城市軌道車輛空調系統的節能方案分析

于文晶，康偉

（中國北車集團長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062）

城市軌道車輛空調系統的節能方案分析

于文晶*，康偉

（中國北車集團長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062）

本文闡述了城市軌道車輛空調系統中采用變新風及并聯壓縮機的方案，實現城市軌道車輛空調系統的節能要求。結合城市軌道車輛項目空調系統的節能方案研究和應用，針對變新風及并聯壓縮機的方案進行了分析和論證，為車輛空調系統節能控制提供參考和依據。

車輛空調系統；變新風；并聯壓縮機；節能

0 引言

在科學技術快速發展的今天，綠色節能環保已經越來越受到人們的重視，實現可持續發展也成為經濟發展的一個重要目標。在城鐵車輛的設計中，這一理念也已得到重視，并進行了推廣，本文將就城鐵車輛定頻空調機組的節能進行論述。

1 節能方案應用

在城鐵車輛的各個系統中，空調系統的耗電量大，根據相關文獻[1]，以空調系統為主的輔助系統耗電量占車輛耗電量的50%，因此在空調系統采用節能設計對整車的節能效果意義重大。

目前城鐵車輛的空調機組一般分為變頻和定頻兩種型式，國內的城鐵車用的變頻空調機組起步相對較晚，同時由于變頻技術的限制，導致變頻空調機組的應用并不多；而定頻技術作為主要的空調機組方案，已被廣泛應用于國內城鐵車車輛項目。

表1為城市軌道交通車輛空調系統的幾種節能方案。

由于變頻熱泵技術在軌道交通車輛空調系統上的應用并不廣泛，而幅流風機的設定與車輛內裝緊密聯系；小管徑銅管換熱器[2-3]具有一定的節能作用，但在車輛上應用極少，因此本文針對變新風節能方案和壓縮機并聯方案的方案加以分析。

表1 城市軌道交通車輛空調系統的節能方案

2 變新風控制方案

2.1 原理

城鐵車輛空調系統的目的是將進入空調機組內部的、由新風和回風混合后的混合風通過蒸發器的降溫除濕過程，再送入車廂內部，以滿足乘客乘車舒適性要求。空調機組的制冷量由車內冷、濕負荷[4]確定，而在負荷計算中，新風負荷占據了很大的比重。

傳統車輛空調系統中，新風量并不按照乘客的數量設定，而是均按照AW2載員時人均新風10 m3/h[5]設定。因此大部分時間新風超過需求，采用根據載客數量調整新風方案可以有效實現節能控制。通過對上海軌道交通一號線全天客流量和上海地區夏季氣象資料的調研[6]，定新風量空調負荷要比變新風量空調負荷大，而差別在于新風量的負荷[7]。計算分析得到軌道交通一號線車輛空調系統新風負荷的節能潛力約為12.6%～14.6%。另外，據調查，新風負荷在制冷負荷中占比較大，圖1和表1為某項目中的M車、Mp車制冷負荷分配情況。

圖1 M車、Mp熱負荷分配圖

表1 M車、Mp車熱負荷分配表

從表1可見，新風負荷將近占總制冷負荷的一半，而新風負荷主要由乘客負載產生。由于受車輛線路、站間距、行車密度以及工作日與非工作日、車輛沿線的情況等因素影響，城鐵車輛的載客量波動量很大，因此在載客量較小時降低新風量，則車輛空調系統的節能設計效果非常明顯。

因此，根據軌道交通車輛載客量實時控制新風量是一種行之有效的節能措施。

2.2 變新風節能方案

新風門根據車內載荷情況進行調節，實現節能、舒適度的要求。新風量的控制方法[8]有2種，可以采用二氧化碳濃度檢測，即在回風門設置二氧化碳傳感器[9]，根據二氧化碳濃度調節新風門，從而改變新風量。

此外，還有更為可靠且易行的方式，即采用載客量信號進行控制。空調系統控制根據車載人員的數量來調節新風閥開度，由TCMS傳送過來的車輛載荷信號，新風閥開度分為4檔，分別為25%、50%、75%及100%，具體可見表2。

