列車空調(diào)節(jié)能技術(shù)研究

吳楠楠,黃 琴,黃 進(jìn),朱 嘉,趙 亮

(淮陰工學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院 江蘇省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 淮安 223000)

0 引言

近年來,我國軌道交通建設(shè)飛速發(fā)展,截至2021年底,我國內(nèi)地已有50座城市開通了城市軌道交通,線路總計(jì)9 192 km[1]。列車空調(diào)機(jī)組作為列車的主要輔助系統(tǒng),其能耗占列車輔助設(shè)備能耗的86%,占列車運(yùn)行總能耗20%以上[2]。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),列車空調(diào)機(jī)組能耗占比將超過30%。

隨著“碳達(dá)峰”、“碳中和”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn),軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷發(fā)展和環(huán)境資源的限制,對列車空調(diào)的舒適性、節(jié)能性能和環(huán)保性的要求持續(xù)提高。因此,列車空調(diào)節(jié)能降耗的問題逐漸引起廣泛關(guān)注。列車空調(diào)一般采用車頂單元式空調(diào)機(jī)組,通過送、回風(fēng)口及對應(yīng)風(fēng)道促使車廂內(nèi)的空氣產(chǎn)生流動。目前針對列車空調(diào)機(jī)組節(jié)能性的研究主要集中在節(jié)能空調(diào)控制技術(shù)、低能耗空調(diào)機(jī)組技術(shù)以及列車空調(diào)熱泵技術(shù)等方面。本文將對目前列車空調(diào)節(jié)能技術(shù)研究進(jìn)行綜述,分析列車空調(diào)領(lǐng)域現(xiàn)有節(jié)能方案。

1 節(jié)能空調(diào)控制技術(shù)

1.1 列車空調(diào)溫度控制優(yōu)化

歐洲鐵路聯(lián)盟頒布的標(biāo)準(zhǔn)UIC CODE 553—2004《Heating,ventilation and air-conditioning in coaches》[3]中關(guān)于車廂內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度按照公式(1)計(jì)算:

tin=22+0.25×(tout-19)=0.25tout+17.25

(1)

式中:tin為車內(nèi)空氣溫度,℃;tout為車外空氣溫度,℃。

可以看出,式(1)以車內(nèi)外的溫差為核心控制對象。

在GB/T 12817—2021《鐵路客車通用技術(shù)條件》和GB/T 33193.1—2016《鐵道車輛空調(diào)第1部分:舒適度參數(shù)》等國家標(biāo)準(zhǔn)中[4-5],均提出對鐵路客車室內(nèi)外溫度的要求,但仍是以固定溫度值作為控制目標(biāo)。而實(shí)際上列車空調(diào)的運(yùn)行環(huán)境特殊,列車車廂內(nèi)載客量變化顯著,且車門頻繁開閉,這些變化都將對列車車廂內(nèi)的實(shí)時(shí)負(fù)荷產(chǎn)生顯著影響,因此這類影響因素不容忽視。徐向彬[6]等提出了一種基于實(shí)時(shí)載客量的新型列車車廂溫度控制模型,將人體新陳代謝率、人體所做的機(jī)械功、空氣相對濕度和空氣流速視為恒定參數(shù),研究平均輻射溫度與載客量、服裝熱阻與室外溫度之間的變化關(guān)系,將PMV=0(即人體最滿意熱舒適環(huán)境)定為車廂內(nèi)優(yōu)化目標(biāo),擬合出的溫度控制模型如公式(2)所示:

tin=0.30tout-0.36n+18.21

(2)

式中:n為車廂內(nèi)人員站立密度,人/m2。

徐向彬和王景宏等[6]還基于UIC CODE 553—2004標(biāo)準(zhǔn)中的溫度控制模型和廣州氣候條件及載客量變化的溫度控制模型,在廣州地鐵上進(jìn)行了實(shí)車測試。結(jié)果表明,采用新的溫度控制模型的測試車輛,車廂內(nèi)高度方向上溫差有所減小,車廂內(nèi)平均溫度波動小,不會出現(xiàn)因溫度驟升或驟降導(dǎo)致熱舒適性降低的現(xiàn)象。

