節能型地鐵車輛空調的能量調節方式

范英輝

【摘 要】空調是地鐵車輛運行過程中的重要能耗裝置，車輛空調的節能對整個地鐵運營系統的能源合理利用具有重要的意義。本文結合天津市濱海新區Z4線工程車輛空調系統的選型設計，重點介紹了軌道交通車輛空調能量調節的四種形式：變頻機組、并聯機組、壓縮機旁通卸載機組和bock壓縮機機組，并對各自的工作原理和優缺點進行了對比分析。

【關鍵詞】節能 地鐵車輛空調 能量調節 方式

空調是地鐵車輛運行過程中的重要能耗裝置，車輛空調的節能對整個地鐵運營系統的能源合理利用具有重要的意義。根據目前運營線路的能耗統計數據分析，一條20公里的地鐵線路，平均每年的能耗達到8000kwh。其中車輛用電量為總用電量的50%～60%，以空調為主的輔助系統耗能約占車輛耗能的50%。因此在選型設計中，除了考慮安全性和實用性之外，也必須將節能設計作為重要的環節。

根據行業調查情況，在我國現有鐵路、地鐵等軌道交通車輛中，90%以上采用單冷定頻空調，少部分采用變頻、熱泵等節能方案。空調系統的節能是一個綜合性工程，包括車輛形式、風道選型、風量控制和機組能量調節等多種方式。其中空調機組的能量調節是所有方式中最為核心的內容。本文針對天津濱海Z4線車輛空調的設計選型實際，就地鐵列車空調設計中的節能方案做一對比分析。

目前我國軌道交通行業中的能量調節機組主要采用以下形式：

1變頻機組

所謂的“變頻空調”是與傳統的“定頻空調”相對比而產生的概念。眾所周知，軌道交通車輛空調常用驅動電壓為380伏、50赫茲，在這種條件下工作的空調稱之為“定頻空調”。由于空調機組的供電頻率不能改變，傳統定頻空調的壓縮機轉速基本不變，依靠其不斷地開啟和關閉部分或全部壓縮機來調節室內溫度。而與之相比，“變頻空調”通過變頻器來改變壓縮機供電頻率，并以此調節壓縮機轉速。依靠壓縮機轉速的快慢達到控制室溫的目的，使得制冷室溫波動較小、舒適度較好。

變頻空調機組內部設置有兩臺變頻壓縮機，并安裝兩臺變頻器。變頻控制器根據車輛反饋的載荷信號及室內溫度，通過變頻器控制壓縮機的工作頻率，調整壓縮機的能量輸出，實現空調系統制冷能量的多級調節。變頻空調機組，對室內的溫度控制更準確，并可根據車輛實時的溫度波動和載荷變化，迅速調節壓縮機的輸出，維持客室內相對穩定的空氣環境。

2并聯機組

制冷系統一般是按照額定工況的制冷負荷進行選型設計的，在額定工況（夏季炎熱時期、超員載荷）及其以上的惡劣工況下，并聯壓縮機組與一般壓縮機組并無不同，而在一年中的多數時間內（春夏交替、夏秋交替時期，早晚時間段等），空調機組均在額定工況以下的非滿負荷運行。

對于非滿負荷工況，使用兩臺壓縮機的空調機組設置有全冷、半冷、通風等工況。當客室內的溫度持續下降，達到預定的半冷工況的溫度值，此時停一臺壓縮機，如果車廂內溫度繼續下降，再關停運行的壓縮機，轉入通風模式。形成0～50%～100%的能量調節模式。

并聯式空調機組一般采用4臺立式壓縮機，并兩兩并聯共用一套制冷系統。在實際使用中，控制器根據車輛反饋的載荷信號和溫度值，調整機組中壓縮機的運行數量，可以實現四級能量調節的功能。

對于使用4臺并聯壓縮機系統的空調機組來說，其能量調節模式與一般空調機組相同，但其調節狀態為0～25%～50%～75%～100%，形成多級能量調節模式。并聯壓縮機組在非滿負荷運行時，如75%（停1臺壓縮機）、50%（停2臺壓縮機）、25%（停3臺壓縮機）狀態時，由于散熱器的換熱量相對減少，但換熱面積及冷凝風量不變，整個機組的換熱效率會大幅提高，機組的能效比值相比4臺壓縮機全開時要大。此時機組在制冷量達到要求時，輸入功率下降，同樣能產生節能效果。

空調壓縮機的頻繁起停同樣會造成能量的損耗，壓縮機在停機2分鐘以后，系統內高低壓力就會達到平衡狀態。壓縮機再次啟動時系統需要重新建立高低壓差，使系統管路預冷卻后，才能輸出制冷空氣。壓縮機在每次起停過程中，由開始建立高低壓差到正式輸出冷空氣的過程，是常規定速空調能量損耗的重要環節。根據從國內既有地鐵項目得到的實測數據，常規空調在環境溫度達到35℃時，每天壓縮機停機次數可達到36次。在此情況下，空調系統建立壓力累計需要36分鐘（空調系統開啟壓縮機后建立壓力差的時間約為1分鐘），壓縮機最短停機時間為2分鐘。由此可知，即使在環境溫度在35℃，空調系統不需要制冷的時間占全天的百分比為10%（每天運行時間按照18小時計算），空調系統壓縮機在建立壓力過程中完全損耗的能量占比為3.33%。

3壓縮機旁通卸載機組

壓縮機旁通卸載機組主要功能部件是熱氣旁通閥，該閥是一種利用制冷劑壓力和彈簧力的平衡原理來控制閥入口和出口壓力的機械裝置。作為能量調節的旁通閥可以提供一種手段，即通過旁通制冷劑高壓側至系統的低壓側，來保證系統能在給定的最低吸氣壓力下正常工作。

空調機組采用兩臺普通的定頻壓縮機，通過在壓縮機的排氣口處設置旁通結構，將部分排氣直接導向壓縮機的吸氣管。其控制器通過檢測室外溫度，對比室內溫度，控制旁通電磁閥動作，調節系統的能量輸出，實現空調系統的能量調節。

4博客（bock）壓縮機機組

空調機組采用兩臺博客（bock）壓縮機，在壓縮機吸氣口處安裝能量調節閥，通過能量調節閥的開閉來通斷同側氣缸的吸氣通道，從而實現壓縮機的能量調節。一臺空調就可以實現25%、50%，75%、100%的冷量調節。

對于博客（bock）半封活塞壓縮機，其節能原理與并聯壓縮機類似，如果采用4缸壓縮機就可以通過能調閥進行2個氣缸的關閉實現調節功能，而同樣在非滿負荷條件下，關閉2個氣缸，制冷系統所經過的蒸發器和冷凝器面積不變，相當于換熱面積增大，可以實現節能效果。但由于活塞壓縮機停止2個氣缸并未相當于用電功率減半，而相當于全負荷時的60%，所以相比于并聯壓縮機停止1臺壓縮機即減少一半的功耗來說能耗略有增加。

目前國內軌道行業采用半封活塞壓縮機的項目不多，按照壓縮機廠家及相關數據信息，半封活塞壓縮機具有15%～20%的節能效果。

參考文獻：

[1]李瑞振.地鐵車輛應用變頻空調的節能分析[J].節能，2014，01：33—36.