城軌車輛全熱交換空調機組性能研究

孫照嵐，金甜甜，臧建彬

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.同濟大學機械與能源工程學院，上海200020）

城軌車輛全熱交換空調機組性能研究

孫照嵐1，金甜甜2，臧建彬2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.同濟大學機械與能源工程學院，上海200020）

全熱交換器是一種能量回收裝置，目前在建筑上已經得到應用，但在城市軌道車輛上尚無應用。本文以城軌車輛全熱交換空調機組為研究對象，以全熱交換器單元和空調機組整體的性能分析為基礎，設計了相應的全熱交換空調機組結構進行了性能試驗，并給出其整體性能系數。

全熱交換器；空調機組；性能系數

0 引言

近年來，我國城市軌道交通進入現代化高速發展階段，其節能問題日益受到關注。電能消耗是城市軌道交通系統運營過程中能耗的主要形式，空調系統的能耗在車輛能耗中占有很大的比例，而新風能耗約占空調系統的30%-40%。全熱交換器是一種能量回收裝置，能夠利用新風來回收排風中所攜帶的能量，在建筑上已經得到應用，但在城市軌道交通車輛上尚無應用，只有一些初步探討。

本文通過理論分析結合性能試驗的方法，對加裝全熱交換單元后城軌車輛空調機組的性能變化做了系統研究。

1 全熱交換空調機組性能分析

1.1 全熱交換空調機組

全熱交換空調機組將全熱交換器與原有的車頂單元式空調機組相結合，全熱交換器放置在空調機組兩側，如圖1所示。

全熱交換空調機組由原有地鐵列車空調機組、全熱交換器、風帽及新風道等組成。每臺空調機組配有兩臺全熱交換器，全熱交換器沿車長方向對稱分布于空調機組兩側；每臺全熱交換器配有一個新風進風風帽和一個排風出風風帽，兩個風帽沿車體橫斷面方向對稱分布與全熱交換器兩側；全熱交換器與空調機組回風口之間以保溫風管連接。新風從新風進風風帽進入全熱交換器后，與車內排風換熱換濕后由新風風道接入空調機組回風口，與室內回風混合后經空調機組蒸發器處理后送入車廂內。

圖1 全熱交換空調機組

1.2 性能分析

全熱交換空調機組將現有的全熱交換器與原有的城市軌道車輛空調機組結合起來，車外新鮮空氣先進入全熱交換單元與車廂廢排空氣換熱換濕，再與回風混合后進入空調機組降溫除濕。全熱交換器的增加引起原有的車輛空調系統中空氣處理過程發生變化，圖2為其空氣處理過程。

圖2 全熱交換空調機組空氣處理過程

空調系統的蒸發器的冷卻能力，即冷量可用下式計算[1]：

式中Q0—空調系統所需冷量，W；

G—空調系統總風量，kg/s；

iC—新、回風混合點焓值，kJ/kg；iL—送風狀態點焓值，kJ/kg。

車輛空調系統中新回風比為1：2，則由此可在焓濕圖上確定混合點，新、回風混合點焓值由下式計算可得:

式中GN—回風風量，kg/s；

GW—新風風量，kg/s；

iN—回風狀態點焓值，kJ/kg干；

iW—室外新風狀態點焓值，kJ/kg干。

則增加全熱交換單元前后的蒸發器的冷量需求如下式：

原空調機組：

全熱交換空調機組:

冷量變化:

W1點的焓值可由全熱交換器的全熱效率計算得出[2]:

式中ηi—全熱交換器的全熱效率，%；

iW1—新風預處理后狀態點焓值，kJ/kg干。

從以上分析可知，全熱交換空調機組相較于原空調機組而言，蒸發器的冷量需求變化可表示為:

式中ΔQ0—空調機組制冷量變化量，W。

本文中研究對象為用于夏季制冷的空調機組，因此本文在性能系數上可參考制冷能效比EER，它表示在規定的制冷能力實驗條件下，空調機組制冷量與制冷消耗功率之比，其單位用W/W表示。

