智能型變頻空調(diào)在北京新機場線的應(yīng)用

王 磊,孫 琳,孫靖飛,張曉偉,蔣政言

(山東朗進科技股份有限公司,山東 青島 266071)

隨著國內(nèi)軌道交通的飛速發(fā)展,以及國家“十四五”規(guī)劃的推出,軌道車輛部件的智能控制、綠色低碳已成為了新的發(fā)展方向[1]。智能型變頻空調(diào)作為在商用空調(diào)和家用空調(diào)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛驗證的技術(shù),擁有能耗低、舒適性高、維護成本低等優(yōu)勢[2]。而該技術(shù)在軌道交通車輛空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用,也已得到了各大城市運營商、車輛廠以及空調(diào)制造商的研究、實施和推廣[3-5]。

北京軌道交通新機場線車輛以CRH6F型城際動車組技術(shù)平臺為基礎(chǔ)打造,搭載了山東朗進科技股份有限公司研發(fā)的智能型變頻空調(diào)系統(tǒng),結(jié)合了地鐵空調(diào)和國鐵空調(diào)的先進技術(shù)。本文針對該空調(diào)系統(tǒng)的方案進行解析,分析其技術(shù)原理及特點。

1 北京新機場線線路概況

北京市處于華北平原北端,屬于中緯度暖溫帶氣候,冬夏季溫差較大。同時新機場線是目前中國首個市域全自動無人駕駛快速軌道交通線,列車最高運行時速160 km,全線長41.365 km,其中高架長17.67 km、U 型槽和地下長23.695 km,單節(jié)車廂定員(AW2)約140人。

綜合新機場線復雜多變的線路環(huán)境條件,車輛空調(diào)需要根據(jù)不斷變化的外界和車內(nèi)環(huán)境,對制冷量進行實時的調(diào)節(jié),才能滿足乘客的舒適性需求。因此,搭載智能型變頻空調(diào)系統(tǒng),成為該線路車輛的首選方案。

2 智能型變頻空調(diào)方案

北京新機場線客室空調(diào)機組采用機電一體化設(shè)計,變頻器與空調(diào)機組實現(xiàn)了一體化組裝,使設(shè)備布置簡單,安裝簡易、操作安全。同時空調(diào)機組集成了壓力波保護裝置和空氣凈化裝置,在實現(xiàn)空調(diào)通風、環(huán)境控制功能的同時,達到了空間的最大化利用。

每臺空調(diào)機組配備有2套相互獨立的制冷循壞系統(tǒng),配備有壓力傳感器、電子膨脹閥等智能檢測設(shè)備,實時對空調(diào)機組的運行狀態(tài)進行監(jiān)控和調(diào)節(jié)?？照{(diào)機組的制冷系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 北京新機場線智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)原理圖

2.1 空調(diào)機組智能變頻控制

空調(diào)機組采用智能控制器,結(jié)合機組內(nèi)部的多個傳感器及智能檢測設(shè)備,對空調(diào)機組的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控及調(diào)節(jié)。壓縮機變頻器采用智能控制,可根據(jù)車內(nèi)外溫度的變化,自動調(diào)節(jié)壓縮機的運轉(zhuǎn)頻率,以適應(yīng)不同的制冷量需求,達到舒適和節(jié)能的目標。同時空調(diào)機組的新風閥可根據(jù)車輛的載客量,進行自動調(diào)節(jié),以在滿足乘客新風量要求的前提下,減小新風負荷,進一步實現(xiàn)能源節(jié)約。

2.1.1 變頻空調(diào)制冷原理

變頻空調(diào)采用變頻壓縮機,通過變頻器調(diào)節(jié)壓縮機的運轉(zhuǎn)頻率,以實現(xiàn)空調(diào)制冷量的實時調(diào)節(jié)。北京新機場線車輛的客室空調(diào)為變頻單冷型,即空調(diào)具備制冷功能,同時配備有電加熱功能,制冷季節(jié)運行壓縮機進行制冷,制熱季節(jié)運行電加熱進行制熱。每臺空調(diào)由2個獨立的空調(diào)系統(tǒng)組成,額定制冷量為29 kW。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)在30～126 Hz(2臺壓縮機各運轉(zhuǎn)63 Hz)之間的連續(xù)調(diào)整,以此來滿足車輛內(nèi)不同載荷、環(huán)境溫度變化時的制冷量需求,實現(xiàn)對車內(nèi)溫度的精確控制。表1和表2分別為北京新機場線車輛客室空調(diào)的額定制冷工況,以及額定制冷工況下不同壓縮機運轉(zhuǎn)頻率時測定的制冷量。

