軌道車輛空調系統的節能研究

孫方

摘 要：城市軌道車輛系統中，空調系統的能耗約占整個列車系統能耗的35%以上，因此研究空調系統的節能對整車能耗的節能具有重大意義。文章重點研究了新風量調節和多壓縮機及變頻等技術在空調系統節能方面的重要作用。

關鍵詞：列車空調；節能；新風量調節；變頻；冷凝器

引言

隨著城市軌道交通事業的迅速發展，列車的設計水平和要求不斷提高，對車內環境的舒適性也提出了更高的要求。為了提供舒適的乘車環境，車輛配備了空調設備。車輛空調系統不僅關系到乘客的舒適、安全性，而且直接影響車輛的一次投資和運營成本。同時，隨著世界能源問題日益嚴重，世界各國對能源消耗的高度重視，空調節能措施也日趨受到高度重視，因此，在滿足車輛舒適性條件下，采用新技術或有效的空調節能控制方案來控制和減少空調裝置的能耗成為發展鐵路交通的重要課題之一。

1 車輛熱負荷的組成

空調裝置的熱負荷主要由車體隔熱壁的傳熱、太陽輻射熱、車內旅客散發的顯熱與潛熱、新風熱負荷及機電設備散發的熱量組成。目前，在空調系統的設計中，主要采取以下幾種途徑，達到節能降耗的目的。

1.1 降低車體傳熱系數，增強車體的隔熱性能，從而減少車體傳熱及太陽輻射熱

主要靠車體內貼保溫材料來實現，但是受車體及內裝結構空間影響，保溫材的厚度限制，車體傳熱系數降低空間有限。

1.2 根據載客量的多少，自動對新風量進行多檔調節

為保證乘客的舒適度和健康，空調系統中最大新風量按車輛定員設定，一般按照10m3/h每人設定，傳統空調系統在車輛運行過程中新風量不可調節。由于車輛在運行過程中，乘客的人數是不斷變化的，不會一直滿載，在乘客人數較少時，如果按照定員載荷設定值，勢必造成新風熱負荷的浪費。因此通過機組內的二氧化碳傳感器或接受車輛載荷信號，自動對新風量進行多檔風量調節，滿足不同數量乘客時對應的新風量需求，即可起到新風節能的作用。新風負荷在整個空調系統熱負荷中約占1/3，因為降低新風負荷對空調系統的節能意義重大，經試驗，對新風可調空調機組和不可調機組的2列軌道交通列車在正常運行時的耗電量、客室內、外溫度和客流量進行了測量和統計，經過對檢測數據的處理和分析，采用可調新風門空調機組的列車空調節能量約為12-18%。

1.3 多級能量調節

目前空調系統較多采用2壓縮機兩套制冷回路系統，即通過啟停壓縮機來實現制冷量0、50%、100%的調節。但是軌道交通尤其是城市地鐵輕軌，車廂內的負荷隨人流（上下班高峰期）、天氣（晴天、雨天）、季節以及運行路徑（高架或隧道）等波動很大，所以對空調機組的冷量需求也是經常變化的。這就需要空調機組根據熱負荷的變化進行壓縮機的分級控制，機組的能量調節的范圍更為寬廣。采用帶卸載功能（非熱氣旁通）的壓縮機，可實現制冷量0%、35%、50%、70%、85%、100%的多級調節。

帶卸載功能的壓縮機容量控制原理：當卸載電磁閥全部關閉時，壓縮機實現全部工作能力，當一個卸載電磁閥關閉，另一個卸載電磁閥開通時，壓縮機處在卸載工作狀態，此時實現70%工作能力。利用壓縮機的能量調節和開啟關閉，可以實現空調機組多種制冷能力，本項目采用2臺壓縮機可實現如表1制冷量。

但這仍然是一種不連續的調節方式，仍然不能避免壓縮機的開關損耗，不能完全滿足車輛負荷變化對制冷量的調節需求。同時壓縮機的頻繁啟停造成客室內溫度的波動范圍較大，舒適性較差。采用熱氣旁通卸載方式的空調，是將壓縮機排出的高壓氣態制冷劑經旁通閥直接排到膨脹閥的出口，即此部分制冷劑并參與熱交換，不產生制冷量，因此通過熱氣旁通卸載的方式只調節了制冷量，輸入功率卻沒有降低，是一種能量的浪費。

1.4 采用變頻空調

變頻空調機組采用變頻壓縮機，可實現制冷能力10%-120%范圍內的無級能量輸出。壓縮機可根據客室內的熱負荷自動工作在相應的頻率，當負荷減少時頻率降低，壓縮機低頻運轉不需要停機（減少壓縮機開關損耗）。相比多壓縮機方案通過控制壓縮機的啟停來維持客室溫度的方法，避免了壓縮機頻繁啟停的損耗，溫度控制也更加精準。同時壓縮機低頻啟動，大大降低了啟動沖擊電流，減少功率消耗。在壓縮機低頻運行時，制冷劑流量減小，換熱器面積相對增大，壓縮機容積效率提高，能效比更高，可達到3.5以上。

1.5 預冷或預熱

車輛設置預冷和預熱功能。車輛準備投入載客運行前，由于車輛內還沒有乘客，因此可以不用考慮新風進入，將新風閥關閉，回風閥全開，全回風運行，達到快速制冷或加熱的目的，達到設定目標溫度或設定時間自動轉入正常運行。

1.6 春、秋過度季節，適當加大空調機組的新風量甚至關閉回風閥全新風運行

在春、秋兩季環境溫度較低，且車廂內人員較多需要制冷的情況下，當環境溫度低于車廂內設定溫度時，可加大新風量運行，利用新風對客室降溫，達到節能的目的，同時還可提高車廂內空氣的品質。

1.7 不同季節的溫度設定

根據UIC553曲線設定自動調節客室內溫度，按照季節對設定溫度進行修正，不同的時間設定不同的目標溫度值，既提高舒適度，又達到節能的效果。

1.8 冷凝器并聯

傳統的制冷回路中（假設此機組采用兩臺壓縮機），一個制冷回路采用一個冷凝器。而采用并聯冷凝器的方式，即1個壓縮機使用2個并聯的冷凝器，提高空調機組運行在半載制冷狀態下的制冷效率，以達到節能的目的。其原理是：空調機組全載（2臺壓縮機運行）時，空調機組的2臺冷凝器均使用，效果與常規方式一樣；但空調機組半載時（1臺壓縮機運行），冷凝器的利用率大幅提高，冷凝溫度較常規設計低，從而提高了機組單位能耗的制冷量。同時，在高溫卸載時（只有一臺壓縮機工作），兩側冷凝器會和所有的冷凝風量進行換熱，冷凝器換熱量幾乎增加一倍，冷凝壓力大幅度下降，從而保證壓縮機能在極端高溫下繼續工作。

1.9 采用高效節能制冷劑

列車空調制冷劑的選擇不僅需要符合《蒙特利爾協議》的環保型制冷劑，還需考慮運營的能耗節能要求，制冷劑R407c是一種具有優良的熱力性能并具有節能效果的混合型制冷劑，單位容積制冷量較R134a等其他制冷劑大，是目前軌道交通行業常用的環保型制冷劑。

2 結束語

以上幾種節能方案并不是孤立的，通常是根據運行環境要求同時采用其中幾種節能方法，跟傳統列車空調系統相比，采用上述幾種節能方案的系統具有高效、低能耗、高舒適性的特點。并且在越來越多的項目設計中被運用，具有良好的可行性與可靠性。