嚴(yán)凡等[7]基于潮汐式客流特征對列車空調(diào)溫度控制進(jìn)行了優(yōu)化,提出基于季節(jié)和載客量2個(gè)維度的新型目標(biāo)溫度控制方案。在季節(jié)劃分方面,基于當(dāng)?shù)貧庀缶执髷?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均值,將一年分為春、夏、秋、冬四季。在載客量劃分方面,以深圳地鐵4號線為例,該車為A型車,單節(jié)車廂定員48人,將單節(jié)車廂人數(shù)劃分為4個(gè)區(qū)段,通過讀取列車載重信號估算車廂內(nèi)實(shí)時(shí)載客量。各工況空調(diào)溫度控制值如表1所示。

表1 各工況空調(diào)溫度控制值 ℃

將上述溫度控制方案投入實(shí)車進(jìn)行應(yīng)用測試,結(jié)果發(fā)現(xiàn)列車空調(diào)能耗下降4.26%,并且乘客關(guān)于空調(diào)投訴量明顯下降。

王志文等[8]對高架線路占線路全長一半以上的廣州地鐵14號線進(jìn)行了高架空調(diào)溫度控制策略研究,相較于隧道區(qū)間,高架區(qū)間往往具有環(huán)境溫度較高,存在陽光直射的特點(diǎn),因此提出了一種“高架模式”空調(diào)溫度控制策略。當(dāng)列車行駛于高架區(qū)間,且車外溫度超過閾值時(shí),啟動“高架模式”,將車內(nèi)目標(biāo)溫度在當(dāng)前控制策略基礎(chǔ)上降低1 ℃。在對廣州地鐵14號線進(jìn)行實(shí)車測試后發(fā)現(xiàn),新溫度控制策略全天可節(jié)電約3 400 kW·h,且自投入應(yīng)用以來無投訴記錄。

1.2 變新風(fēng)量列車空調(diào)節(jié)能控制

空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),車廂內(nèi)載客量是實(shí)時(shí)變化的,高峰時(shí)期需要最大的新風(fēng)量來滿足車廂內(nèi)對新鮮空氣的需求;在非高峰時(shí)期,車廂內(nèi)乘客數(shù)量較少,空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)風(fēng)門常常處于較大開度狀態(tài),空調(diào)機(jī)組需要提供較多的冷量來降低新風(fēng)的溫度,造成能源的過度消耗。根據(jù)GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》中關(guān)于通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[9],車廂內(nèi)人均新風(fēng)量不應(yīng)小于10 m3/h,基于此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的新風(fēng)量對負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明新風(fēng)負(fù)荷在車廂總負(fù)荷中占比超過60%[10]。Ce Li等[11]調(diào)研了某軌道交通線路的實(shí)時(shí)載客量,基于實(shí)時(shí)載客量數(shù)據(jù)和車外逐時(shí)氣象參數(shù),在確保車廂內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到TB 1951—1987《客車空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)》要求的不超過0.15%的基礎(chǔ)上,根據(jù)公式(3)計(jì)算出最小新風(fēng)量。通過理論分析得知,利用最小新風(fēng)量進(jìn)行車廂內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的列車空調(diào)機(jī)組,在制冷季可節(jié)能約14.6%。

(3)

式中:CN為車內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù),%;CW為新風(fēng)CO2的體積分?jǐn)?shù),%;GW為最小新風(fēng)量,m3/h;C0為單位時(shí)間每人產(chǎn)生的CO2量,m3/(h·人);Y為乘客人數(shù)。

