地鐵車輛空調制冷系統的節能設計

關秋佳　邵偉平

摘 要 在地鐵車輛空調機組中，其制冷系統主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器及節流裝置基本組成，在整個系統中循環流動的制冷工質為制冷劑。制冷系統的設備設計及參數選擇合理，可以提高整個系統的制冷效果，實現節能降耗，獲得最佳的經濟效益。

關鍵詞 車輛空調 制冷系統 節能

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.01.069

1 制冷劑的選擇

對于空調所使用的制冷劑，一般要滿足以下要求：

（1）臨界溫度要高，凝固溫度要低。這是對制冷劑性質的基本要求。臨界溫度高，便于用一般的冷卻水或空氣進行冷凝；凝固溫度低，以免其在蒸發溫度下凝固，滿足較低溫度的制冷要求。

（2）在大氣壓力下的蒸發溫度要低。這是低溫制冷的一個必要條件。

（3）壓力要適中。蒸發壓力最好與大氣壓相近并稍高于大氣壓力，以防空氣滲入制冷系統中，從而降低制冷能力。冷凝壓力不宜過高，以減少制冷設備承受的壓力，以免壓縮功耗過大并可降低高壓系統滲漏的可能性。

（4）單位容積制冷量要大。這樣在制冷量一定時，可以減少制冷劑的循環量，縮小壓縮機的尺寸。

（5）導熱系數要高，粘度和密度要小。以提高各換熱器的傳熱系數，降低其在系統中的流動阻力損失。

2 冷凝器及參數選擇

冷凝器是制冷系統中重要的換熱設備，其作用是將從壓縮機出來的高溫高壓的制冷劑蒸氣的熱量傳遞給冷卻介質——水或空氣，而形成高穩高壓的過冷液體。冷凝器的選擇主要有兩個方面：形式和參數。

采用不同形式的冷凝器直接影響其冷凝溫度，也直接影響到其運行的耗能量。據相關統計證明，若采用蒸發式冷凝器，其壓縮機耗功是最小的，可以比空冷式冷凝器節省30%，比水冷式節省10%。然而，對于每天運行在鋼軌上的軌道車輛，受其運行條件的限制，只能采用空氣冷卻式冷凝器。

對冷凝器而言，其主要參數是冷凝溫度和冷凝壓力。而冷凝溫度是制冷循環中主要運行參數之一，其設定合理與否直接影響到制冷裝置的制冷效果、安全可靠性和能耗水平。從壓焓圖分析可以知道，冷凝溫度與冷凝壓力相對應，冷凝溫度升高時，冷凝壓力也升高，則直接導致壓縮比增大。其結果是引起兩個不良效應：一是壓縮機的輸氣系數降低，功耗增大，制冷系數下降；二是使壓縮機排氣溫度升高，壓縮機的故障率增加，運行安全可靠性降低。因此，從理論分析看，應盡可能使制冷系統在較低的冷凝溫度下運行。然而，在實際設計中，冷凝溫度過低將產生更加不利的效果。在地鐵車輛運行時，實際的冷凝溫度是變化的，當實際溫度高于設計的冷凝溫度時，將使實際的熱負荷增大，冷凝器不能滿足要求，實際的冷凝溫度將升高，能耗增大，制冷裝置效率也將下降。

因此，在設計冷凝器的冷凝溫度時，要充分考慮各種不利的因素，選擇適當的冷凝溫度，保證制冷裝置在高效率下節能運行。

3 蒸發器及參數選擇

冷卻液體的蒸發器有殼管臥式蒸發器、干式蒸發器和沉浸式蒸發器；冷卻空氣式蒸發器有冷卻排管和直接蒸發式空氣冷卻器兩種。由于地鐵車輛的特點，蒸發器采用冷卻空氣式。其中冷卻排管多用于冷庫和冷藏箱中，特點是制冷劑在管內蒸發，空氣在管外自然對流，傳熱系數較??；而直接蒸發式蒸發器適用于各種空調機組、冷藏庫和低溫試驗箱，其特點是制冷劑在蛇形管內蒸發，管外空氣在通風機的作用下強迫流動，傳熱系數比冷卻排管高。因此，在地鐵車輛空調中，宜采用直接蒸發式空氣冷卻器。

蒸發溫度是制冷裝置運行的重要參數。從壓焓圖分析可知，若蒸發溫度過高，則滿足不了被冷卻對象的低溫要求，無法滿足要求室內空氣指標。若蒸發溫度過低，則相應的蒸發壓力也降低，使壓縮比增大，壓縮機的輸氣系數降低；同時單位容積制冷量急劇下降，單位壓縮功明顯增加，運行效率，能耗增大，壓縮機的工作條件也隨之惡化。因此，蒸發溫度在確定時，應在滿足冷卻性能前提下，盡可能采用較高的溫度數值。

