平衡開門給車內(nèi)降溫帶來的影響，保持車內(nèi)溫度的穩(wěn)定性;此外，變頻熱泵空調(diào)列車車內(nèi)溫差較定速電加熱空調(diào)列車更小，說明溫度均勻性較好。

4? ? 結(jié)語

通過對(duì)上海地鐵16號(hào)線選定的兩列車進(jìn)行靜止升溫測試、微風(fēng)速測試、開關(guān)門測試這三方面比較，說明變頻熱泵空調(diào)機(jī)組對(duì)車內(nèi)舒適性的調(diào)控效果要優(yōu)于定速電加熱空調(diào)機(jī)組，且具有一定的節(jié)電潛能?？紤]到熱泵空調(diào)機(jī)組隨著外溫降低能效比會(huì)變小且需要除霜的問題，建議對(duì)于冬季氣溫較高的南方地區(qū)，可以選擇熱泵空調(diào)機(jī)組進(jìn)行供暖;對(duì)于冬季氣溫較低的北方地區(qū)，可以選擇熱泵空調(diào)機(jī)組與電加熱混合供暖，這樣有利于提高車輛舒適性以及節(jié)能效果。

[參考文獻(xiàn)]

[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，2014，33（1）：33-36.

[2] 劉忠慶，歐陽仲志，王彥魯，等.軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組能耗試驗(yàn)方法研究[J].鐵道車輛，2019，57（8）：5-8.

[3] 李穎明，李躍中.熱泵技術(shù)在地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用可行性分析[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2009，32（3）：45-47.

[4] 王興江.低溫?zé)岜眉夹g(shù)在軌道車輛空調(diào)上的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2011，40（7）：165-168.

[5] 鐵路應(yīng)用 城市和郊區(qū)鐵路車輛用空調(diào) 第1部分：舒適度參數(shù)：EN 14750-1：2006[S].

[6] 鐵路應(yīng)用 城市和郊區(qū)鐵路車輛用空調(diào) 第2部分：型式試驗(yàn)：EN 14750-2：2006[S].

收稿日期：2020-01-02

作者簡介：劉忠慶（1985—），男，黑龍江克東人，工程師，研究方向：軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組能耗。