地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗影響因素研究

王彥魯,劉忠慶,孫德世,陰啟明,李子建

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

隨著城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市內(nèi)的交通問題日趨嚴(yán)重，越來(lái)越多的城市開始考慮將發(fā)展地鐵、輕軌或有軌電車等不同軌道交通方式作為解決城市交通問題的策略和措施.但是在城市軌道交通中，無(wú)論是在市內(nèi)和市郊地鐵、輕軌等軌道車輛上，還是有軌電車上，空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗問題都日漸突出.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗做了很多研究，但主要是以數(shù)值計(jì)算的方式進(jìn)行[1-3].本文以整車熱工試驗(yàn)為主，整車熱工試驗(yàn)不方便進(jìn)行時(shí)，采用數(shù)值計(jì)算的方式，研究各個(gè)因素對(duì)地鐵車輛空調(diào)能耗的影響，為地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能提供依據(jù).

1 研究對(duì)象

本文選取青島某地鐵中間車作為研究對(duì)象，車上共安裝2臺(tái)變頻熱泵空調(diào)機(jī)組.單臺(tái)機(jī)組額定制冷量為35 kW.文中載客均以AW2為定員，AW2定員為250人.

空調(diào)機(jī)組新風(fēng)閥的工作位置可以通過控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)提供的載荷信息提供三種工作位置:

(1)當(dāng)載荷<80人時(shí)，新風(fēng)閥開度為1/3狀態(tài)；

(2)當(dāng)80≤載荷<160人時(shí)，新風(fēng)閥開度為2/3狀態(tài)；

(3)當(dāng)載荷≥160人時(shí)，新風(fēng)閥開度為全開狀態(tài).

2 研究思路和方法

車外環(huán)境溫濕度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、載客量、新風(fēng)量、車體K值、車內(nèi)設(shè)定溫度、地鐵車輛運(yùn)行速度以及運(yùn)行過程中車門開關(guān)都能影響空調(diào)系統(tǒng)的能耗，各個(gè)因素對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗影響的大小不同.

本文采用整車熱工試驗(yàn)為主，數(shù)值計(jì)算為輔的方式，研究各個(gè)因素對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響.由于地鐵車輛制熱主要以電采暖為主，因此本文只針對(duì)制冷季空調(diào)系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析和研究. 整車熱工試驗(yàn)是在熱工試驗(yàn)室進(jìn)行的.試驗(yàn)參照EN 14750-1-2006和EN 14750-2-2006進(jìn)行.

地鐵車輛車外的新鮮空氣與車內(nèi)的回風(fēng)混合后會(huì)經(jīng)過空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行加熱或者冷卻，處理后的空氣通過風(fēng)道送到車內(nèi)，車內(nèi)的部分空氣排至車外，更多的車內(nèi)空氣通過回風(fēng)口與新風(fēng)混合.與此同時(shí)，車內(nèi)的空氣會(huì)與車內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行熱交換.如圖1所示.

圖1 地鐵車輛空氣循環(huán)示意圖

制冷劑、空氣等在各個(gè)流動(dòng)環(huán)節(jié)均遵守質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，在此基礎(chǔ)上本文采用微元化進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，對(duì)被試車按照EN 14750進(jìn)行了整車熱工試驗(yàn)和能耗測(cè)試，結(jié)果對(duì)比如表1所示.

表1 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表1對(duì)比結(jié)果可知，計(jì)算模型具有較高的精度，可以用來(lái)計(jì)算制冷季地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗.

3 各因素影響分析

3.1 車外環(huán)境溫濕度和設(shè)定溫度

由EN 14750可知,在制冷工況中,當(dāng)車外環(huán)境溫度變化時(shí),車內(nèi)設(shè)定溫度也是隨之適應(yīng)和變化的.因此把這兩個(gè)因素首先綜合起來(lái)研究,然后再分別討論.

同樣由EN 14750可知，在各制冷工況中，車外環(huán)境相對(duì)濕度與車外環(huán)境溫度是相互對(duì)應(yīng)的.因此，本文不再單獨(dú)研究車外相對(duì)濕度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響，把兩個(gè)變量合并起來(lái)，僅以車外溫度表示，車外相對(duì)濕度與之相對(duì)應(yīng).

表2為無(wú)載客和有載客不同車外溫時(shí)空調(diào)系統(tǒng)平均功率變化，設(shè)定溫度是參照EN 14750選取的，數(shù)據(jù)是通過整車熱工試驗(yàn)獲得的，其中設(shè)定溫度參照EN 14750選取.