表2 北京新機場線智能型變頻空調(diào)在不同壓縮機運轉(zhuǎn)頻率下的制冷量和功率

由表2可以看出,單臺壓縮機運轉(zhuǎn)頻率在30 Hz時,制冷量為11.2 kW,2臺壓縮機運轉(zhuǎn)頻率在63 Hz時制冷量為31.1 kW。運轉(zhuǎn)頻率可從30～126 Hz(2臺壓縮機各運轉(zhuǎn)63 Hz)以1 Hz為單位連續(xù)調(diào)節(jié),制冷量可從11.2～31.1 kW連續(xù)變化,相較于定頻空調(diào)無法進行制冷量連續(xù)調(diào)節(jié)的缺點,變頻空調(diào)可以更好地適應(yīng)車輛內(nèi)外不斷變化的環(huán)境,進而提高乘客的舒適性。

2.1.2 變頻空調(diào)和定頻空調(diào)的控制方案對比

定頻空調(diào)主要依靠開啟和關(guān)閉壓縮機來調(diào)節(jié)其本身的制冷量輸出,進而調(diào)節(jié)車輛內(nèi)的溫度。考慮到壓縮機的潤滑,在其開啟之后,必須令壓縮機運轉(zhuǎn)足夠的時間,潤滑油才能正?；亓鞯綁嚎s機;同時壓縮機停機后,必須停止足夠的時間,才能保證下一次開啟之前,空調(diào)系統(tǒng)的高壓壓力和低壓壓力達到平衡,避免壓縮機帶載啟動造成的異常磨損。定頻空調(diào)通常在程序中設(shè)定,每次壓縮機開啟后,必須運轉(zhuǎn)2 min以上才能停機,每次壓縮機停機后,必須停止2 min以上才能再次開啟[6]。當車內(nèi)熱負荷急劇變化時,如果壓縮機的運轉(zhuǎn)時間正處在上述的延時時間內(nèi),壓縮機無法及時跟蹤車內(nèi)溫度的變化而開啟或關(guān)閉,就會造成車內(nèi)溫度的波動,影響乘客的舒適性。且壓縮機每次停機而后啟動的過程都會產(chǎn)生開關(guān)損耗,停機時將制冷系統(tǒng)的壓力釋放,在下次開機時,又需要重新建立壓力,在此期間,消耗了能量,卻無法提供制冷量,造成能源的浪費。

智能型變頻空調(diào)通過實時監(jiān)測車內(nèi)溫度及其變化速率,采用模糊智能PID(比例、積分、微分)控制計算,快速改變壓縮機的運轉(zhuǎn)頻率,令空調(diào)系統(tǒng)輸出的制冷量與車輛內(nèi)的負荷相匹配,以達到迅速降低車內(nèi)溫度的目的[7]。當車內(nèi)溫度降低至設(shè)定溫度后,再控制壓縮機維持在適當?shù)倪\轉(zhuǎn)頻率上,以維持車內(nèi)溫度的恒定。當車內(nèi)的熱負荷或者溫度急劇變化時,可以實現(xiàn)壓縮機運轉(zhuǎn)頻率的快速調(diào)整,以迅速匹配當前的制冷量需求,從而實現(xiàn)對車內(nèi)溫度的快速跟蹤與調(diào)節(jié)。

2.1.3 變頻空調(diào)節(jié)能原理

變頻空調(diào)采用智能控制,在車內(nèi)熱負荷恒定、溫度達到設(shè)定溫度時,壓縮機通常在低頻狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。而壓縮機在低頻狀態(tài)下運轉(zhuǎn)時,由于壓縮機的排量減小,冷凝器和蒸發(fā)器的面積不變,則相對換熱面積變大,此時空調(diào)的制冷效率提高,單位制冷量的能耗降低,即空調(diào)的制冷能效比提高。

同時,變頻空調(diào)的制冷量輸出可以在較大的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整,從而適應(yīng)不同的車內(nèi)負荷,減少了壓縮機停機的次數(shù),因而減少了壓縮機的開關(guān)損耗。因此在長期運行的情況下,變頻空調(diào)更加節(jié)能[8]。壓縮機低頻運轉(zhuǎn)時,容積效率提高,相應(yīng)的能耗降低,也是變頻空調(diào)節(jié)能的主要原因之一[9]。

2.1.4 變頻空調(diào)節(jié)能數(shù)據(jù)