馬文等[12]針對上海軌道交通4號線進(jìn)行了新風(fēng)風(fēng)門控制試驗(yàn)研究,在回風(fēng)口設(shè)置CO2體積分?jǐn)?shù)傳感器,并監(jiān)測車廂內(nèi)載荷變化,調(diào)節(jié)新風(fēng)風(fēng)門的開度,探索實(shí)時(shí)最優(yōu)新風(fēng)風(fēng)門開度,通過提供實(shí)時(shí)最優(yōu)新風(fēng)量以達(dá)到節(jié)能的目的。通過試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn),新風(fēng)量調(diào)節(jié)后可節(jié)能約13%。

1.3 基于熱舒適指標(biāo)空調(diào)控制

目前列車車廂內(nèi)多以溫度為控制目標(biāo),易出現(xiàn)過冷或過熱的現(xiàn)象,常遭到乘客投訴。為了滿足乘客對熱舒適的需求,將熱舒適PMV指標(biāo)作為列車車廂內(nèi)熱環(huán)境的控制目標(biāo),綜合考慮溫度、濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度、人體新陳代謝率和服裝熱阻等因素對車廂內(nèi)乘客熱舒適的影響。熱舒適PMV指標(biāo)控制可以分為直接控制和間接控制2種,因?yàn)闊崾孢m指標(biāo)直接控制要求較高且不易實(shí)現(xiàn),因此專家學(xué)者們將研究重點(diǎn)集中在間接控制上。黃兵等[13]提出在現(xiàn)有技術(shù)條件下,通過調(diào)節(jié)空氣溫度、空氣流速和相對濕度這3個(gè)方便控制的變量,使車廂內(nèi)的PMV值穩(wěn)定在-0.5～0.5,如圖1所示。沈霞[14]通過控制車廂內(nèi)空氣溫度和濕度實(shí)現(xiàn)對列車空調(diào)熱舒適指標(biāo)的間接控制,如圖2所示。

圖1 PMV控制流程圖

2 低能耗空調(diào)機(jī)組技術(shù)

2.1 高效換熱器

橢圓管換熱器具有管道當(dāng)量直徑和管間距小,且管外壓降小的特點(diǎn),Pires等[15]對橢圓管換熱器阻力及換熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測試,結(jié)果表明橢圓管換熱器各項(xiàng)性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的圓管換熱器。因此,李劍等{16]提出將列車空調(diào)中的圓管換熱器替換為橢圓管換熱器,對原列車空調(diào)系統(tǒng)和橢圓管換熱器空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行仿真對比,結(jié)果表明,當(dāng)蒸發(fā)器和冷凝器都換成橢圓管換熱器后,系統(tǒng)制冷量和COP分別提升12.6%和12.4%。

微通道換熱器因其具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊和換熱效率高等優(yōu)點(diǎn),適合應(yīng)用于列車空調(diào)中。因此,王宏宇[17]將原列車空調(diào)機(jī)組中的換熱器由翅片管換熱器替換為微通道換熱器,經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),微通道換熱器不僅能夠顯著減小體積,還對提高機(jī)組的能效具有一定作用。張永利等[18]也對微通道換熱器進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,在換熱面積相同的情況下,微通道換熱器在厚度和制冷劑充注量方面均優(yōu)于翅片管換熱器。在壓縮機(jī)頻率相同的情況下,微通道換熱器制冷性能超過翅片管換熱器,但制熱性能相對較差,制熱量下降20%左右。對微通道換熱器結(jié)霜、化霜問題進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),微通道換熱器結(jié)霜快且成霜均勻,單次結(jié)霜后,除霜較為徹底,但多次結(jié)霜、除霜后換熱器的邊角位置逐漸出現(xiàn)積霜,難以去除。

