軌道車輛空調(diào)全新風(fēng)模式運行分析

劉光升,李 剛,佘 凱,王 瑩,曹 臣,路 琪

山東朗進(jìn)科技股份有限公司,山東 濟(jì)南 250000

0 引言

軌道車輛作為城市的主要公共交通設(shè)施,人流量較大,是病毒傳染的高風(fēng)險場所。增加新風(fēng)供應(yīng)、加快車內(nèi)的換氣速度是有效降低病毒傳染的最直接方案。在客室環(huán)境健康及防疫方面,蔣正飛[1]建議地鐵車站通風(fēng)空調(diào)防疫措施采用全新風(fēng)運行方式,為整車提供新鮮空氣,調(diào)控車廂內(nèi)的溫濕度。

目前,軌道車輛空調(diào)已普遍采用全新風(fēng)模式。為提高軌道車輛空調(diào)運行全新風(fēng)模式的可靠性,本文通過在焓差實驗室中測試全新風(fēng)模式和正常模式下不同的制冷、制熱工況,得到了軌道車輛空調(diào)性能隨室外溫度、濕度變化的數(shù)據(jù),經(jīng)過與正常模式的數(shù)據(jù)對比和整車試驗的驗證,分析了運行全新風(fēng)模式的問題,并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1 機(jī)組性能試驗

1.1 試驗要求

本次試驗采用空氣焓差法,對空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)、回風(fēng)參數(shù)以及循環(huán)風(fēng)量進(jìn)行測量,用測出的風(fēng)量與送風(fēng)、回風(fēng)焓差的乘積確定空調(diào)機(jī)組的性能[2]。

試驗條件為:控制送風(fēng)道引風(fēng)機(jī),使風(fēng)量為全新風(fēng)模式的送風(fēng)量;控制焓差實驗室室內(nèi)側(cè)溫度、濕度與室外側(cè)一致;試驗室室外側(cè)和室內(nèi)側(cè)的溫度、濕度與試驗工況的要求偏差分別不超過±0.5 ℃和±3%RH。

1.2 測試工況

依據(jù)空調(diào)所在運營地的氣象參數(shù)資料,得出機(jī)組在不同室外溫度、濕度條件下的運行特性,試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況

2 運行分析與問題優(yōu)化

在正常模式下,新風(fēng)閥和回風(fēng)閥全開,測試空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量為5 000 m3/h;在全新風(fēng)模式下,新風(fēng)閥全開,回風(fēng)閥全關(guān),新風(fēng)阻力增加導(dǎo)致送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量減小到正常阻力時的60%,此時空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量為3 000 m3/h。

2.1 全新風(fēng)模式運行分析

2.1.1 制冷試驗

1)室外濕球溫度的影響。圖1反映了以額定工況(室外溫度為33 ℃、相對濕度為70%)的性能參數(shù)為基準(zhǔn)值時,機(jī)組制冷量相對值和功率相對值隨室外濕球溫度變化的關(guān)系。隨著濕球溫度的升高,都呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢。相應(yīng)的能效比相對值也因兩者的變化規(guī)律呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢,如圖2所示。

圖1 制冷量、功率相對值隨室外濕球溫度的變化關(guān)系

圖2 能效比相對值隨室外濕球溫度的變化趨勢

圖3 能效比相對值隨室外干球溫度的變化

2)室外干球溫度的影響。圖 3 反映了變頻空調(diào)機(jī)組能效比相對值隨室外干球溫度變化的關(guān)系。以額定工況(干球溫度為33 ℃、相對濕度為70%)的能效比為基準(zhǔn)值,室外干球溫度由33 ℃降至27 ℃時,平均干球溫度每降低1 ℃,機(jī)組能效比上升5%,表明全新風(fēng)模式下變頻空調(diào)機(jī)組在低溫工況時,可達(dá)到較高的能效比。

2.1.2 制熱試驗

在全新風(fēng)模式下進(jìn)行制熱試驗:室外工況由0 ℃升至7 ℃,制熱量和功率都上漲,但功率的上升幅度要大于制熱量的上升幅度,導(dǎo)致能效比的降低。吸、排氣壓力和出風(fēng)干球溫度,都隨室外干球溫度的上升而上升。測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同工況試驗結(jié)果

2.2 全新風(fēng)模式問題分析

2.2.1 與正常模式的數(shù)據(jù)對比

1)制冷數(shù)據(jù)對比。在焓差實驗室中,保持室外工況和壓縮機(jī)頻率相同,測試全新風(fēng)模式的制冷量,相比正常模式衰減13.6%,空調(diào)功耗無差別,但會導(dǎo)致車廂降溫速度變慢,影響車廂內(nèi)舒適性。相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 制冷數(shù)據(jù)對比

