熱泵在上海軌道交通3號線車輛空調上的應用分析

彭學廣

(上海海立特凱邁特制冷設備有限公司,200090,上?！慰偨浝?

上海軌道交通車輛輔助系統的能耗約占整個列車牽引系統能耗的30%～50%。隨著上海軌道交通網絡的不斷擴大,車輛空調作為輔助系統中的耗電大戶,能耗問題也不斷突出。上海地鐵車輛冬季采暖,無一例外采用空調自帶的電加熱和車輛地板加熱同時運用實現。冬季能效比不可避免小于1,因此必須引進熱泵技術實現更有效的節能。

熱泵作為提供熱量的主要設備之一,以其對環境友善及節約能源等特點,在許多領域得到了廣泛的應用。20世紀80年代以來,熱泵在我國各種場合的應用研究有了許多發展。它的應用對于改變我國能源使用效率不高、分配不均勻的現狀也提出了一個有效的解決方法。

在歐洲,熱泵理論與技術均已高度發達。“一機兩用(制冷、制熱)”在歐洲發達國家廣泛使用。意大利凱邁特(KLIMAT)公司已經率先研發出新型熱泵機組。該機組通過歐洲權威機構的檢測,并在羅馬-奧斯迪亞線路的車輛上批量裝車,使用效果很好。

然而熱泵機組在國內軌道交通車輛上的應用還是空白。本文則針對上海的氣候特點和上海軌道交通3號線車輛空調機組的技術要求,對熱泵空調機組在上海軌道交通3號線車輛上的應用進行了分析。

1 熱泵工作原理

熱泵技術是全世界近年來倍受關注的一項新型能源技術。其基本原理是：基于逆卡諾循環,采用電能驅動,從低溫熱源中吸取熱量,并將其傳輸給高溫熱源以供使用。傳輸到高溫熱源中的熱量不僅大于所消耗的能量,而且大于從低溫熱源中吸收的能量。在標準工況下,系統消耗一個單位的能量,從低溫熱源中提取2個單位的能量,合在一起輸出3個單位的能量。熱泵也是利用壓縮機驅動管道內的制冷劑循環流動,不斷地蒸發冷凝,通過制冷劑溫差吸熱和壓縮機壓縮制熱后,把外界的熱量源源不斷地聚集到熱泵主機上的加熱盤管上。

熱泵和其他的制熱裝置(如鍋爐、電加熱器等)相比,優點是消耗較少的電能或燃料能,獲得大量的所需熱能。熱泵的能效比(pco,或稱制熱系數)＞1;而其他的制熱裝置有熱量損失,故pco＜1。因此采用熱泵有其合理性。圖1為熱泵循環原理圖。

2 熱泵的技術分析

由于城市軌道車輛的特殊性,熱泵機組的研究主要是圍繞提高機組運行的可靠性、系統的熱力學效率,以及系統對環境友善程度和處理空氣品質等方面展開。

圖1 熱泵循環原理圖

運用于城市軌道車輛的熱泵技術,采用空氣源熱泵比較方便、合理,而且成本低。空氣源熱泵系統通過自然能(空氣蓄熱)獲取低溫熱源,經系統高效集熱整合后成為高溫熱源,用來取(供)暖或供應熱水,整個系統集熱效率甚高。

2.1 熱泵機組的運行工況

根據上海城市軌道交通3號線車輛空調通用技術要求,結合TB/T 1804—2003,熱泵機組運行的額定工況如表1所示。

熱泵空調可以在夏季最高環境溫度45℃、冬季最低環境溫度-5℃的較為惡劣工況下正常運行。

我國7個供熱區域中,Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ都屬于這類氣候條件。這類地區集中在黃河以南地區,主要包括山東、河南、陜西、四川以南的地區。

表1 熱泵運行額定工況

2.2 熱泵機組的性能分析

表2為上海市軌道交通3號線車輛空調基本參數。

表2 上海市軌道交通3號線車輛空調機組的基本參數

3號線所用壓縮機為4H-25.Y BITZER型,活塞式,在三相400 V、50 Hz的時候,其總排氣量為73.6 m3/h。取過冷度5℃,過熱度11℃,蒸發溫度-2℃,冷凝溫度45℃。壓縮機輸入功率為15.7 kW。表2所述的額定制熱量為電加熱制熱量。取等熵效率η=0.774,根據繪圖軟件refrigeration utilities繪制出熱泵的熱力循環圖,如圖2所示。

圖2 熱泵的熱力循環圖

制熱量

式中：

V——壓縮機的排氣量(73.6 m3/h);

ν——壓縮機的吸氣比容(0.059 41 m3/kg);

h2——壓縮機排氣焓值(458.76 kJ/kg);

h3——制冷劑節流前焓值(252.73 kJ/kg);

于是Q=70.9 kW。

根據4H-2.5YBITZER的有關數據,壓縮功率W=15.7 kW。

2.3 改造前空調機組的運行參數

以下數據參考自上海軌道交通3號線車輛空調規格書。

制冷容量為44 kW,供熱能力為16 kW,制熱輸入功率為17.4 kW。

通風機的功率為0.55 kW,照明設備和信號設備散熱量為0.3 kW?？傦L量為(1±10%)4 500 m3/h,最小新風量為(1±10%)1 580 m2/h,回風量為(1±10%)2 920 m3/h。制冷劑為R407C(用量為(1±15%)20 kg)。供電電壓為三相400 V、50 Hz;額定電壓為DC 110 V(77～133 V)。