4 壓縮機及電動機的選擇

根據相關部門數據的統計，制冷壓縮機的耗電量占制冷裝置總耗電的60%以上，因此，在地鐵車輛空調壓縮式制冷裝置中，壓縮機的節能尤為重要。

壓縮機的種類很多，常見有活塞式、離心式、螺桿式、旋轉式、渦旋式等形式。

活塞式壓縮機具有高速、多缸、能量可調、熱效率高、適應于多種制冷劑等優點；其確定是結構復雜、易損件多、檢修周期短、對濕行程敏感、有脈沖振動及運行平穩性差。

螺桿式壓縮機具有結構簡單、易損件少、體積小、重量輕、單機壓縮比大、對濕行程不敏感、振動小、對基礎要求低、輸氣系數高、排氣溫度低及熱效率高、制冷量可調的優點；其缺點是噪聲較高，耗油量大，油路系統和輔助設備比較復雜。新型螺桿式制冷壓縮機運行經濟性、可靠性和壽命等均已超過活塞壓縮機。

離心式壓縮機的優點是轉速高、制冷量大、機械磨損小、易損件少、維護簡單、持續工作時間長、振動小、運行平穩、對基礎要求低、制冷量可調。其缺點是制冷量不能太小、每級的壓縮比較小、效率低于活塞式、對制冷劑有一定要求，操作不當時會產生喘振。

旋轉式壓縮機的中心軸式葉片交遞旋轉圓形結構，旋轉式壓縮機的排量大，結構簡單且旋轉式壓縮機設計合理。旋轉式壓縮機充實的功能部件與保護裝置，噪音低、安全可靠。為保護旋轉式壓縮機不致損壞，旋轉式壓縮機采用延時型防爆固態繼電器和過載保護及熱保護器件，為了防止靜電所帶來的危害，對旋轉式壓縮機內腔噴涂導電漆消除靜電效應，使用更安全。

全封閉渦旋式壓縮機是當前最先進的制冷壓縮機，在抗振動、抗液擊以及頻繁起停等方面具有優異的性能，特別適合于沖擊和終動大的運輸工具上。與其它型式的壓縮機相比，具有噪聲低、振動小、效率高，壽命長的特點，壓縮機壽命大于50000小時。

通過上述分析和比較，并結合制冷劑R407C的使用，建議使用新型的全封閉渦旋式制冷壓縮機，可以獲得更好的節能效果。渦旋式制冷壓縮機作為鐵道車輛及城軌交通車輛上新型制冷設備，在國外已有成功的使用經驗，并取得了良好的效果。

根據車內最大制冷量的要求，可以確定壓縮機的容量。然而，在實際車輛運行中，車內的熱負荷是隨著外界條件變化而變化的，因此，有必要對壓縮機制冷量進行調節。

壓縮機采用能量進行調節后，可以取得以下效果：車輛空調實際制冷量與熱負荷平衡，提高運行的經濟性；減小蒸發溫度的波動，相應地減小被冷卻對象的溫度波動，減少壓縮機啟動次數，延長壓縮機使用壽命；保證壓縮機空載或輕載啟動。由于車輛在運行時，制冷裝置在部分負荷下運行的時間占很大比例。壓縮機在設計時采用能量調節對于空調系統的節能具有重要意義。

地鐵車輛空調壓縮機的能量調節可以采用以下方案：在制冷系統高低壓區之間設置一個旁通路，這樣根據蒸發器的實際充氣量調整壓縮機容量。

將旁路閥安裝在制冷系統的高壓線和低壓線之間，旨在通過向蒸發器旋管和恒溫膨脹閥之間的管線注入熱氣，根據蒸發器的充氣量來調節壓縮機容量。通過外部控制管線實現的與抽風管線的直接連接可以調節熱氣的注入，與蒸發器旋管中的壓力損失無關。該動作可通過主通風口、控制進口和出口的壓力。這樣，閥門的開度直接根據壓縮機的抽風壓力而定。

在車輛空調系統中還有冷凝風機和通風機電機。這些電動機在使用過程中，其能耗也不容忽視，因此在設計和選擇上必須加以考慮。對于通風機而言，在一車的兩套空調系統中，可以設置四臺通風機，這樣一來便可以根據車內實際熱負荷的變化，依托所在的獨立制冷系統，分別進行0臺、2臺、4臺同時工作，進行合理的能源消耗；每套機組中可以設置一套冷凝風機，為了適應制冷量的變化，冷凝風機可以采用調速電機，設兩級調速，分別對應車輛半冷和全冷下的功率，從而實現能源的合理使用。