2)制熱數(shù)據(jù)對比。在焓差實驗室中,保持室外工況和壓縮機(jī)頻率相同,測試全新風(fēng)模式的制熱量,相比正常模式衰減13.7%,空調(diào)功耗相比降低9.3%,出風(fēng)干球溫度只有16.2 ℃,同樣會導(dǎo)致車廂升溫速度變慢,影響車廂內(nèi)舒適性。相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 制熱數(shù)據(jù)對比

2.2.2 整車試驗

在整車試驗中運行全新風(fēng)模式,測試車內(nèi)正壓為56 Pa;正常通風(fēng)模式下測試車內(nèi)正壓為30 Pa。龔承啟 等[3]指出地鐵A型車正常情況下正壓值應(yīng)在30～50 Pa。全新風(fēng)模式雖然確保了客室內(nèi)供風(fēng)全部為外部供風(fēng),但是車內(nèi)正壓的增加會有其他風(fēng)險,比如趙耿 等[4]研究發(fā)現(xiàn),在鄭州地鐵2號線上運行全新風(fēng)模式時,全新風(fēng)模式較其他空調(diào)模式,在車門關(guān)閉時需要克服更大的風(fēng)壓阻力,且會影響車門穩(wěn)定性。

2.3 全新風(fēng)模式優(yōu)化分析

從全新風(fēng)模式與正常模式的數(shù)據(jù)對比中可看出,在室外工況一致時運行全新風(fēng)模式會衰減空調(diào)性能。因此在全新風(fēng)模式下通過提高送風(fēng)量或者壓縮機(jī)運行頻率來提升空調(diào)冷量和熱量的輸出,是值得研究的課題。

2.3.1 提高送風(fēng)量

在焓差實驗室中,提高送風(fēng)道中引風(fēng)機(jī)頻率模擬提高空調(diào)送風(fēng)量,分別驗證在3 000、3 300、3 500和4 000 m3/h時的制冷量、功率和能效比的變化關(guān)系。如圖4所示,以全新風(fēng)模式正常風(fēng)量3 000 m3/h時的性能參數(shù)為基準(zhǔn)值,發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)量的提升,制冷量和能效比呈現(xiàn)上升的趨勢,空調(diào)功耗變化不大。

圖4 性能參數(shù)隨送風(fēng)量的變化

在全新風(fēng)模式下,提升風(fēng)量到4 000 m3/h時的制冷量,與正常模式(送風(fēng)量5 000 m3/h)的額定制冷性能一致,并且功耗變化不大,因此可以考慮在全新風(fēng)模式下提升送風(fēng)量來滿足客室舒適性的要求。對比數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 數(shù)據(jù)對比

2.3.2 提高壓縮機(jī)頻率

在焓差實驗室中,通過變頻空調(diào)運行全新風(fēng)模式后逐步提高壓縮機(jī)頻率,來驗證制冷量、功率和能效比的變化。如圖5所示,以正常頻率時的性能參數(shù)為基準(zhǔn)值,發(fā)現(xiàn)隨著頻率的提升,制冷量的上升幅度要低于功率的上升幅度,導(dǎo)致空調(diào)能效比衰減。

圖5 性能參數(shù)隨頻率的變化

3 結(jié)論

本文對軌道車輛空調(diào)全新風(fēng)模式的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)論如下。

1)全新風(fēng)模式下運行制冷,室外干球溫度相同,性能參數(shù)隨著濕球溫度的升高而上升,因此對于不同地區(qū)的氣候條件應(yīng)充分考慮新風(fēng)相對濕度對機(jī)組性能的影響。室外干球溫度由33 ℃降至27 ℃,平均每降低1 ℃,機(jī)組能效比提高5%。

2)無論制冷或制熱,額定工況下全新風(fēng)模式的空調(diào)制冷量相比正常模式都衰減約13.6%,且新風(fēng)負(fù)荷的增加,更會導(dǎo)致車廂內(nèi)舒適性變差。從整車的角度考慮,軌道車輛空調(diào)運行全新風(fēng)模式會有車內(nèi)正壓過大導(dǎo)致車門不穩(wěn)定等風(fēng)險。

3)全新風(fēng)模式下可提高送風(fēng)機(jī)頻率來增加空調(diào)性能的輸出,且能耗與正常模式差別不大。對于變頻空調(diào)機(jī)組,也可在全新風(fēng)模式下提高壓縮機(jī)頻率來增加冷量和熱量的輸出,但要考慮空調(diào)能耗的增加。為使車內(nèi)正壓維持在合理范圍,可提高主動排風(fēng)機(jī)的運行頻率或加大排風(fēng)閥的開度。