全生命周期城鐵車輛空調系統節能技術分析

肖 占

上海軌道交通設備發展有限公司

0 引言

城鐵車輛的空調系統能耗較大，占比車輛總體能耗的30%左右，南方地區比例更高，開展車輛空調系統的能耗研究意義重大。目前城鐵車輛空調系統的節能研究主要停留在變頻空調機組、變新風控制、機組熱泵技術等方面，從整車系統以及運營維保角度考慮較少。本文根據成熟項目的應用經驗以及行業內主要前沿技術，介紹全生命周期的系統空調節能經驗，包括從機組自身范疇、整車隔熱、氣流組織、溫控系統、送風系統、智能運維系統等多角度考慮，為車輛30年的全生命周期的節能運營提供技術參考。

1 設計階段

1.1 配置直流直進空調機組

傳統城鐵車輛空調機組由安裝于車下的輔助逆變器（SIV）進行供電，該逆變器重量較大，以常見的6節編組A型地鐵車輛為例，每列車需要配置3套輔逆裝置，每套重量約1 500 kg。從整車減重、提高車下空間布局、減小車上空調柜尺寸、減少車下至車上的貫穿布線，以及提高電能轉化效率等角度考慮，可使用DC1 500 V或DC750 V直進空調機組代替原AC 380 V空調機組。文獻[1]詳細介紹了兩種供電方式對比分析以及DC750 V直進空調機組的設計和應用方案。直流直進供電空調機組已經有多條線路的應用，如北京地鐵8號線[1]、土耳其薩姆松現代有軌電車及下一代地鐵等線路。DC750 V和AC380 V兩種供電型式的空調機組對于空調系統乃至整車的影響簡要對比見表1。

1.2 進行K值計算，優化整車隔熱

根據城鐵車輛的制冷負荷計算，車輛的圍護結構傳熱負荷占比整個車輛制冷負荷的8%左右（靜止狀態AW2工況的計算結果，在車輛運行時實際傳熱負荷增加），因為相較于新風負荷和乘員熱載荷占比較小（兩者各占比35%左右），在新車設計的整車隔熱設計中不被重視，加上車輛主機廠仿真計算資源的限制，新車設計周期較短等因素，一些新車項目未經K值仿真計算而僅僅依據以往車輛設計經驗，便確定了整車隔熱措施-防寒材料的布置。本文根據項目經驗簡要介紹一種耗時較短但較為準確的k值理論計算方法，用于在設計之初進行車輛圍護結構的隔熱能力計算，確保整體滿足k值要求的同時可對隔熱薄弱的環節進行補強優化。

由于車體各部位結構與隔熱材質不同，采用分層分區法進行整車K值計算，整車按照結構不同劃分為若干個典型分區，如底架、端墻、側墻、車頂、車門、車窗、車頭、貫通道等，通過計算得出每個分區截面的K值，最終根據面積加權得出整車K值。計算中需求的計算輸入參數，如車體內、外表面的對流換熱系數，則根據鐵標《鐵道客車采暖通風設計參數》(TB1955-2000)，《鐵路空調客車熱工計算方法》(TB1957-91)和《客車空調設計參數》(TB1951-87)來確定[2-4]。一般情況下可選取，當車輛處于靜止狀態時，內表面對流換熱系數推薦為8 W/(m2·k)，外表面對流換熱系數推薦為16 W/(k·m2)。如某有軌電車的K值計算結果顯示，車窗（3．5 W/(K．m2)）和車門（4．5 W/(K．m2)）區域的K值較大，傳熱較多，因在地面運行，需要進行車窗的貼膜，提高隔熱能力，避免運營后產生乘客投訴。

