上海轨道交通列车空调系统节能方法探讨

马 文 程祖国

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，200331，上海∥第一作者，硕士研究生）

上海轨道交通列车空调系统节能方法探讨

马 文 程祖国

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，200331，上海∥第一作者，硕士研究生）

从空调系统的优化设计、节能节材和能效比方面对空调系统节能技术在上海轨道交通中的应用进行了重点研究，以提高空调机组能源利用率。研究表明：作为车辆空调节能，既要从空调的角度分析，采用变频、热泵等技术提高空调系统能效比，也要从车辆的角度分析，提高车辆保温性能，降低车体传热系数，最终全方位实现轨道交通节能降耗的目的。

地铁；空调；节能

First-author'saddressResearch Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，200331，Shanghai，China

根据国家《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》对节能的宏观战略政策，上海轨道交通将节能放到重要位置，并于2008年开展了对轨道交通列车空调系统节能技术的试验研究。

轨道交通列车空调系统属于特种空调，其工作环境相对恶劣，具有使用环境冷热负荷和电源容量变化大等特点，因此，在空调系统的优化设计、节能节材、提高空调系统的额定制冷量和能效比方面进行了重点研究。本文主要介绍了节能技术在上海轨道交通列车空调系统的应用研究情况和节能效果验证。

1 上海轨道交通列车空调系统的技术现状

现有上海轨道交通车辆均配有车载空调系统，以调节客室内空气的温度、湿度、气流速度和洁净度，满足乘客舒适性的需求。每列车的每节车厢客室均构成一个完整独立的空调系统。该系统一般由顶置空调机组（其中每台空调机组制冷量约在35～44 kW之间）、电气控制系统（包括温度传感器等）和风道系统（如静压式送风管道、送/回风口等）组成。

车载空调系统一般在每节客室的顶部安装2台空调（制冷）机组，分散地向客室内各部位送风。夏季，通过制冷机组和送风风道向内送冷风；冬季，通风机仅向客室内送风（新风与回风混合后的混合风）或是经空气预热器预热后的混合风，另由安装在客室内的辅助电热设备（空气加热器）对客室加热。空调系统的启动、工作与监控都是由其自身的自动控制系统来实现自动控制、自动调节。

随着上海轨道交通的发展及客流量的逐年增加，对车辆空调系统也提出了更高要求。在适应轨道交通振动、冲击等恶劣的运行条件下，空调机组不仅要具有较高的可靠性，还应具有良好的性能和效率。目前上海轨道交通在线运营列车空调系统存在的节能降耗方面的局限性可大致归纳为：①空调机组正常工作时制冷能力仅为两级（两档）调节；②空调机组风门的调节范围有限，不能根据客流量进行新风量的有效调节；③目前使用的空调系统的能效比（EER）略低，最高为2.3左右（A型车），而最小为1.7左右（C型车）。

2 上海轨道交通列车空调系统节能试验研究

一般来说，在车厢负荷中，照明、设备负荷等可认为是个定值，人员负荷、人员所需最小新风的负荷以及开关门造成侵入负荷等可看成是个变值，总负荷的变化主要产生于频繁的开关门和客流量的变化。而负荷的变化直接对制冷（制热）量的需求产生影响。因此，在优化空调系统设计、提高能效比的基础上，如何通过变容量的控制方式使空调根据负荷的变化进行调整以及优化制冷（制热）量的需求，是现阶段研究空调节能的主要方向。

2.1 调节控制新风量

所谓调节控制新风量就是利用新风控制，调节新风量大小，减少新风负荷，即减少新风部分的焓值和客室内废排风的焓值之差。国外的研究机构曾做过新风控制的有关试验，进行了控制新风的3个方案的对比试验：①把新风阀门固定在设计新风量的开度上；②平时手动半开新风阀，客流量最大时全开；③根据客流量的多少，用CO2的体积分数来自动控制新风阀的开度。试验结果表明：在夏季温度最高月份，手动控制比固定控制节约能耗11.8%，自动控制比固定控制节约能耗24.9%。

因此，立足于上海轨道交通列车现有的情况，研究如何利用新风控制的方式，调节新风量大小，在不影响乘车环境舒适性的前提下降低新风带来的热负荷。在前期的调研与分析的基础上，选取运营情况比较有代表性的4号线一列车上进行了新风门控制方案试验研究：通过客室内载荷的变化，以及回风口布置的CO2的体积分数传感器（作为CO2的体积分数上限安全保护），调节新风门的开度，以寻找到最佳的新风门开度，在满足舒适性的前提下，实现最大限度的节能。

改造前在客室（B车）内的两端回风口和客室中部站立区布置3个CO2的体积分数采样点，同时在新风门也设有采样点，监测外界环境的CO2的体积分数值，实现对4号线列车（AC05型车辆）客室内全天CO2的体积分数的监测。测试结果表明：当外界环境（地面和隧道内）的CO2的体积分数为400× 10-6～500×10-6时，客室内最大的CO2的体积分数值为1 823×10-6。该值出现在早高峰8点左右（根据原额定荷载（AW2）设计条件，乘客数为310人、新风量为3 200 m3/h、外界空气CO2的体积分数为450×10-6条件下计算得出的CO2的体积分数标准值为2 100×10-6）。图1所示的早高峰时段客室内CO2的体积分数监测情况，符合相关卫生标准，可见新风量的设计满足正线的运行情况。

