基于地鐵車輛定頻和變頻空調(diào)能耗及舒適性研究

章賀磊， 薛世城

（鄭州地鐵集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著地球能源越來越緊缺，如何節(jié)能已經(jīng)成為一個國家經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所面臨的重要問題。地鐵列車的電能消耗主要由牽引、空調(diào)、照明、控制系統(tǒng)組成，而空調(diào)的能耗占1/4 左右，僅低于牽引系統(tǒng)[1]。因此，對地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的研究具有很重要的意義。

目前，地鐵列車使用的空調(diào)有定頻和變頻兩種，變頻空調(diào)利用變頻控制器來控制壓縮機(jī)和冷凝風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的快慢，低負(fù)荷時壓縮機(jī)以低速運(yùn)轉(zhuǎn)，不需要反復(fù)啟?？刂疲艽蟪潭壬瞎?jié)省了空調(diào)的耗電量。為了研究列車變頻空調(diào)在節(jié)能和舒適方面的可靠性，主要對地鐵列車定頻和變頻空調(diào)的能耗以及乘坐時客室溫度舒適性進(jìn)行了試驗對比。

1 定頻、變頻空調(diào)工作原理

目前，城市軌道交通車輛使用的空調(diào)分為定頻和變頻兩種形式，列車空調(diào)系統(tǒng)主要包括空調(diào)控制器和空調(diào)機(jī)組，空調(diào)機(jī)組主要包括壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器、干燥過濾器、離心風(fēng)機(jī)、溫度傳感器、新風(fēng)和回風(fēng)閥門等部件。空調(diào)系統(tǒng)的制冷原理：低溫低壓的制冷劑液體吸收混合風(fēng)的熱量對空氣進(jìn)行冷凝，制冷劑本身變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍怏w，該氣體通過管路進(jìn)入壓縮機(jī)，通過壓縮機(jī)變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w進(jìn)入冷凝器，冷凝風(fēng)機(jī)對冷凝器中的冷凝劑和空氣進(jìn)行熱交換，將冷凝劑變?yōu)槌馗邏旱囊后w進(jìn)入毛細(xì)管變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊后w輸送到蒸發(fā)器，進(jìn)而實現(xiàn)制冷循環(huán)[2]。

1.1 定頻空調(diào)

定頻空調(diào)機(jī)組采用交流電機(jī)，在自動控制方式下，其電源的電壓和頻率是固定的，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變，依靠壓縮機(jī)的啟動和停止來實現(xiàn)其運(yùn)動過程中制冷量的調(diào)節(jié)[3]。這種控制方式一方面降低了空調(diào)機(jī)組使用壽命，另一方面導(dǎo)致車廂內(nèi)環(huán)境溫度波動比較大，形成悶熱潮濕環(huán)境，很大程度上降低了乘客的舒適性。

1.2 變頻空調(diào)

變頻空調(diào)機(jī)組在內(nèi)部增加了變頻裝置，在自動控制調(diào)節(jié)下，壓縮機(jī)自動進(jìn)行無機(jī)變速，通過改變其電源工作頻率、轉(zhuǎn)速和排氣量的方式來進(jìn)行制冷量的調(diào)節(jié)[4]。這種方式當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，通過壓縮機(jī)低功率運(yùn)作實現(xiàn)不停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)恒溫控制，可提高乘客舒適度。

2 空調(diào)能耗試驗和數(shù)據(jù)分析

2.1 實驗車型及機(jī)組參數(shù)

本次實驗選擇鄭州地鐵9 號線0927 車，該車為6 節(jié)編組，每個車廂安裝有2 臺空調(diào)機(jī)組和1 個控制柜，每個控制柜單獨(dú)控制本節(jié)車廂的2 臺空調(diào)機(jī)組。其中1 車、2 車、3 車安裝變頻空調(diào)，4 車、5 車、6 車安裝定頻空調(diào)，車輛編組和空調(diào)安裝方式如圖1 所示。