1.3 提高座椅底部-側墻回風方式的側墻隔熱能力

傳統車輛使用的是側頂活門間隙回風的方式，如部分車輛項目該區域間隙可達到15 mm，該方式送回風循環路徑短小，乘客舒適性較差，回風短路現象明顯，造成制冷量及能源浪費。為減緩該問題，很多車輛主機廠開發使用了座椅底部-側墻的回風方式，即車廂內的回風先進入座椅底部的孔板，經過側墻、側頂，再進入空調機組的回風口，如圖1所示。該回風方式在上海地區的城鐵車輛項目應用較多，但伴隨而來的問題是，隔熱能力降低，即側墻內的回風與車外環境的隔熱僅有側墻及其表面的隔熱材料（泡棉），相較于常規車輛的側墻隔熱缺少了夾雜空氣層的內裝側墻。對于此問題，必須替換使用導熱系數更低的隔熱材料鋪設側墻，以進行適應性設計，如果繼續沿用傳統側頂回風方式的側墻隔熱方案，必然造成側墻傳熱量大幅增加，車輛能耗增加，這也是部分南方城鐵車輛在夏季高濕天氣，外側墻出現冷凝水的緣故之一。

圖1 座椅底部-側墻回風方式氣流組織示意圖

1.4 合理布置溫度傳感器

國內城鐵車輛空調系統的運行大多依據UIC553曲線，客室內的平均溫度值是溫控系統的核心參數，即如何布置客室溫度傳感器以準確獲取客室平均溫度尤為重要，也直接影響了空調機組的運轉頻率，將影響空調機組的能耗。因乘客觸手可達，為確保傳感器不被損壞、功能可靠，溫度傳感器無法布置到數值最為準確的客室內區域，只能安裝在客室內裝與車體結構之間，此外，從溫度傳感器的布線以及后期維護便利等因素的考慮，大部分車輛項目的客室溫度傳感器安裝在側頂活門內的側墻上，如圖2中A傳感器位置。該位置處空氣溫度較客室平均溫度偏高3℃左右，存在以下三個不足：一是該位置靠近車體結構弧頂，雖鋪設了隔熱材，依然存在較大的熱輻射；二是該處溫度傳感器的支架安裝在側墻上，支架一般為鋁合金材料，導熱系數高，易形成熱橋，對溫度傳感器產生熱輻射；三是該處溫度傳感器感受的多是側墻下部流經上來的空氣溫度，該部分空氣因流經側墻被側墻加熱后，空氣溫度較客室內溫度偏高幾度。這種溫度傳感器的布置方案，一般是通過溫度補償的方式來進行補償控制，即通過測量實際運行后的幾個關鍵工況數值進行溫度補償，在控制軟件中進行目標溫度的上下漂移補償，但因為只有若干個有限的工況點，無法覆蓋復雜多變的各類工況，很難做到精確控制，必然帶來能耗的增加。部分車輛主機廠提出了B方法的客室溫度傳感器布置方案，如圖2的B傳感器位置。該傳感器安裝在內裝側頂活門上，并在傳感器下方的側頂活門開孔，可更接近客室內空氣。該方案避免了側頂的熱輻射，安裝于側墻支架的熱橋，以及側墻加熱后的空氣流，更加接近客車室內空氣溫度，維修可達性和空間上也很便利。合理布置客室溫度傳感器，如使用B種布置方案，可提供較為準確的客室平均溫度，使空調機組執行較為準確的溫度控制，提供較為舒適的客室溫度，也可避免過度制冷帶來的能耗增加和空調機組停機后的車內冷凝水問題。

圖2 兩種客室溫度傳感器布置示意圖

1.5 變風量VAV送風系統應用

城鐵車輛空調的送風基本是定量送風，僅新風量是根據人員載荷進行分級控制，一般為四級控制。變風量送風方式在建筑行業空調系統應用廣泛且節能效果明顯，有研究結果表明，變風量系統相較于定風量系統可節能35%左右[5]。城鐵車輛運營的客流量存在明顯的潮汐現象，即只有工作日早晚高峰時段的載客量是滿負荷甚至超負荷的，其他大部分時間載客量較低，這種現象提供了車輛變風量系統的應用空間。當前運營的城鐵車輛均設置了強風模式，用于在AW3載客工況，加強通風，也屬于變風量的一種方法，為增加風量的變風量，可謂兩檔的變風量系統。目前已有部分車輛主機廠和空調機組廠進行了風量變化范圍更廣的城鐵車輛變風量系統的研究，如文獻[6]提出了城鐵車輛空調變風量系統的可實現方式，可通過調整新風門、回風門和風機轉速來實現車輛變風量送風。使用變風量系統，根據乘員載荷信息，空調系統提供相應的新風量以及總送風量，具備以下優勢：一是提高客室乘員舒適性，在乘客量較小的情況下可降低吹風感；二是降低噪音，風量減小，風機轉速降低，噪音也隨之降低；三是降低風機以及機組的能耗。

