軌道車輛空調(diào)全新風模式運行分析

劉光升,李 剛,佘 凱,王 瑩,曹 臣,路 琪

山東朗進科技股份有限公司,山東 濟南 250000

0 引言

軌道車輛作為城市的主要公共交通設(shè)施,人流量較大,是病毒傳染的高風險場所。增加新風供應(yīng)、加快車內(nèi)的換氣速度是有效降低病毒傳染的最直接方案。在客室環(huán)境健康及防疫方面,蔣正飛[1]建議地鐵車站通風空調(diào)防疫措施采用全新風運行方式,為整車提供新鮮空氣,調(diào)控車廂內(nèi)的溫濕度。

目前,軌道車輛空調(diào)已普遍采用全新風模式。為提高軌道車輛空調(diào)運行全新風模式的可靠性,本文通過在焓差實驗室中測試全新風模式和正常模式下不同的制冷、制熱工況,得到了軌道車輛空調(diào)性能隨室外溫度、濕度變化的數(shù)據(jù),經(jīng)過與正常模式的數(shù)據(jù)對比和整車試驗的驗證,分析了運行全新風模式的問題,并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1 機組性能試驗

1.1 試驗要求

本次試驗采用空氣焓差法,對空調(diào)機組的送風、回風參數(shù)以及循環(huán)風量進行測量,用測出的風量與送風、回風焓差的乘積確定空調(diào)機組的性能[2]。

試驗條件為:控制送風道引風機,使風量為全新風模式的送風量;控制焓差實驗室室內(nèi)側(cè)溫度、濕度與室外側(cè)一致;試驗室室外側(cè)和室內(nèi)側(cè)的溫度、濕度與試驗工況的要求偏差分別不超過±0.5 ℃和±3%RH。

1.2 測試工況

依據(jù)空調(diào)所在運營地的氣象參數(shù)資料,得出機組在不同室外溫度、濕度條件下的運行特性,試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況

2 運行分析與問題優(yōu)化

在正常模式下,新風閥和回風閥全開,測試空調(diào)機組送風量為5 000 m3/h;在全新風模式下,新風閥全開,回風閥全關(guān),新風阻力增加導(dǎo)致送風機的風量減小到正常阻力時的60%,此時空調(diào)機組送風量為3 000 m3/h。

2.1 全新風模式運行分析

2.1.1 制冷試驗

1)室外濕球溫度的影響。圖1反映了以額定工況(室外溫度為33 ℃、相對濕度為70%)的性能參數(shù)為基準值時,機組制冷量相對值和功率相對值隨室外濕球溫度變化的關(guān)系。隨著濕球溫度的升高,都呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢。相應(yīng)的能效比相對值也因兩者的變化規(guī)律呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢,如圖2所示。

圖1 制冷量、功率相對值隨室外濕球溫度的變化關(guān)系

圖2 能效比相對值隨室外濕球溫度的變化趨勢

圖3 能效比相對值隨室外干球溫度的變化

2)室外干球溫度的影響。圖 3 反映了變頻空調(diào)機組能效比相對值隨室外干球溫度變化的關(guān)系。以額定工況(干球溫度為33 ℃、相對濕度為70%)的能效比為基準值,室外干球溫度由33 ℃降至27 ℃時,平均干球溫度每降低1 ℃,機組能效比上升5%,表明全新風模式下變頻空調(diào)機組在低溫工況時,可達到較高的能效比。

2.1.2 制熱試驗

在全新風模式下進行制熱試驗:室外工況由0 ℃升至7 ℃,制熱量和功率都上漲,但功率的上升幅度要大于制熱量的上升幅度,導(dǎo)致能效比的降低。吸、排氣壓力和出風干球溫度,都隨室外干球溫度的上升而上升。測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同工況試驗結(jié)果

2.2 全新風模式問題分析

2.2.1 與正常模式的數(shù)據(jù)對比

1)制冷數(shù)據(jù)對比。在焓差實驗室中,保持室外工況和壓縮機頻率相同,測試全新風模式的制冷量,相比正常模式衰減13.6%,空調(diào)功耗無差別,但會導(dǎo)致車廂降溫速度變慢,影響車廂內(nèi)舒適性。相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 制冷數(shù)據(jù)對比

