重慶軌道交通1 號(hào)線車輛空調(diào)變頻改造及節(jié)能試驗(yàn)研究

劉炬，畢林，張曉偉，王磊，趙東槐

（1.重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 401120；2.山東朗進(jìn)科技股份有限公司，山東 青島 266000）

隨著國(guó)家“十四五”規(guī)劃的推出，碳達(dá)峰和碳中和被列為了我國(guó)未來(lái)幾年發(fā)展的重要目標(biāo)，降低公共交通能耗，是達(dá)成該目標(biāo)的有效手段之一。隨著近年來(lái)軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，乘坐軌道交通出行已成為廣大市民踐行綠色出行理念的首選方式，軌道交通地鐵車輛實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展同樣也是其發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。軌道交通的主系統(tǒng)設(shè)備用電能耗包括車輛、牽引供電系統(tǒng)等，其中列車的能耗占總能耗的50%~60%，而列車輔助系統(tǒng)能耗約占列車總能耗的30%~40%，這其中空調(diào)系統(tǒng)的能耗則占輔助系統(tǒng)能耗的絕大部分，因此空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降耗對(duì)車輛運(yùn)營(yíng)的節(jié)能有重要的意義。空調(diào)變頻節(jié)能技術(shù)在家用及商用空調(diào)領(lǐng)域已得到了充分的應(yīng)用和驗(yàn)證，近年也越來(lái)越多地被應(yīng)用在軌道車輛空調(diào)領(lǐng)域。從理論上分析，變頻空調(diào)因其制冷量的輸出可調(diào)節(jié)的特性，應(yīng)用在軌道車輛上不僅節(jié)能同時(shí)也更加舒適。為更進(jìn)一步地論證變頻空調(diào)在軌道車輛上的應(yīng)用效果，上海、長(zhǎng)春、深圳和廣州等地均進(jìn)行了變頻空調(diào)正線運(yùn)營(yíng)的測(cè)試分析，測(cè)試結(jié)果表明，變頻空調(diào)相較于定頻空調(diào)均有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)以及溫控穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)。

本文以重慶市軌道交通1 號(hào)線作為研究對(duì)象，分別選取定頻空調(diào)列車和變頻空調(diào)列車各2 列，通過(guò)加裝電能表，在經(jīng)歷了一個(gè)較完整的制冷季節(jié)運(yùn)營(yíng)測(cè)試后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)及分析。重慶市軌道交通1 號(hào)線是重慶市軌道交通線網(wǎng)中東西方向的一條骨干線路，也是重慶市第一條地鐵線路。該線路于2011 年7 月28 日開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)，全線路露天長(zhǎng)度約為23.9km，地下（含隧道）長(zhǎng)度約為21.4km，使用6 節(jié)編組B 型列車，全線路購(gòu)買的列車均使用定頻空調(diào)，在2021 年車輛大修期間將個(gè)別列車空調(diào)更新為變頻控制方式，用于定頻空調(diào)和變頻空調(diào)的對(duì)比研究。

1 變頻及定頻空調(diào)控制原理分析

重慶地鐵1 號(hào)線地鐵車輛定頻空調(diào)具備通風(fēng)、半冷、全冷3個(gè)檔位，通過(guò)控制空調(diào)2 臺(tái)壓縮機(jī)的啟動(dòng)和停止來(lái)實(shí)現(xiàn)，半冷檔位啟動(dòng)1 臺(tái)壓縮機(jī)，全冷檔位啟動(dòng)2 臺(tái)壓縮機(jī)，定頻空調(diào)運(yùn)行示意圖，如圖1 所示，左側(cè)K 線表示溫度上升控制方式，右側(cè)K 線表示溫度下降控制方式。一方面，壓縮機(jī)的啟動(dòng)和停止會(huì)有一定的開(kāi)關(guān)損耗，另一方面，為保證壓縮機(jī)潤(rùn)滑油的回油量，壓縮機(jī)啟動(dòng)3min 左右后方能停止。