2 運營階段

2.1 變新風控制技術

新風負荷占比整個空調負荷的35%左右，諸多的新車采購合同中也明確了要求使用變新風控制。空調機組通過接收車輛載荷信號來調節新風門開度，調整新風量，降低新風負荷，進而減小空調機組輸出功率，達到節能目的。新風門的調節根據車輛載客量進行調節，新風門可根據空調系統指令進行無級調節，保證不同開度下對應的新風量滿足客室內乘員需求。新風門的不同開度參數可在空調機組與風道匹配試驗以及整車氣候試驗中進行測試調節。

2.2 自動溫控技術

由于變頻空調技術在軌道交通空調領域的成功推廣，目前新造的大部分城鐵空調機組已經使用了變頻空調技術。車輛運營方應充分發揮變頻空調的優勢，盡量開自動檔位運行，減少使用手動制冷模式尤其是最低溫手動制冷模式的人為干預。變頻空調及其配套的控制系統，采用PID-熱力學自動優化控制，在任何工況下，均可保證空調機組始終以最高效率運行,可有效提高空調季節能效比，有利于空調節能，也減少了客室溫度的波動，提高客室溫度舒適性。

3 維保階段

3.1 配置智能運維PHM技術

隨著智能技術在軌道交通行業的逐步應用，車輛PHM系統逐漸被城鐵運營方接受并應用在新車及舊車改造項目上。車載空調PHM系統，利用空調機組自身各傳感器采集數據，結合車輛的運行環境、線路條件和負載狀況等相關信息，開展故障預測及健康管理活動，可以實現：

1)對空調設備健康狀態進行在線監控，通過預設的預測和健康管理模型，預測空調系統可能發生的故障及潛在影響，及時推送給車輛運營方報警信息和建議措施；

2)根據空調系統的健康狀態，將空調機組的計劃修優化為狀態修，及時維修維護，有效減緩機組性能衰減，確保空調機組長期維持在健康狀態，進而降低空調系統運行期間的能耗，同時也可降低空調系統的在線故障率。

智能運維PHM系統的配置對空調系統的節能影響不僅體現在車輛空調機組的節電量，還體現在如減少混合風濾網的更換次數和清洗次數、減少材料浪費，還包括在維修車間的各種維修工種的能耗節約。

3.2 大修時清洗送風風道

為實現均勻性送風，空調系統的送風風道一般為靜壓腔結構形式，并在風道內部設置了多個擾流板，長時間運行后風道內積累大量的灰塵和污垢，較大程度影響送風空氣質量和送風總量，需要進行必要的清洗。上海某項目的風道清洗前的通風量測試結果顯示，運行10年的風道內積灰嚴重，送風量降低達20%以上。送風量的減少，則降低了混合風與蒸發器的換熱效率，為提供相同的制冷量，則必然增加送回風溫差，增大了壓縮機負載，降低了機組能效比，增加空調系統能耗。這也是車輛運營多年后，空調系統能耗上升的一個重要原因。

隨著軌道交通市場向維保方向的轉變，市場上可執行城鐵車輛風道清洗的廠家也日益增多，大多廠家是從商用中央空調清洗廠家轉變而來，主要的清洗方法是，車輛大修期間保持送風風道不拆除，僅拆除送風格柵和風道下部的導流孔板，使用手持式旋轉刷清潔風道，同時使用集塵器同步回收揚塵。

4 總結

本文根據成熟項目的應用經驗以及行業內的主要前沿技術，從空調系統、整車系統以及運營維保角度分析，分別從設計、運營和維保三個階段闡述了全生命周期內城鐵車輛空調系統的節能關鍵技術，為車輛30年的全生命周期的節能運營提供技術參考。