因新機場線全線使用變頻空調(diào),故未對本線路空調(diào)機組進行定頻空調(diào)和變頻空調(diào)的耗電量對比,調(diào)取北京其他地鐵線路的節(jié)能數(shù)據(jù)如表3所示。從以上數(shù)據(jù)可看出,使用變頻空調(diào)相較于定頻空調(diào)可實現(xiàn)20%以上的節(jié)電率。

表3 北京某線路軌道車輛空調(diào)節(jié)能對比數(shù)據(jù)

2.2 壓力波動保護技術(shù)

列車高速行駛時,當出現(xiàn)列車交會或者進出隧道的情況,車輛之間或者車輛和隧道之間的氣體瞬間產(chǎn)生的劇烈壓縮或者膨脹,會產(chǎn)生壓力的波動,如不采取措施,這種壓力的波動將通過廢排裝置出風口或者空調(diào)機組新風口傳入車內(nèi),造成乘客耳部的不適[10]。

為避免空氣壓力波動對車廂內(nèi)造成影響,提高客室的舒適性,北京新機場線列車在頭車安裝壓力保護控制裝置,通過檢測車廂內(nèi)外空氣壓力變化,輸出控制信號驅(qū)動控制板上繼電器動作,繼電器的觸點控制外部器件動作,從而實現(xiàn)對相應(yīng)閥門的控制。通過控制廢排裝置壓力保護閥和客室空調(diào)機組壓力保護閥的開啟和關(guān)閉來避免空氣壓力波動對車廂內(nèi)造成影響,同時可以將反饋信號傳遞給相應(yīng)的控制器來確定壓力保護閥的工作狀態(tài)。

在客室空調(diào)機組和廢排裝置中設(shè)置壓力波保護閥,沿用了城際動車組和高速動車組的設(shè)計,試驗數(shù)據(jù)表明,在使用了壓力波保護閥后,車輛交會時車內(nèi)的最大壓力變化僅為車外的1.6%,遠小于壓力變化環(huán)境下人體舒適性標準(1 250 Pa/3 s)[11],確保了列車在160 km/h高速行駛時車內(nèi)乘客的舒適性。

2.3 低溫等離子空氣凈化技術(shù)

北京新機場線智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)還搭載了新型的低溫等離子空氣凈化裝置。低溫等離子空氣凈化技術(shù)是通過低溫等離子體制造臭氧進行空氣凈化的技術(shù)。“低溫等離子體”是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的物質(zhì)的第四態(tài),當外加電壓達到氣體的放電電壓時,氣體被擊穿,產(chǎn)生包括電子、各種離子、原子和自由基在內(nèi)的混合體。放電過程中雖然電子溫度很高,但重粒子溫度很低,使整個體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài),所以稱為“低溫等離子體”[12]。低溫等離子技術(shù)是電子、化學、催化等綜合作用下的電化學過程,是一種全新的技術(shù)。

等離子體場中含有大量的高能自由基,能直接與微生物內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),導致微生物的死亡。等離子體產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)高速粒子,直接對細菌、病毒體進行高速射擊,致其死亡,而且具有廣譜性。等離子導電流中含有大量活性氧原子、氫原子、高能自由基等活性物質(zhì),能使各種污物得到快速分解消除,同時空氣中的有害氣體和有機物在電子網(wǎng)的沖擊下,被分解成水分子和二氧化碳[13]。

針對空氣凈化裝置的凈化效果,委托在試驗室中做了相應(yīng)的試驗驗證,凈化前后的撞擊菌落數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 開啟空氣凈化裝置前后菌落數(shù)量對比 CFU/m3

低溫等離子空氣凈化裝置兼具殺菌消毒、除甲醛等芳香族化合物、除烯烴類化合物、除異味的功能,對車輛內(nèi)的空氣實現(xiàn)了更加全面的凈化,是北京新機場線智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)的又一大技術(shù)改進。

3 結(jié)束語

通過對北京新機場線所應(yīng)用的智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)進行方案解析,可以看出,智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)有以下幾點優(yōu)勢:

(1) 空調(diào)機組智能控制,實現(xiàn)運行狀態(tài)實時監(jiān)測及調(diào)節(jié);

(2) 壓縮機變頻控制,更加舒適且節(jié)能;

(3) 搭載壓力波保護裝置,確保列車提速后乘客的舒適性;

(4) 搭載新型的低溫等離子空氣凈化裝置,可全面凈化車內(nèi)空氣。

綜合以上的優(yōu)勢,智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)方案已成為軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。目前,我國自主研發(fā)的“復興號”標準動車組已經(jīng)采用了智能型變頻空調(diào)系統(tǒng),而本次在北京新機場線車輛上的應(yīng)用,有助于智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)在市域列車空調(diào)領(lǐng)域的推廣。