圖1 空調(diào)安裝示意圖

定頻和變頻空調(diào)均采用頂置單元式機(jī)組，均使用艾默生ZRH87KTE-TFD 型壓縮機(jī)，制冷劑采用R407C，空調(diào)具體參數(shù)見表1。在空調(diào)機(jī)組尺寸及安裝方面，空調(diào)機(jī)組外觀尺寸、安裝位置、線插接口均相同；在空調(diào)軟件方面，空調(diào)機(jī)組根據(jù)環(huán)境溫度和載荷量變化對客室溫度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)變化量及目標(biāo)溫度設(shè)置完全相同；在空調(diào)控制方面，變頻和定頻空調(diào)除壓縮機(jī)啟動和停止控制邏輯不同外，其他功能均無差別，根據(jù)車內(nèi)外溫度狀態(tài)分別自動控制壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率和啟停。在每個空調(diào)電器柜安裝電能表，實時記錄每臺空調(diào)的能耗數(shù)據(jù)。列車兩端電器柜內(nèi)分別安裝一臺里程計，統(tǒng)計列車實際運(yùn)行公里數(shù)。

表1 空調(diào)機(jī)組參數(shù)

2.2 定頻和變頻空調(diào)能耗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)2021 年正線運(yùn)行數(shù)據(jù)，每月對0927 車的每臺空調(diào)的用電量和列車運(yùn)行公里數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計（見表2），實驗周期為2021 年1 月1 日—12 月31 日，經(jīng)歷春夏秋冬四個季節(jié)，更有利于記錄空調(diào)機(jī)組的耗電量。

表2 空調(diào)用電量數(shù)據(jù)

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)可以，看出0927 車變頻空調(diào)全年總用電量33 684.9 kWh，單機(jī)組平均用電量5 614.2 kWh；定頻空調(diào)全年總用電量34 960.8 kWh，單機(jī)組平均用電量5 826.8 kWh；變頻空調(diào)相比定頻空調(diào)全年節(jié)省電量1 275.9 kWh，年度總的節(jié)能率為3.6%。

經(jīng)過計算得出，0927 車定頻和變頻空調(diào)機(jī)組月度的百公里能耗值，如圖2 所示。定頻空調(diào)的耗電量比變頻空調(diào)相對較高，在6—9 月定頻空調(diào)百公里能耗均明顯高于變頻空調(diào)，最高為9 kWh；在其他月份定頻和變頻空調(diào)壓縮機(jī)大部分時間不啟動，空調(diào)能耗基本相同；在1—2 月份天氣較冷，定頻和變頻空調(diào)均開啟制熱模式，空調(diào)能耗相對偏高。通過對比，變頻空調(diào)年度平均百公里節(jié)省電量為1.5 kWh，在6—9 月份平均百公里節(jié)省電量為4.9 kWh。

圖2 定頻和變頻空調(diào)月度百公里耗電量

為提高數(shù)據(jù)的可靠性，針對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，主要考慮制冷量需求高的夏季作為參考，在6—10 月份，變頻空調(diào)與定頻空調(diào)相比平均百公里節(jié)電量為3.913 kWh ，本次選取的列車次時間段有效公里數(shù)4.286 6 萬km，則節(jié)省電量約為1 677.73 kWh，采用變頻空調(diào)能節(jié)約一定的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 變頻空調(diào)節(jié)電率計算

空調(diào)能耗實驗共連續(xù)采集12 個月的數(shù)據(jù)，由采集到的數(shù)據(jù)計算出變頻空調(diào)的節(jié)電率，如圖3 所示。