2)制熱數(shù)據(jù)對比。在焓差實驗室中,保持室外工況和壓縮機頻率相同,測試全新風模式的制熱量,相比正常模式衰減13.7%,空調(diào)功耗相比降低9.3%,出風干球溫度只有16.2 ℃,同樣會導(dǎo)致車廂升溫速度變慢,影響車廂內(nèi)舒適性。相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 制熱數(shù)據(jù)對比

2.2.2 整車試驗

在整車試驗中運行全新風模式,測試車內(nèi)正壓為56 Pa;正常通風模式下測試車內(nèi)正壓為30 Pa。龔承啟 等[3]指出地鐵A型車正常情況下正壓值應(yīng)在30～50 Pa。全新風模式雖然確保了客室內(nèi)供風全部為外部供風,但是車內(nèi)正壓的增加會有其他風險,比如趙耿 等[4]研究發(fā)現(xiàn),在鄭州地鐵2號線上運行全新風模式時,全新風模式較其他空調(diào)模式,在車門關(guān)閉時需要克服更大的風壓阻力,且會影響車門穩(wěn)定性。

2.3 全新風模式優(yōu)化分析

從全新風模式與正常模式的數(shù)據(jù)對比中可看出,在室外工況一致時運行全新風模式會衰減空調(diào)性能。因此在全新風模式下通過提高送風量或者壓縮機運行頻率來提升空調(diào)冷量和熱量的輸出,是值得研究的課題。

2.3.1 提高送風量

在焓差實驗室中,提高送風道中引風機頻率模擬提高空調(diào)送風量,分別驗證在3 000、3 300、3 500和4 000 m3/h時的制冷量、功率和能效比的變化關(guān)系。如圖4所示,以全新風模式正常風量3 000 m3/h時的性能參數(shù)為基準值,發(fā)現(xiàn)隨著風量的提升,制冷量和能效比呈現(xiàn)上升的趨勢,空調(diào)功耗變化不大。

圖4 性能參數(shù)隨送風量的變化

在全新風模式下,提升風量到4 000 m3/h時的制冷量,與正常模式(送風量5 000 m3/h)的額定制冷性能一致,并且功耗變化不大,因此可以考慮在全新風模式下提升送風量來滿足客室舒適性的要求。對比數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 數(shù)據(jù)對比

2.3.2 提高壓縮機頻率

在焓差實驗室中,通過變頻空調(diào)運行全新風模式后逐步提高壓縮機頻率,來驗證制冷量、功率和能效比的變化。如圖5所示,以正常頻率時的性能參數(shù)為基準值,發(fā)現(xiàn)隨著頻率的提升,制冷量的上升幅度要低于功率的上升幅度,導(dǎo)致空調(diào)能效比衰減。

圖5 性能參數(shù)隨頻率的變化

3 結(jié)論

本文對軌道車輛空調(diào)全新風模式的運行數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)論如下。

1)全新風模式下運行制冷,室外干球溫度相同,性能參數(shù)隨著濕球溫度的升高而上升,因此對于不同地區(qū)的氣候條件應(yīng)充分考慮新風相對濕度對機組性能的影響。室外干球溫度由33 ℃降至27 ℃,平均每降低1 ℃,機組能效比提高5%。

2)無論制冷或制熱,額定工況下全新風模式的空調(diào)制冷量相比正常模式都衰減約13.6%,且新風負荷的增加,更會導(dǎo)致車廂內(nèi)舒適性變差。從整車的角度考慮,軌道車輛空調(diào)運行全新風模式會有車內(nèi)正壓過大導(dǎo)致車門不穩(wěn)定等風險。

3)全新風模式下可提高送風機頻率來增加空調(diào)性能的輸出,且能耗與正常模式差別不大。對于變頻空調(diào)機組,也可在全新風模式下提高壓縮機頻率來增加冷量和熱量的輸出,但要考慮空調(diào)能耗的增加。為使車內(nèi)正壓維持在合理范圍,可提高主動排風機的運行頻率或加大排風閥的開度。