由此可見,同等環境工況下,熱泵效率是電加熱效率的4.9倍 。

3 熱泵機組的成本分析

3.1 機組改造的直接材料成本

現有3號線車輛上更改制冷系統,可能引起的材料成本增加有三方面：

1)增加四通閥、增設聯接銅管、單向閥以及接觸器等用于實現熱泵的制冷和制熱功能切換;

2)增加主控板,重新布局電路系統;

3)制冷回路需要通過切換來實現熱泵循環的功能,相對應的換熱器的面積、銅管、制冷附件、控制元件等需要增加。

3.2 單臺空調機組需要車輛廠配合的工時估計

單臺樣機涉及車輛廠的配合僅限吊裝,其余工作全部由空調廠完成,以2個工人0.5天工時計。

3.3 產品生命周期成本分析(LCC)

表3為以每節車輛統計的成本分析。

表3 以每節車輛統計的成本

由表3可知,10年內預計發生的維修成本總額為50 427.67元(單位小時人工按20元計)總里程為700 000 km。

4 熱泵空調機組的經濟性分析

4.1 特點分析

采用空氣源熱泵,并在經濟方面通過數據論證了空氣源熱泵機組的優點：

1)高效——吸取空氣中的熱能,制造熱水,熱效率最高可達452%;

2)節能——只需傳統電熱水設備1/3的電能,節電60%～80%;

3)運行成本低——與燃油、燃氣及電鍋爐等傳統熱水設備相比,運行成本最低;

4)安全——中央供水,無漏電,不存在任何不安全的隱患;

5)環?！褂们鍧嵞茉?無廢氣、廢水、廢渣排放。

4.2 單位小時內的功耗分析

上海軌道交通3號線車輛每臺空調改造前實際總制熱量為32 kW,其中每臺空調內部的加熱量為11 kW,客室內的地板加熱器有10 kW發熱量。因此,采用電加熱器單位小時內的功耗為 32 kW/0.9=35.55 kW;采用熱泵機組單位小時內的功耗為32 kW/3.6=8.88 kW。冬季制熱運行時間按100天計,每天運行18 h計算,電加熱耗電為63 990 kW/h,熱泵耗電數為15 984 kW/h;整個冬季節能為48 006 kW/h。

5 除霜控制

制熱模式下的自動除霜功能：

①同時滿足環境溫度≤-5℃或23℉、蒸發盤管溫度≤0℃或者32℉條件時除霜開始。

②除霜方式為熱氣旁通除霜。優點是：熱氣旁通除霜過程中房間波動非常小,舒適性較好;除霜過程和切換時,壓力變化平穩,造成的機械沖擊比較小;室內換熱器的表面溫度未降低,恢復制熱后馬上吹出熱風;啟動和終止除霜時,不會產生四通閥換向的氣流噪聲。

③自動除霜開始條件滿足時,壓縮機不停機,通過感知蒸發器盤管溫度來選擇開啟除霜的時間點,以此區別于家用空調的除霜方式。熱氣旁通除霜的融霜階段從21～211自動除霜。除霜期間可以繼續送風。

6 結語

1)空氣源熱泵適合在冬季氣候較溫和、最低氣溫在-5℃以上的地區使用。根據中國供熱分區劃分的7個供熱區,有Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ區適用于熱泵機組運行。上海處于我國長江下游地區,屬于Ⅴ區,氣候條件比較適合空氣源熱泵使用。

2)在車輛上使用熱泵機組可以達到一機兩用的效果,即冬季利用熱泵采暖,夏季進行制冷,既節約了取暖設備的費用,又節省了設備的占用面積,同時達到了環保、節能的效果。

3)如果依靠直接電熱會造成能源再浪費,是不可取的。采用熱泵供熱和加溫才能更有效地利用電能,且熱泵機組的能效比更高,與電熱取暖相比,每年可以節省大量的運行費用。

[1] 吳業正,韓寶琦.制冷原理及設備[M].西安：西安交通大學出社,1997.

[2] 黃東,袁秀玲.風冷熱泵冷熱水機組熱氣旁通除霜與逆循環除霜性能對比[J].西安交通大學學報,2006,40(6)：539.

[3] Ding Yuanjun,Ma Guoyuan,Chai Qinhu,et al.Ex-Periment investigation of reverse cycle defrosting methods on air source heat pump with TXV as the throttle regulator[J].Int J Refrig,2004,27(6)：671.

[4] T B/T 1804—2003 鐵道客車空調機組[S].

[5] 王忠芳.上海軌道交通明珠線車輛空調制冷量的初步計算和分析[J].城市軌道交通研究,1998(2)：45.

[6] Giampiero Mastinu,Massimiliano Gobbi,Carlo Miano,et al.Optimal design of the layout of railway passenger[J].Optimal Design of Complex Mechanical Systems,2006(Part Ⅱ)：285.

[7] 巨永平,張永銓,呂燦仁,等.空氣源熱泵的節能效果及經濟可行性分析[J],天津大學學報,1996,29(5)：750.