2.2 變頻控制調(diào)節(jié)負(fù)荷

為了提供最貼合空調(diào)負(fù)荷的制冷能力,目前常見方式是采取壓縮機(jī)旁通卸載或多壓縮機(jī)的分級調(diào)節(jié)制冷方式,一般可實(shí)現(xiàn)0、25%、50%、75%和100%五級制冷量,能夠適應(yīng)車廂內(nèi)冷負(fù)荷變化,保持車廂內(nèi)溫度穩(wěn)定?；蛘卟捎枚喔谆钊麎嚎s機(jī),通過減少活塞壓縮機(jī)的運(yùn)行氣缸數(shù)量實(shí)現(xiàn)卸載,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。但這類控制方式難以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié),制冷量浪費(fèi)和壓縮機(jī)啟停次數(shù)相對較多的現(xiàn)象仍存在。變頻壓縮機(jī)通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率以適應(yīng)冷負(fù)荷的變化,達(dá)到降低能耗的作用。眾多專家學(xué)者針對變頻壓縮機(jī)在列車空調(diào)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究[19-24],通過理論分析和試驗(yàn)測試等手段驗(yàn)證了變頻壓縮機(jī)的節(jié)能效果,同時(shí)還重點(diǎn)探討了變頻壓縮機(jī)的控制方法。結(jié)果均表明變頻壓縮機(jī)能夠在列車空調(diào)中加以應(yīng)用,且具有較好的節(jié)能降耗作用。

3 列車空調(diào)熱泵技術(shù)

熱泵技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性早已得到了公認(rèn),將熱泵技術(shù)引入列車空調(diào)能夠降低列車空調(diào)作為主要輔助系統(tǒng)的能耗,并且熱泵技術(shù)替代電加熱采暖能夠有效避免車廂內(nèi)的安全問題。低溫制熱性能差是阻礙熱泵技術(shù)推廣的主要原因,也是當(dāng)前熱泵技術(shù)的研究重點(diǎn)。一般當(dāng)車外溫度處于-5 ℃以上時(shí),熱泵技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性才能得到充分體現(xiàn)。而一旦車外氣溫低于-5 ℃,經(jīng)濟(jì)性急速下降。甚至當(dāng)室外氣溫過低時(shí),設(shè)備將無法正常運(yùn)行。而車內(nèi)的負(fù)荷需求隨著外部氣溫降低而增加,故而此時(shí)熱泵空調(diào)的制熱量將無法達(dá)到車廂內(nèi)對采暖的需求。因此,熱泵技術(shù)要得到廣泛應(yīng)用,必須提高低溫制熱性能。

3.1 噴氣增焓技術(shù)

長春輕軌車輛使用了噴氣增焓技術(shù)提高熱泵空調(diào)在低溫環(huán)境下的能效比,當(dāng)系統(tǒng)處于制熱工況時(shí),制冷劑流經(jīng)車內(nèi)換熱器后分為2路,一路通過中間噴射膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入板式換熱器,在其中與另一路制冷劑液體進(jìn)行熱量交換,吸熱蒸發(fā)成制冷劑蒸氣后進(jìn)入渦旋壓縮機(jī)的中間輔助吸氣口,另一路在板式換熱器中經(jīng)過過冷的制冷劑液體流出后,經(jīng)過節(jié)流裝置節(jié)流后進(jìn)入室外換熱器蒸發(fā)吸收車外環(huán)境空氣熱量,過程如圖3所示。長春冬季平均溫度在-15 ℃～-5 ℃,從實(shí)車應(yīng)用效果來看,噴氣增焓技術(shù)能夠有效提高熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的制熱量,且工作安全可靠。

圖3 噴氣增焓熱泵系統(tǒng)原理圖

3.2 冷凝器并聯(lián)系統(tǒng)

當(dāng)前列車空調(diào)機(jī)組通常由2套空調(diào)系統(tǒng)組成,采用雙回路翅片管換熱器作為蒸發(fā)器,而冷凝器是2個(gè)獨(dú)立的換熱器。當(dāng)機(jī)組處于半載工況時(shí),其中一套空調(diào)系統(tǒng)啟動即可滿足負(fù)荷需求。但此時(shí)雙回路翅片管換熱器只有一半處于工作狀態(tài),蒸發(fā)器的換熱面積增大,冷凝器換熱面積并未發(fā)生變化,因此導(dǎo)致壓縮機(jī)的功耗增加,降低了列車空調(diào)機(jī)組的半載工況能效。