圖1 定頻空調(diào)運(yùn)行示意圖

變頻空調(diào)的控制，其主要是基于空調(diào)智能控制系統(tǒng)及時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，當(dāng)客車內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度值時(shí)，控制壓縮機(jī)降頻，并維持在低頻運(yùn)行狀態(tài)（低頻狀態(tài)功耗降低），此時(shí)空調(diào)機(jī)組輸出適當(dāng)?shù)闹评淞?，將客車?nèi)溫度維持在設(shè)定值。根據(jù)變頻壓縮機(jī)的特性，在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，壓縮機(jī)的容積效率提高，而且單位時(shí)間內(nèi)排出的制冷劑減少，冷凝器和蒸發(fā)器的面積相對(duì)增大，此時(shí)的空調(diào)制冷效率提高，即空調(diào)能效比提高，用電量減少。同時(shí)，因壓縮機(jī)停機(jī)次數(shù)減少，避免了壓縮機(jī)的開(kāi)關(guān)損耗，進(jìn)一步降低了空調(diào)的運(yùn)行能耗。變頻空調(diào)運(yùn)行示意圖，如圖2 所示。

圖2 變頻空調(diào)運(yùn)行示意圖

城市軌道交通車輛在實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)，高低峰時(shí)期乘客量的變化、線路地面地下的變化以及車輛到站開(kāi)關(guān)門行為，均會(huì)引起客室熱負(fù)荷的變化，從控制方式上分析，變頻空調(diào)在節(jié)能上有一定優(yōu)勢(shì)。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)試驗(yàn)車輛空調(diào)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，針對(duì)變頻空調(diào)與定頻空調(diào)從7~9 月份（環(huán)境平均高溫31℃，平均低溫24℃）進(jìn)行長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)跟車測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要包括溫度控制以及2 種型式空調(diào)的耗電量統(tǒng)計(jì)。試驗(yàn)過(guò)程中，分別選取裝有定頻空調(diào)和變頻空調(diào)的車輛各2 列，安裝能耗記錄儀記錄空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行能耗，并跟車測(cè)試車廂內(nèi)溫度。

首先記錄7~9 月重慶環(huán)境統(tǒng)計(jì)曲線如圖3。由圖中可看出，在7~9 月這段時(shí)間，重慶當(dāng)?shù)氐臍鉁鼗驹?0℃左右，在7 月底~8 月初這段時(shí)間氣溫達(dá)到最高的40℃，而進(jìn)入8~9 月份期間，因降雨天氣較多，室外環(huán)境溫度有較大的波動(dòng)。

圖3 制冷季空調(diào)運(yùn)行環(huán)境溫度曲線

3 車廂內(nèi)溫度測(cè)試

在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)溫度記錄儀進(jìn)行跟車測(cè)試，記錄車廂內(nèi)外的溫度波動(dòng)，通過(guò)對(duì)比同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)配置變頻空調(diào)與定頻空調(diào)的不同列車內(nèi)溫度波動(dòng)范圍，判定車內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。

本文隨機(jī)選取某一天相同時(shí)間段的車內(nèi)溫度記錄數(shù)據(jù)，得出溫度變化曲線，如圖4 所示。

圖4 某運(yùn)行時(shí)段車廂溫度曲線

通過(guò)圖4 可以看出，當(dāng)因外部環(huán)境引起車廂內(nèi)溫度波動(dòng)時(shí)，變頻空調(diào)車廂相對(duì)于定頻空調(diào)車廂，溫度的調(diào)節(jié)更平緩、舒適度高，而定頻空調(diào)車廂內(nèi)溫度上下浮動(dòng)溫差相對(duì)較大，此時(shí)乘客容易感到溫度忽高忽低，車廂內(nèi)舒適度相對(duì)較低。

從原理上分析，變頻空調(diào)根據(jù)車廂內(nèi)制冷量的需求調(diào)整壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)輸出的制冷量與車廂內(nèi)負(fù)荷的相對(duì)匹配，從而實(shí)現(xiàn)將客室溫度維持在設(shè)定溫度±1℃范圍內(nèi)的需求。在車內(nèi)人員較少或氣溫較低時(shí)，壓縮機(jī)維持低頻運(yùn)行，既能穩(wěn)定車廂溫度，保證乘客乘車舒適度，同時(shí)也達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。定頻空調(diào)靠壓縮機(jī)的啟?？刂苼?lái)實(shí)現(xiàn)輸出制冷量的調(diào)節(jié)，輸出的制冷量并不連續(xù)，在車廂內(nèi)負(fù)荷變化時(shí)，勢(shì)必出現(xiàn)壓縮機(jī)頻繁啟停的現(xiàn)象，導(dǎo)致車廂內(nèi)溫度產(chǎn)生較大波動(dòng)。