通過這些方案，可有效實現車輛空調系統的節能要求。

表2 車輛新風閥開度

3 壓縮機4級能量調節節能方案

3.1 原理

空調機組內設有2套獨立的制冷系統，每個制冷系統中有一組由2臺壓縮機并聯組成的壓縮機組，通過控制壓縮機開啟的個數，實現4級能量調節。

3.2 四級調節節能方案

每臺空調機組設有4臺壓縮機，通過管路兩兩并聯，壓縮機設有過載、欠壓等保護，設有高低壓壓力保護裝置。壓縮機采用的是柔性渦旋壓縮機[10]，振動及噪聲較低。

通過開啟壓縮機的數量，來實現以下四種制冷模式。

制冷模式1：每臺空調提供25%的制冷功率，即每臺空調機組僅一臺壓縮機工作。

制冷模式2：每臺空調提供50%的制冷功率，即每臺空調機組內各有一套制冷系統中的1臺壓縮機工作。

制冷模式3：每臺空調提供75%的制冷功率，即每臺空調機組2套制冷系統中1套2臺壓縮機工作，1套僅1臺壓縮機工作。

制冷模式4：每臺空調提供100%的制冷功率，即每臺空調機組2套制冷系統4臺壓縮機全部工作。

單臺機組運行模式及壓縮機工作狀態見表3。

為了保證車廂溫度調節的均勻性，每節車所配備的2臺客室空調機組的壓縮機組合工作模式始終相同。在制冷運行過程之中，客室空調根據收到的適時的室內溫度值與目標設定數值進行比較，當超過規定的偏離值時，機組相應的更換運行模式，增加或者減少制冷能力。運行模式的變換是逐級的。

表3 單臺機組運行模式及壓縮機工作狀態

3.3 壓縮機4級能量調節方案與傳統項目節能對比

以某項目空調機組壓縮機試驗數據為例：表4為3種方案能耗對比數據；圖2為3種方案在不同工況下的功耗對比。

通過對比，可以看出采用壓縮機4級調節方案的節能效果優于其他2種傳統的方案，特別在高溫條件下節能效果更為明顯。

表4 不同工況的功耗對比

圖2 不同方案在三種工況下的功耗比較圖

4 結論

在城市軌道交通車輛空調系統中，上述的變新風節能方案與壓縮機4級調節節能方案，均在工程實踐中通過驗證，取得了一定的成果，但從另外的角度而言也存在一些問題，比如如何通過載客量確定新風門的開度控制和新風量、車輛運行速度對新風量的影響以及并聯壓縮機帶來的油平衡等問題，還需要不斷試驗及研究，從而確定更加優化的方案實現空調系統的節能效果。

[1] 李瑞振. 地鐵車輛應用變頻空調的節能分析[J]. 節能, 2014, 33(1): 33-36.

[2] 尤順義, 張靜, 林燦洪, 等. 小管徑內螺紋銅管在空調系統中的應用[J]. 制冷技術, 2010, 30(2): 22-25.

[3] 任滔, 丁國良, 韓維哲, 等. 空調器中采用小管徑的影響分析及研發思路[J]. 制冷技術, 2012, 32(1): 49-52, 67.

[4] 錢海雷, 許慧慧, 高屹峰, 等. 公交客車空調銅, 鋁翅片散熱器抑菌性能對比研究[J]. 制冷技術, 2012, 32(3): 18-22.

[5] CJ/T 354-2010城市軌道交通車輛空調、采暖及通風裝置技術條件[S].

[6] 陳佳, 劉葉弟, 王亞偉, 等. 上海地鐵1號線車輛空調系統的部分負荷特性分析[J]. 鐵道車輛, 2011, 49(12): 8-9.

[7] 陳佳, 臧建斌. 上海軌道交通列車空調節能分析[C]//上海市制冷學會2009年學術年會論文集, 2009.

[8] 陳煥新, 楊培志, 趙向紅. 空調客車中新風量的控制[J]. 鐵道機車車輛, 2000(6): 25-26.

[9] 周志雄. 客車空調的新風控制與節能[J]. 電力機車與城軌車輛, 2004, 27(4): 45-46.

[10] 殷光文, 董天祿. 美國谷輪柔性渦旋壓縮機技術應用指南第一講空調用ZR系列壓縮機[J]. 制冷技術, 1998, 18(2): 37-40.

Analysis of Energy Saving Scheme for Air Conditioning System of Urban Rail Vehicle

YU Wen-jing*, KANG Wei
(Urban Transit Vehicles Development Department, Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun, Jilin 130062,China)

The scheme by applying variable fresh air flow and parallel-connected compressors programs used in the air conditioning system of urban rail vehicle was proposed, which may achieve the energy-saving requirements air conditioning system in urban rail vehicle. Combined with the energy saving research and application, the programs for application of the variable fresh air flow and parallel-connected compressors were analyzed and demonstrated, which would provide reference and basis for energy-saving control for the vehicle air conditioning system.

Vehicle air conditioning system; Variable fresh air; Parallel-connected compressors; Energy saving

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.206

*于文晶（1980-），女，高級工程師，學士。研究方向：軌道車輛空調采暖。聯系地址：吉林省長春市綠園區青蔭路435號，郵編130062。聯系電話：0431-87832053。E-mail：yuwenjing@cccar.com.cn。