葉超等[25]提出將機(jī)組的2個(gè)制冷回路通過冷凝器并聯(lián),當(dāng)機(jī)組處于半載工況時(shí),單臺冷凝器僅使用一半,相當(dāng)于冷凝器的換熱面積增大,能夠提高過冷度,降低壓縮機(jī)的能耗,并且提高系統(tǒng)的耐高溫能力,系統(tǒng)原理圖如圖4所示。仿真結(jié)果表明,冷凝器并聯(lián)式熱泵空調(diào)系統(tǒng)能夠滿足能效標(biāo)準(zhǔn),并且在制熱季相較于電加熱采暖節(jié)能率高達(dá)53%。

圖4 冷凝器并聯(lián)式熱泵空調(diào)系統(tǒng)

3.3 能量回收

全熱交換器作為一種能量回收裝置,通過排風(fēng)與新風(fēng)之間的熱濕交換回收排風(fēng)中的能量。利用這部分能量對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理,有效降低新風(fēng)負(fù)荷。孫照嵐等[26]提出將全熱交換器引入列車空調(diào)中,對機(jī)組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并完成了性能試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,加裝全熱交換器能夠減少對機(jī)組制冷量和制熱量的要求,且機(jī)組性能系數(shù)增加,因此可以選用型號更小的空調(diào)機(jī)組,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

4 其他列車空調(diào)節(jié)能技術(shù)

中南大學(xué)和中車青島四方車輛研究所有限公司[27-28]對列車空調(diào)相變蓄冷換熱器進(jìn)行了合作研究,從數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究2個(gè)方向探索蓄冷換熱器的最佳形式和結(jié)構(gòu)尺寸,也分析了放冷效果的主要影響因素。目前針對列車空調(diào)相變蓄冷技術(shù)的研究仍限定于解決軌道列車突發(fā)供電故障的特殊條件下,不能夠代替現(xiàn)有的列車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行車箱內(nèi)空氣調(diào)節(jié)。

另外,列車空調(diào)系統(tǒng)中引入蓄冷技術(shù),在環(huán)境溫度和車廂內(nèi)負(fù)荷較低時(shí),存儲冷量,在環(huán)境溫度和車廂內(nèi)負(fù)荷升高時(shí),用儲存的冷量進(jìn)行補(bǔ)償,提高空調(diào)的綜合利用率。要實(shí)現(xiàn)蓄冷技術(shù)在列車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制功能都將變得更為復(fù)雜,且空調(diào)尺寸將大大增加,當(dāng)前列車結(jié)構(gòu)無法滿足。

5 結(jié)論

本文對目前列車空調(diào)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了總結(jié),列車節(jié)能技術(shù)的研究重點(diǎn)在于優(yōu)化列車車內(nèi)舒適度參數(shù)控制方式和空調(diào)機(jī)組2個(gè)方面。在列車空調(diào)節(jié)能控制方面,溫度控制優(yōu)化已取得較好的工程效果,變新風(fēng)量控制技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了從理論研究到實(shí)車應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。高效換熱器和變頻壓縮機(jī)的研究也較為成熟,已在一定范圍內(nèi)投入使用。蓄冷技術(shù)雖然能夠進(jìn)行能量回收,但機(jī)組改裝結(jié)構(gòu)變化較大。輔助相變蓄冷換熱器和蓄冷技術(shù)的應(yīng)用仍處于研究的初期階段。而熱泵技術(shù)雖然在冬季平均氣溫低的寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用受限,低溫制熱效果差,但因其安全經(jīng)濟(jì),且在其他領(lǐng)域已有堅(jiān)實(shí)的應(yīng)用基礎(chǔ),具有較為成熟的研究條件,因此低溫?zé)岜眉夹g(shù)將是未來研究列車空調(diào)節(jié)能技術(shù)的重要方向。