4 車輛空調(diào)耗電量對(duì)比

因?qū)嶒?yàn)車輛均在同一條線路中，車廂內(nèi)設(shè)定溫度相同，整體外部運(yùn)營(yíng)環(huán)境相同（車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)刻和區(qū)段可能略有不同，但通過(guò)3個(gè)月的運(yùn)營(yíng)周期對(duì)結(jié)果的影響可忽略不計(jì)）。通過(guò)記錄7、8、9 月近90 天的變頻空調(diào)和定頻軌道空調(diào)耗電量和運(yùn)營(yíng)里程，得出變頻空調(diào)和傳統(tǒng)定頻空調(diào)的耗電量統(tǒng)計(jì)表。從數(shù)據(jù)可以看出，相對(duì)于定頻空調(diào)，變頻空調(diào)的綜合平均節(jié)電率為31.42%。一列6 編組車輛，就空調(diào)而言，平均每公里節(jié)電量0.657kW·h。耗電量如表1 所示。

表1 不同型式空調(diào)數(shù)據(jù)對(duì)比

筆者在分析3個(gè)月的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)過(guò)程中，不僅橫向比較了軌道車輛變頻空調(diào)和定頻空調(diào)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也對(duì)不同時(shí)間、不同氣溫下的節(jié)電數(shù)據(jù)做了縱向的比較。對(duì)比在不同天氣溫度下的節(jié)電率數(shù)據(jù)如表2 所示，可以看出：當(dāng)氣溫處于36~40℃時(shí)節(jié)電率最低，隨著室外環(huán)境溫度的降低，節(jié)電率則逐漸升高。當(dāng)環(huán)境氣溫較高時(shí)，變頻空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)行高頻的時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)比定頻空調(diào)節(jié)電率相對(duì)較低。而當(dāng)環(huán)境氣溫低時(shí)，車輛的新風(fēng)負(fù)荷減小，變頻空調(diào)的壓縮機(jī)可以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)以低頻運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)比定頻空調(diào)的節(jié)電優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮，因此節(jié)電率更高。

表2 不同氣溫下空調(diào)節(jié)電數(shù)據(jù)對(duì)比

5 節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益分析

按照重慶1 號(hào)線線路每列列車在制冷季7、8、9 月份可運(yùn)行4.5 萬(wàn)km 計(jì)算，若全線共53 列列車均采用變頻空調(diào)，則可比使用原定頻空調(diào)在3個(gè)月中直接節(jié)省電能156.7 萬(wàn)kW·h。根據(jù)目前軌道運(yùn)營(yíng)商電價(jià)0.7 元/kWh計(jì)算，全線53 列列車均采用變頻空調(diào)，在7、8、9 月份可直接節(jié)省約109.69 萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

由于試驗(yàn)存有一定的局限性，節(jié)能效果不一定很準(zhǔn)確，且在實(shí)際營(yíng)運(yùn)中，隨載客量的不同，節(jié)能效率也會(huì)有一定波動(dòng)，但試驗(yàn)結(jié)果依然能夠證明通過(guò)分別選取使用定頻和變頻空調(diào)列車各2 列，試驗(yàn)驗(yàn)證在重慶1 號(hào)線的線路條件下，3個(gè)月中變頻空調(diào)相對(duì)于原定頻空調(diào)具有明顯的節(jié)能效果，可降低地鐵車輛的運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)，地鐵車輛變頻機(jī)組對(duì)客室溫度的控制優(yōu)于定頻空調(diào)機(jī)組，提高了地鐵車輛客室的舒適性，為軌道車輛空調(diào)機(jī)組節(jié)能和舒適性研究在重慶地區(qū)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。