表2 不同外溫時(shí)空調(diào)系統(tǒng)平均功率變化

由表2可知，雖然設(shè)定溫度在提高，但隨著車外空氣溫度的增加，地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗也增加.這是因?yàn)檐囃饪諝鉁囟仍黾雍螅瑥能囃饨?jīng)過車體壁面?zhèn)魅胲噧?nèi)的熱量增加，而且新風(fēng)溫度升高也會(huì)導(dǎo)致新風(fēng)熱負(fù)荷增加，在這雙重因素的影響下空調(diào)系統(tǒng)能耗增加.并且增加幅度較大.可知車外環(huán)境溫度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗影響大.

設(shè)定溫度也對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗有影響，理論上同樣條件下，設(shè)定溫度越高，空調(diào)系統(tǒng)能耗值越小.表3為不同設(shè)定溫度時(shí)，被試車空調(diào)系統(tǒng)平均功率對(duì)比，表中的數(shù)據(jù)是通過數(shù)值計(jì)算獲得.其中，選取的環(huán)境溫度為28℃，載客為50%定員,車外無(wú)太陽(yáng)輻射.

表3 不同設(shè)定溫度時(shí)空調(diào)系統(tǒng)平均功率變化

由表3可知，車內(nèi)溫度設(shè)定值的減小會(huì)使得空調(diào)系統(tǒng)能耗大幅度增大，車內(nèi)設(shè)定溫度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗影響大.

3.2 載客量和新風(fēng)量

載客量變化時(shí)，新風(fēng)量也會(huì)相適應(yīng).載客量是自變量，新風(fēng)量是因變量.因此把這兩個(gè)因素首先綜合起來(lái)研究,然后再分別討論.本文把載客量劃分為5檔：0%、25%、50%、75%和100%.表4為外溫28℃、31.5℃和35℃時(shí)，不同載客量空調(diào)系統(tǒng)平均功率對(duì)比情況，表中數(shù)據(jù)是通過整車熱工試驗(yàn)獲取的.

表4 不同外溫、載客量時(shí)空調(diào)系統(tǒng)平均功率對(duì)比

由表4可知，隨著載客量的增加，地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗也增加.載客負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷的雙重增大，使得空調(diào)系統(tǒng)能耗增幅較大.在被試車控制邏輯中，空載和25%定員時(shí)新風(fēng)量是相同的，75%定員和100%定員時(shí)新風(fēng)量是相同的.由表4中可知，僅在載客量增大時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)能耗增大并且增大幅度大，可知載客量對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗影響大.

新風(fēng)量增大時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷會(huì)增加，能耗也會(huì)相應(yīng)增加.表5為不同新風(fēng)量時(shí)，被試車空調(diào)系統(tǒng)平均功率對(duì)比.表中數(shù)據(jù)是通過數(shù)值計(jì)算獲得的.其中，選取的環(huán)境溫度為28℃，載客為50%定員，車外無(wú)太陽(yáng)輻射.

表5 不同新風(fēng)量時(shí)空調(diào)系統(tǒng)平均功率變化

由表5可知，新風(fēng)量增大時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)能耗增大.新風(fēng)閥開度增大1/3時(shí)，新風(fēng)量增加約867 m3/h，空調(diào)系統(tǒng)能耗增加20%以上，增加幅度大，可知新風(fēng)量對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗影響大.

3.3 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

本文對(duì)比了不同環(huán)境溫度條件下有無(wú)太陽(yáng)輻射時(shí)空調(diào)系統(tǒng)平均功率的變化，其中不同環(huán)境溫度下的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度參照EN14750選取.對(duì)比結(jié)果如表6所示.表中數(shù)據(jù)是通過整車熱工試驗(yàn)獲取的.

表6 有無(wú)太陽(yáng)輻射時(shí)空調(diào)系統(tǒng)平均功率變化

由表6可知，車外有太陽(yáng)輻射時(shí)，地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗增加.這是因?yàn)檐囃庥刑?yáng)輻射強(qiáng)度增加后，車體壁面溫度增高，導(dǎo)致從車體壁面進(jìn)入車內(nèi)的熱量增加，并且透過車窗進(jìn)入車內(nèi)的輻射熱增加，進(jìn)而導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)能耗增加.從增加幅度來(lái)看，有無(wú)太陽(yáng)輻射對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗影響大.

3.4 車門開關(guān)

地鐵車輛運(yùn)行過程中，車門開關(guān)比較頻繁.文中開關(guān)門試驗(yàn)參照EN14750進(jìn)行，開20 s、關(guān)2 min.開關(guān)門試驗(yàn)時(shí)載客量50%，無(wú)太陽(yáng)輻射，連續(xù)開關(guān)門40次.有無(wú)開關(guān)門試驗(yàn)時(shí)空調(diào)系統(tǒng)平均功率對(duì)比結(jié)果如表7所示.

由表7可知，開關(guān)門試驗(yàn)時(shí)空調(diào)系統(tǒng)平均功率相比關(guān)門時(shí)地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)平均功率增大，并且隨著車內(nèi)外溫差的增大，空調(diào)系統(tǒng)功率增加值增大.但即使在35℃外溫時(shí)，開關(guān)時(shí)空調(diào)系統(tǒng)功率也僅增大10%，在28℃外溫和22℃外溫時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)功率增大幅度不足5%.