图1 早高峰时段客室内CO2体积分数的监测情况

根据试验项目的可靠性、安全性、可操作性、可恢复性的要求，在保持新风口原有的外形尺寸和安装尺寸不变，以及核实新风量满足设计要求的前提下，将原有的新风门改造为可调电动风门；同时通过现有的空调控制器FPC24（其数字输入输出端口有空余），用于控制风门的开关及接收风门位置反馈信号；并从风门调整档位的设定、CO2的体积分数的信号采样、电器部分改造、功能和故障控制理念以及功耗的监测等多个方面研究部署。在硬件改造和控制软件修编的基础上，充分考虑故障模式、自检功能，以及控制逻辑的可调要求，在不影响原有功能的基础上增加了新风门可调功能；当新风门位置反馈发生故障或CO2的体积分数传感器发生故障时，通过MVB（列车控制总线）发送风门故障，同时将新风门开至最大。改造后，对列车空调机组新风量进行了测量，结果基本满足实际要求；在线路运行试验中，通过采用Mona软件实时记录了空调运行过程中的CO2的体积分数、新风量（风门开度）、新风温度及压缩机运行情况等。经过一段时间的跟踪，选取CO2的体积分数采样较高的一天数据进行分析（见图2）得知，客室内CO2的体积分数控制在了安全卫生的要求内，风门档位的调整也较好地覆盖了全天低峰客流的情况。

图2 客室内CO2的体积分数和新风门开度随运营时间的变化情况

同时对列车运营公里数和空调机组的实际功耗进行了定期的跟踪和记录。根据9、10月间对新风量调节后列车节电情况的跟踪试验结果可知，9月份节能达13%左右。当然上述节电效果是依据试验时的客流量（CO2的体积分数）为依据的。由于列车的运行和保养是一个动态的过程，如果试验线总体客流量发生明显且长期的变化，则会对实际节能效果产生影响：主要是因为该节电方式是通过减少新风负荷来实现的，乘客数量如果一直维持较高的水平，新风量供给则无法减小，相应节电量也会减少。

通过上述的试验情况以及对客室内CO2的体积分数的监测情况，检验了列车在实际运营过程中客室内CO2的体积分数是否符合原设计要求，验证了在不影响舒适性前提下的节能效果。根据本次改造试验情况，下一步还需在以下几个方面进一步完善：

（1）综合考虑风门控制方式数据采样的准确性和及时性，以及前期试验过程中客室内CO2的体积分数的检测情况。新风门的调节控制可以根据车辆网络发送给新风门控制器的乘客负载信息，当车辆关门时，空调控制器接受此信号，风门可以在最短时间内将新风量调节到需要的水平。同时在客室回风口可加装CO2的体积分数传感器作为上限安全保护。若线路总体客流量发生明显且长期的变化，或实际运行中舒适度需要调整，也可通过正线的CO2的体积分数取样数据，判断新风量大小是否需要进行调整。

（2）CO2的体积分数传感器易被污染，需要定期维护。

（3）完善非制冷工况的新风量控制方式。

2.2 变频控制调节负荷

分级调节是目前国内通用的变容量控制方式，主要依靠控制压缩机的运行数量，或者控制压缩机的运行时间来实现。现阶段上海轨道交通的在线运营列车空调系统主要通过压缩机自身的卸载功能或采用多套制冷回路控制压缩机的运行数量来实现容量的分级调节。而变频空调是通过控制压缩机电机的转速实现容量连续调节。随着变频调速技术的发展，目前变频调速技术在国内工业与民用自动控制系统中已推广应用了十多年，在其他领域的环控系统中也有应用，但在地铁车辆中的应用还处于初期阶段。

变频空调与普通空调或称定转速空调的主要区别是前者增加了变频器。变频器能使压缩机电机的转速无级连续可调，其转速是根据室内空调负荷而成比例变化的。因此变频制冷系统可以随室内热负荷的变化而调整压缩机转速，使制冷量与热负荷达到平衡。在初始运行阶段，变频空调处于高频工作状态，压缩机以最大转速运转，使室温迅速地降低；当室温接近到设定值时，控制程序控制压缩机转速降低，制冷量减少，以平衡室内的热负荷。

传统的定频系统在额定频率下运转，面对负荷变化只能采用开停控制。当压缩机开机后，排气压力迅速增加，同时压缩机吸气压力迅速下降，蒸发器液态工质闪蒸，引起蒸发器内部温度迅速下降；大量的液态工质转移到气液分离器中，并在其内气化，而以液态形式离开蒸发器的工质未能起到制冷作用，使开机阶段冷量反而下降。停机时，系统高温高压区的液态工质通过节流装置转移到低温低压区，这个节流过程是高度不可逆的自发过程，伴随着可用能的损失。下次开机时重新建立冷凝压力和温度分布，多消耗的压缩功在下一次停机时再一次耗散。可见，相比于低转速连续工作的变频制冷系统而言，定频制冷系统功耗要多。