圖3 變頻空調(diào)月度節(jié)能率

空調(diào)節(jié)電率K 計算如下：

式中：Q2為定頻空調(diào)列車每公里用電量；Q1為變頻空調(diào)列車每公里用電量。

由圖3 可以看出，在6—9 月份單月節(jié)電率最為突出，其中最大為8 月份11.66%，最小為6 月份3.76%，平均節(jié)電率為6.48%；在1—5 月、10—12 月，變頻空調(diào)節(jié)電率基本為0 或負(fù)數(shù)，此時所在地區(qū)環(huán)境溫度低，新風(fēng)熱需求量較小，車廂內(nèi)部的制冷需求不大，空調(diào)制冷使用率較低。在外界環(huán)境溫度較低的情況下，客室內(nèi)部有制熱需求，而空調(diào)自身需要冷凝換熱，定頻空調(diào)和變頻空調(diào)能耗都比較高，導(dǎo)致變頻空調(diào)節(jié)和定頻空調(diào)能耗基本無差異[5]。

3 客室溫度及舒適性分析

車輛空調(diào)機(jī)組內(nèi)部安裝溫度傳感器，實時記錄客室內(nèi)部的溫度值，通過對比變頻空調(diào)和定頻空調(diào)車輛內(nèi)部的實際溫度設(shè)定值，采用國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范UIC553 曲線自動調(diào)整空調(diào)的運(yùn)行參數(shù)，使整列車空調(diào)機(jī)組工作狀態(tài)一致，實驗結(jié)果更加準(zhǔn)確有效，其中載荷忽略不計。

UIC553 溫度控制邏輯如下：

式中：Tic為目標(biāo)溫度；Te為外界環(huán)境溫度。

列車在運(yùn)行期間，考慮變頻空調(diào)在炎熱時間段節(jié)能效果更為明顯，因此選取時間在夏季溫度在30 ℃左右更具有代表性，節(jié)能實驗也更加準(zhǔn)確有效。抽選夏季某日14：00—16：00 時間段列車空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中室外溫度在27～36 ℃，定頻空調(diào)與變頻空調(diào)機(jī)組的列車客室溫度對比曲線，如圖4 所示。

圖4 車內(nèi)溫度數(shù)據(jù)變化曲線

由溫度波動曲線可以看出，變頻空調(diào)最高溫度25.3 ℃，最低為23.5 ℃，平均值為24.62 ℃，溫度波動范圍24.4 ℃±0.9 ℃；定頻空調(diào)最高溫度為25.6 ℃，最低為23 ℃，平均溫度為24.72 ℃，溫度波動范圍24.3 ℃±1.3 ℃。安裝變頻空調(diào)和定頻空調(diào)的車廂內(nèi)部溫度變化趨勢基本一致，車廂溫度圍繞系統(tǒng)設(shè)定溫度上下波動。安裝變頻空調(diào)的車廂平均溫度比安裝定頻空調(diào)的車廂低1 ℃，安裝定頻空調(diào)和變頻空調(diào)溫度波動差值分別為2.6 ℃和1.8 ℃。由此可知，變頻空調(diào)的車廂內(nèi)溫度波動幅度小，趨近于系統(tǒng)設(shè)定溫度，控溫能力較好，且乘坐舒適性更高。

4 結(jié)論

在鄭州地鐵0927 車2021 年全年運(yùn)行期間，通過定頻和變頻空調(diào)能耗和舒適性的對比，可以得出以下結(jié)論：

1）變頻空調(diào)在夏季的節(jié)能率較高，最高節(jié)能率為11.66%，平均為6.48%；在春秋冬季節(jié)節(jié)能量較低，因為夏季外界溫度較高，壓縮機(jī)處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，因此，變頻空調(diào)在夏季整體節(jié)能效果較為明顯，在地鐵列車上經(jīng)濟(jì)效益更高。

2）在舒適性方面，當(dāng)外界溫度較高時，變頻空調(diào)可通過改變壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率控制空調(diào)制冷效果，進(jìn)而控制車廂溫度趨近于設(shè)定溫度，其溫度控制能力較好。安裝變頻空調(diào)的車廂溫度波動小，波動范圍在±0.9 ℃，乘坐舒適性更高。