重慶軌道交通1 號線車輛空調(diào)變頻改造及節(jié)能試驗研究

劉炬，畢林，張曉偉，王磊，趙東槐

（1.重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 401120；2.山東朗進(jìn)科技股份有限公司，山東 青島 266000）

隨著國家“十四五”規(guī)劃的推出，碳達(dá)峰和碳中和被列為了我國未來幾年發(fā)展的重要目標(biāo)，降低公共交通能耗，是達(dá)成該目標(biāo)的有效手段之一。隨著近年來軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，乘坐軌道交通出行已成為廣大市民踐行綠色出行理念的首選方式，軌道交通地鐵車輛實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展同樣也是其發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)。軌道交通的主系統(tǒng)設(shè)備用電能耗包括車輛、牽引供電系統(tǒng)等，其中列車的能耗占總能耗的50%~60%，而列車輔助系統(tǒng)能耗約占列車總能耗的30%~40%，這其中空調(diào)系統(tǒng)的能耗則占輔助系統(tǒng)能耗的絕大部分，因此空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降耗對車輛運營的節(jié)能有重要的意義。空調(diào)變頻節(jié)能技術(shù)在家用及商用空調(diào)領(lǐng)域已得到了充分的應(yīng)用和驗證，近年也越來越多地被應(yīng)用在軌道車輛空調(diào)領(lǐng)域。從理論上分析，變頻空調(diào)因其制冷量的輸出可調(diào)節(jié)的特性，應(yīng)用在軌道車輛上不僅節(jié)能同時也更加舒適。為更進(jìn)一步地論證變頻空調(diào)在軌道車輛上的應(yīng)用效果，上海、長春、深圳和廣州等地均進(jìn)行了變頻空調(diào)正線運營的測試分析，測試結(jié)果表明，變頻空調(diào)相較于定頻空調(diào)均有明顯的節(jié)能優(yōu)勢以及溫控穩(wěn)定性優(yōu)勢。

本文以重慶市軌道交通1 號線作為研究對象，分別選取定頻空調(diào)列車和變頻空調(diào)列車各2 列，通過加裝電能表，在經(jīng)歷了一個較完整的制冷季節(jié)運營測試后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及分析。重慶市軌道交通1 號線是重慶市軌道交通線網(wǎng)中東西方向的一條骨干線路，也是重慶市第一條地鐵線路。該線路于2011 年7 月28 日開通試運營，全線路露天長度約為23.9km，地下（含隧道）長度約為21.4km，使用6 節(jié)編組B 型列車，全線路購買的列車均使用定頻空調(diào)，在2021 年車輛大修期間將個別列車空調(diào)更新為變頻控制方式，用于定頻空調(diào)和變頻空調(diào)的對比研究。

1 變頻及定頻空調(diào)控制原理分析

重慶地鐵1 號線地鐵車輛定頻空調(diào)具備通風(fēng)、半冷、全冷3個檔位，通過控制空調(diào)2 臺壓縮機(jī)的啟動和停止來實現(xiàn)，半冷檔位啟動1 臺壓縮機(jī)，全冷檔位啟動2 臺壓縮機(jī)，定頻空調(diào)運行示意圖，如圖1 所示，左側(cè)K 線表示溫度上升控制方式，右側(cè)K 線表示溫度下降控制方式。一方面，壓縮機(jī)的啟動和停止會有一定的開關(guān)損耗，另一方面，為保證壓縮機(jī)潤滑油的回油量，壓縮機(jī)啟動3min 左右后方能停止。

圖1 定頻空調(diào)運行示意圖

變頻空調(diào)的控制，其主要是基于空調(diào)智能控制系統(tǒng)及時調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運轉(zhuǎn)頻率，當(dāng)客車內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度值時，控制壓縮機(jī)降頻，并維持在低頻運行狀態(tài)（低頻狀態(tài)功耗降低），此時空調(diào)機(jī)組輸出適當(dāng)?shù)闹评淞浚瑢⒖蛙噧?nèi)溫度維持在設(shè)定值。根據(jù)變頻壓縮機(jī)的特性，在低頻運轉(zhuǎn)時，壓縮機(jī)的容積效率提高，而且單位時間內(nèi)排出的制冷劑減少，冷凝器和蒸發(fā)器的面積相對增大，此時的空調(diào)制冷效率提高，即空調(diào)能效比提高，用電量減少。同時，因壓縮機(jī)停機(jī)次數(shù)減少，避免了壓縮機(jī)的開關(guān)損耗，進(jìn)一步降低了空調(diào)的運行能耗。變頻空調(diào)運行示意圖，如圖2 所示。

圖2 變頻空調(diào)運行示意圖

城市軌道交通車輛在實際運營時，高低峰時期乘客量的變化、線路地面地下的變化以及車輛到站開關(guān)門行為，均會引起客室熱負(fù)荷的變化，從控制方式上分析，變頻空調(diào)在節(jié)能上有一定優(yōu)勢。

2 試驗內(nèi)容

根據(jù)試驗車輛空調(diào)運營現(xiàn)狀，針對變頻空調(diào)與定頻空調(diào)從7~9 月份（環(huán)境平均高溫31℃，平均低溫24℃）進(jìn)行長期的現(xiàn)場跟車測試，測試內(nèi)容主要包括溫度控制以及2 種型式空調(diào)的耗電量統(tǒng)計。試驗過程中，分別選取裝有定頻空調(diào)和變頻空調(diào)的車輛各2 列，安裝能耗記錄儀記錄空調(diào)機(jī)組的運行能耗，并跟車測試車廂內(nèi)溫度。