表7 有無(wú)開關(guān)門試驗(yàn)時(shí)空調(diào)系統(tǒng)平均功率及對(duì)比

地鐵車輛在露天站臺(tái)時(shí)，制冷季車內(nèi)外溫差相對(duì)非露天站臺(tái)時(shí)偏大，開關(guān)門時(shí)會(huì)明顯增大空調(diào)負(fù)荷，進(jìn)而增加空調(diào)系統(tǒng)能耗，即功率增大，但增大幅度小.地鐵車輛在非露天站臺(tái)時(shí)，由于站臺(tái)有空調(diào)，開關(guān)門時(shí)車內(nèi)外溫差很小，開關(guān)門時(shí)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗沒有明顯的影響.

綜上可知，開關(guān)門時(shí)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗影響小.

3.5 車體K值

車體K值亦稱車體傳熱系數(shù)，為單位面積的熱流密度與穿過相關(guān)車輛隔熱壁的車內(nèi)平均溫度和車外平均溫度的溫差值的比值.代表著車輛的保溫效果.

分別取地鐵車輛車體K值為實(shí)測(cè)值的50%、100%、150%進(jìn)行計(jì)算.外溫取28℃和35℃，載客取50%定員，無(wú)太陽(yáng)輻射.得到地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬計(jì)算結(jié)果，如圖2所示.

圖2 車體K值對(duì)地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗影響

由圖2可知，隨著車體K增加，空調(diào)系統(tǒng)功率也增加.這是因?yàn)檐囕v車體K值增大導(dǎo)致經(jīng)車體壁面從車外傳入車內(nèi)的熱量增大，進(jìn)而導(dǎo)致地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗增加.從增加幅度來(lái)看，車體K值對(duì)地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗影響小，這是因?yàn)樵谥评浼荆噧?nèi)外溫差小，由車體K值增加導(dǎo)致的熱負(fù)荷增加幅度較小.

3.6 運(yùn)行速度

運(yùn)行速度變化時(shí)，車體氣密性、新風(fēng)量以及空調(diào)冷凝風(fēng)量等都在變化.運(yùn)行速度是個(gè)綜合影響因素.新風(fēng)量以及空調(diào)冷凝風(fēng)量變化與運(yùn)行線路有關(guān)，不在本文研究范圍之內(nèi)，故不再討論.在不考慮車體氣密性的前提下，分別取地鐵車輛運(yùn)行速度為30、60、90和120 km/h進(jìn)行計(jì)算，外溫取28℃和35℃，載客取50%定員，無(wú)太陽(yáng)輻射.得到了地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬計(jì)算結(jié)果，如圖3所示.車體外表面對(duì)流換熱系數(shù)取自標(biāo)準(zhǔn)TB1951-87.

圖3 列車運(yùn)行速度對(duì)地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗影響

地鐵車輛運(yùn)行速度提高后車體外表面對(duì)流換熱系數(shù)小幅增大，從車外通過車體壁面?zhèn)魅胲噧?nèi)熱量增大，從而導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)能耗增大.由圖3可知，隨著運(yùn)行速度的增加，地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗增大幅度非常小，由此可知，在不考慮氣密性的前提下，運(yùn)行速度對(duì)地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗影響小.這是因?yàn)檫\(yùn)行速度增大引起的車體K值增加幅度有限，并且制冷季時(shí)，車內(nèi)外空氣溫差較小.

4 結(jié)論

車體K值增大導(dǎo)致經(jīng)車體壁面從車外傳入車內(nèi)的熱量增大，但由于制冷季時(shí)，地鐵車輛車內(nèi)外溫差小，因而K值增大時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)能耗增加幅度小.地鐵車輛開關(guān)時(shí)會(huì)影響空調(diào)系統(tǒng)的能耗，但由于車內(nèi)外溫差小，頻繁開關(guān)門引起的空調(diào)系統(tǒng)能耗增加幅度不大，尤其是地鐵站臺(tái)為封閉空間時(shí)，這部分能耗差值很小.地鐵車輛運(yùn)行速度提高后車外表面對(duì)流換熱系數(shù)增大，從車外通過車體壁面?zhèn)魅胲噧?nèi)熱量增大，進(jìn)而會(huì)增大空調(diào)系統(tǒng)能耗，但由于地鐵車運(yùn)輛運(yùn)行速度不高，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響很小.載客量、新風(fēng)量、車外環(huán)境溫濕度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的能耗影響大.當(dāng)?shù)罔F車輛車外有太陽(yáng)輻射時(shí)，會(huì)明顯增加空調(diào)系統(tǒng)能耗.