城市軌道車輛原有空調機組的主要耗能元件為壓縮機，主要制冷元件為蒸發器，性能系數EER可用下式表示[3]：

式中WC—壓縮機消耗功率，W。

加裝全熱交換單元后，空調機組的主要耗能元件為壓縮機與全熱交換器單元中的風機，主要制冷元件為蒸發器與全熱交換器，性能系數EERQ可用下式表示：

式中WF—全熱交換單元消耗功率，W。

圖3 機組試驗設備連接圖

2 試驗研究

2.1 試驗目的及原理

本試驗參照TB/T 1804-2009《鐵道客車空調機組》進行，測試城軌車輛用全熱交換空調機組在夏季和冬季工況下運行的換熱換濕性能[4]。

標準規定，試驗時若大氣壓力低于標準大氣壓（101325Pa），大氣壓讀數每降低3.5kPa，制冷量可增加0.8%。

本試驗用全熱交換器為B樣機，外形尺寸為220mm×370mm×1250mm。

2.2 試驗臺及試驗儀器

試驗在某合作企業的風洞式焓差試驗臺上進行，設備系統圖如圖3所示。

風洞式焓差試驗臺主要由兩個環境控制室組成，兩室分別連接空氣調節設備，通過調節可使兩室內達到試驗工況所要求的溫、濕度。本試驗中，采用大風洞模擬車內環境，室外側模擬車外環境，全熱交換器置于大風洞內，空調機組置于低溫室內。室外側空氣通過保溫風管引入全熱交換器，經全熱交換器處理后連入空調機組回風道，與室內回風混合后送入空調機組，經空調機組降溫除濕處理后，由保溫風管送入大風洞內的房間流量測量裝置。房間流量測量裝置內裝有噴嘴，用來測量室內側試驗室內的空氣流量；該裝置內還裝有風機，用來平衡系統所產生的附加阻力[5]。大風洞內的空氣通過全熱交換器上的排風口進入全熱交換器，與室外側引入的新風進行熱濕交換，處理后的排風通過保溫風管送入室外側。

本試驗所用的測量儀表可總結如下，見表1。

表1 空調機組試驗用測量儀

2.3 試驗工況及結果

城軌車輛用全熱交換空調機組相較于原地鐵列車空調機組而言，增設了全熱交換裝置。在進行性能試驗時，新風閥關閉，新風通過全熱交換器后與回風部分混合進入空調機組，室內參數應仍設置成空調機組工作時回風狀態參數，即有別于標準規定室內側進氣參數。為比較加裝全熱交換器對空調機組的影響，對于原機組關閉新風閥的試驗方式也應進行更改，即未裝全熱交換器與加裝全熱交換器的兩組空調機組性能試驗應保證同樣的工況要求。具體工況設定見表2。

試驗工況中，大風洞風量要求基于全熱交換器新風風量、地鐵列車新回風比及地體列車通風量要求所定。裝置在該工況下連續穩定運行30min后，開始進行測量；連續測量20min，按5min時間間隔記錄空氣的各項參數，共記錄4次數值，結果取其平均值。

本試驗共進行兩組試驗：無全熱交換器試驗和加裝全熱交換器試驗。試驗結果見表3。

表2 空調機組試驗工況

表3 空調機組試驗工況表℃

2.4 試驗結果分析

2.4.1 空調機組的制冷量變化

根據計算，空調機組的制冷（熱）量變化見表4。該試驗中，大氣壓力為100098Pa，比標準大氣壓低1227Pa，低于標準規定的需修正制冷量的大氣壓力變化值，因此試驗結果中的制冷量不予修正。兩組試驗中，空調機組總通風量夏季相差值為61m3/h，即為0.01m3/s；冬季相差值為60.63m3/h，即為0.01m3/s，可認為冬夏季工況下均近似相等，在性能上的微小差異忽略不計。

表4 空調機組單元的制冷（熱）量變化kW

此處空調機組制熱工況下的制熱量在試驗時由于條件限制，存在偏差。另外，加裝全熱交換器后，全熱交換空調機組的整體制冷（熱）量上升主要是因為空調機組單元的制冷（熱）量高于理論值?？照{機組單元在加裝全熱交換器后，由于條件限制，并未更換為理論上的低制冷（熱）量機組，因此性能上稍優于理論值。