首先記錄7~9 月重慶環(huán)境統(tǒng)計曲線如圖3。由圖中可看出，在7~9 月這段時間，重慶當(dāng)?shù)氐臍鉁鼗驹?0℃左右，在7 月底~8 月初這段時間氣溫達(dá)到最高的40℃，而進(jìn)入8~9 月份期間，因降雨天氣較多，室外環(huán)境溫度有較大的波動。

圖3 制冷季空調(diào)運行環(huán)境溫度曲線

3 車廂內(nèi)溫度測試

在試驗過程中通過溫度記錄儀進(jìn)行跟車測試，記錄車廂內(nèi)外的溫度波動，通過對比同一個時間段內(nèi)配置變頻空調(diào)與定頻空調(diào)的不同列車內(nèi)溫度波動范圍，判定車內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。

本文隨機(jī)選取某一天相同時間段的車內(nèi)溫度記錄數(shù)據(jù)，得出溫度變化曲線，如圖4 所示。

圖4 某運行時段車廂溫度曲線

通過圖4 可以看出，當(dāng)因外部環(huán)境引起車廂內(nèi)溫度波動時，變頻空調(diào)車廂相對于定頻空調(diào)車廂，溫度的調(diào)節(jié)更平緩、舒適度高，而定頻空調(diào)車廂內(nèi)溫度上下浮動溫差相對較大，此時乘客容易感到溫度忽高忽低，車廂內(nèi)舒適度相對較低。

從原理上分析，變頻空調(diào)根據(jù)車廂內(nèi)制冷量的需求調(diào)整壓縮機(jī)的運行頻率，實現(xiàn)了空調(diào)輸出的制冷量與車廂內(nèi)負(fù)荷的相對匹配，從而實現(xiàn)將客室溫度維持在設(shè)定溫度±1℃范圍內(nèi)的需求。在車內(nèi)人員較少或氣溫較低時，壓縮機(jī)維持低頻運行，既能穩(wěn)定車廂溫度，保證乘客乘車舒適度，同時也達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。定頻空調(diào)靠壓縮機(jī)的啟停控制來實現(xiàn)輸出制冷量的調(diào)節(jié)，輸出的制冷量并不連續(xù)，在車廂內(nèi)負(fù)荷變化時，勢必出現(xiàn)壓縮機(jī)頻繁啟停的現(xiàn)象，導(dǎo)致車廂內(nèi)溫度產(chǎn)生較大波動。

4 車輛空調(diào)耗電量對比

因?qū)嶒炣囕v均在同一條線路中，車廂內(nèi)設(shè)定溫度相同，整體外部運營環(huán)境相同（車輛運營時刻和區(qū)段可能略有不同，但通過3個月的運營周期對結(jié)果的影響可忽略不計）。通過記錄7、8、9 月近90 天的變頻空調(diào)和定頻軌道空調(diào)耗電量和運營里程，得出變頻空調(diào)和傳統(tǒng)定頻空調(diào)的耗電量統(tǒng)計表。從數(shù)據(jù)可以看出，相對于定頻空調(diào)，變頻空調(diào)的綜合平均節(jié)電率為31.42%。一列6 編組車輛，就空調(diào)而言，平均每公里節(jié)電量0.657kW·h。耗電量如表1 所示。

表1 不同型式空調(diào)數(shù)據(jù)對比

筆者在分析3個月的運營數(shù)據(jù)過程中，不僅橫向比較了軌道車輛變頻空調(diào)和定頻空調(diào)的數(shù)據(jù)，同時也對不同時間、不同氣溫下的節(jié)電數(shù)據(jù)做了縱向的比較。對比在不同天氣溫度下的節(jié)電率數(shù)據(jù)如表2 所示，可以看出：當(dāng)氣溫處于36~40℃時節(jié)電率最低，隨著室外環(huán)境溫度的降低，節(jié)電率則逐漸升高。當(dāng)環(huán)境氣溫較高時，變頻空調(diào)壓縮機(jī)運行高頻的時間更長，對比定頻空調(diào)節(jié)電率相對較低。而當(dāng)環(huán)境氣溫低時，車輛的新風(fēng)負(fù)荷減小，變頻空調(diào)的壓縮機(jī)可以在更長的時間內(nèi)以低頻運轉(zhuǎn)，對比定頻空調(diào)的節(jié)電優(yōu)勢得以發(fā)揮，因此節(jié)電率更高。

表2 不同氣溫下空調(diào)節(jié)電數(shù)據(jù)對比

5 節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益分析

按照重慶1 號線線路每列列車在制冷季7、8、9 月份可運行4.5 萬km 計算，若全線共53 列列車均采用變頻空調(diào)，則可比使用原定頻空調(diào)在3個月中直接節(jié)省電能156.7 萬kW·h。根據(jù)目前軌道運營商電價0.7 元/kWh計算，全線53 列列車均采用變頻空調(diào)，在7、8、9 月份可直接節(jié)省約109.69 萬元。

6 結(jié)語

由于試驗存有一定的局限性，節(jié)能效果不一定很準(zhǔn)確，且在實際營運中，隨載客量的不同，節(jié)能效率也會有一定波動，但試驗結(jié)果依然能夠證明通過分別選取使用定頻和變頻空調(diào)列車各2 列，試驗驗證在重慶1 號線的線路條件下，3個月中變頻空調(diào)相對于原定頻空調(diào)具有明顯的節(jié)能效果，可降低地鐵車輛的運營成本。同時，地鐵車輛變頻機(jī)組對客室溫度的控制優(yōu)于定頻空調(diào)機(jī)組，提高了地鐵車輛客室的舒適性，為軌道車輛空調(diào)機(jī)組節(jié)能和舒適性研究在重慶地區(qū)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。