2.4.2 空調機組的性能系數

增加全熱交換器后，空調機組的制冷量降低，原壓縮機不再適用，應選用小功率壓縮機，則空調機組部分的電功率降低。本文擬定32kW的機組EER與40kW的機組相同，得出其相應的電功率耗值，并根據修正結果得出相應的全熱交換空調機組性能參數值。根據計算，空調機組的性能系數變化見表5。

表5 全熱交換空調機組性能系數變化

由表5可以看出：

（1）夏季工況下，總通風量為4885.90m3/h，未加裝全熱交換器時，空調機組的制冷量為40.30kW，性能系數為2.43；加裝全熱交換器時，總通風量為4824.83m3/h?？照{機組的總制冷量為41.87kW，性能系數為2.90。該空調滿足標準規定的鐵道客車空調機組的EER應大于2.1的要求。

（2）冬季工況下，總通風量為4799.23m3/h，未加裝全熱交換器時，空調機組的制熱量為28.94kW，性能系數為1.91；加裝全熱交換器時，總通風量為4859.86m3/h?？照{機組的總制熱量為29.02kW，性能系數為2.36。

需要注意的是，冬季工況下原空調機組的性能系數為1.91，與夏季工況下有所區別，且不滿足標準規定的鐵道客車空調機組的EER應大于2.1的要求，主要是試驗過程中對鐵道標準規定的試驗工況及試驗方法進行了更改，而且試驗中由于氣候條件的限制，不能精準達到試驗要求，因此出現了偏差。

綜上，可將增加全熱交換器前后的空調機組夏季性能參數進行對比，其結果如圖4所示。由于冬季情況存在偏差，且趨勢與夏季相同，此處只以夏季為例進行說明。

從上述結果可以看出，增加全熱交換器后，對于空調機組單體而言，制冷量和耗功大幅降低，同一地鐵車型可選用更小型號的空調機組，空調機組單元性能系數無變化；對于全熱交換空調機組整體而言，總耗功量降低，機組整體性能系數增大，即可用更少的電能換取相同的制冷量，達到了節能效果。

圖4 全熱交換器增加前后機組夏季性能比對

3 結語

本文對全熱交換空調機組進行理論分析，結合性能試驗的測試結果，分析了加裝全熱交換單元后空調機組的性能變化。

（1）根據試驗結果，全熱交換空調機組能夠減少9.42kW的制冷量及4.84kW的制熱量。

（2）夏季工況下，全熱交換空調機組的性能系數為2.90；冬季工況下，全熱交換空調機組的性能系數為2.36。

加裝全熱交換器后，空調機組的性能系數增大。因此，在相同空調負荷的情況下，空調機組的耗電量減小，可以達到節能的效果。

[1] 趙榮義.空氣調節[M].4版.北京：中國建筑工業出版社，2009.

[2] 朱聘冠.換熱器原理及計算[M].北京：清華大學出版社，1987.

[3] 鄭賢德.制冷原理與裝置[M].2版.北京：機械工業出版社，2008.

[4] TB/T1804-2009，鐵道客車空調機組[S].

[5] E.John Finnemore, Joseph B.Franzini. Fluid Mechanics With Engineering Application (Tenth Edition)[M].北京：清華大學出版社，2003.

修回日期：2016-08-25

Performance of Heat and Mass Transfer in Metro

SUN Zhao-lan1，JIN Tian-tian2，ZANG Jian-bin2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd，Qingdao 266111，China；2.School of Mechanical Engineering Tongji University，Shanghai 200020，China）

Total heat exchanger is an energy recovery device that has been applied architecture, but hasn’t been used in urban rail vehicle. We study the total heat exchanger in air conditioning units of urban rail vehicle, analyze the performance of the total heat exchanger unit and the overall performance of air conditioning units, design the structure of the total heat exchanger in air conditioning units and experiment its performance. Finally we find the coefficient of performance.

heat and mass transfer；air-conditioning；coefficient of performance

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.020

U270.383

B

2095-3429（2016）06-0076-05

孫照嵐（1987-），男，遼寧沈陽人，碩士，助理工程師，研究方向：空調系統；臧建彬（1973-），男，教授，博士，研究方向：軌道交通環境控制。

2016-07-22