多年来，上海轨道交通在运行过程中体现的特点是：①夏季空调制冷时间较长（每年一般从4月底到10月底），每天的运营时间也相对较长；②轨道交通运行方式多样，部分线路同时有地上和地下2种轨道运行方式，在同一时段多种工况中运行的车辆其冷负荷需求存在差别；③上下班高峰期客流量较为集中，列车运力在忙时及闲时载客量存在差距。

考虑到上述特点，变频空调在上海轨道交通中的运用具有一定的适用性。因此，在3号线选取一节车厢进行变频空调改造试验。通过在原有空调系统中加装变频器，在一定范围内改变压缩机供电频率，调节压缩机转速，满足不同负荷变化下的冷量需求，解决压缩机的频繁启停（启、停之间容易造成室温的波动和电能消耗）。

加装变频空调的车辆经9、10月间在线路上的运行试验，取得了一定的节能效果：在AW2模式下，外界温度约25℃时，压缩机在30～50 Hz范围内调速，节电约为11%左右；但从可靠性、能效等方面综合考虑还存在如下几方面问题。

（1）变频空调处于高频工作时相比定频空调电耗要多，其节能优势主要体现在可以在低频、低制冷量的情况下运行来使供冷量与热负荷维持平衡。由于实际制冷系统通常是在设计的额定负荷以下工作的，面对温室效应、隧道温升、客流增大、车门的频繁开关等因数，特别是在高温季节空调机组时常处于满负荷工作状态，这就影响到变频空调的优点能否更好发挥。

（2）变频空调系统中采用的变频压缩机与定频压缩机不同：①要求变频压缩机在整个调速范围内确保其性能稳定和可靠；②保证变频压缩机润滑面供油量的适度；③变频压缩机在一个宽的频率范围内工作，需考虑低频共振和高频噪声的问题。因此对变频压缩机的可靠性要求更高。

（3）由于变频空调的控制系统和变频系统较为复杂，对元器件可靠性要求较高，因此变频空调在轨道交通相对恶劣的运行环境下，其全寿命周期、可靠性的研究有待深化。

（4）变频系统的电磁兼容性问题。高次谐波会降低空调系统的功率因数，造成配电系统的容量增大。

（5）目前变频空调系统特别是针对轨道交通变频空调系统的试验体系存在空白，因此试验考核标准有待进一步研究。

2.3 热泵制热

目前国内已装车运营的列车空调系统绝大部分为单冷型，冬季一般仅进行通风模式工作，部分设有制热功能的系统，则由客室内部电加热器（部分空调机组内部还配有空气预热器）来实现。上海轨道交通列车空调系统的电加热元件采用外壳为不锈钢制成的电加热管，管内有发热元件电阻丝，当电阻丝通电时，会发热并通过内部填充材料及钢管向外界传热；当风量不足时，电加热管温度会急剧上升，使电加热管过热，并造成隔热空间温升超过隔热材料的允许温度，以及隔热材料的过热、老化。因此，需特别考虑温度保护的可靠性。

所谓热泵，就是一种利用人工技术将低温热能转换为高温热能而达到供热效果的机械装置。热泵机组的能量转换，是利用其压缩机的运转做功，通过消耗一定的辅助能量（如电能），在压缩机和换热系统内循环制冷剂的共同作用下，从环境热源（如空气）中吸取较低温热能，然后转换为较高温热能。简而言之，常用的热泵空调机组即在其空调制冷系统中装上电磁四通阀（又称换向阀），通过四通阀的切换方向，改变制冷剂的流动方向，空调就能实现制热功能。

电加热属于阻性负载，产生的热量就是消耗的电量，因此，利用电加热器制热消耗1 k W的电能，只能产生1 k W的热量。而热泵空调机组制热是通过制冷剂流向切换改变工作模式，制热时能有效利用压缩机的功耗，制热时间短。热泵空调的能效比相对电加热较高，输入的电量仅用于给压缩机提供动力，用于推动制冷剂的流动；而制冷剂相态的变化则产生了更大的热量变化。

通过对电加热和热泵空调工作原理的分析可知，热泵空调的能效比相对较高，符合车辆空调节能降耗的需求，所以通过优化热泵结构的方式实现节能是比较适用的方法。但现阶段热泵空调从节能效果、可靠性等方面还存在着有待研究的方面：①热泵空调在外界温度低于-5℃后，制热效果很差；此外，空调机组在低温情况下能否正常启动也影响空调的正常工作以及节能降耗的效果。②热泵制热过程中存在的换热器结霜问题。会使机组的供热能力下降，从而增加系统的能耗；同时，空调机组在除霜过程中，无法正常供风。③针对轨道交通热泵型空调系统的试验体系尚存在空白，试验考核标准有待进一步研究。④目前热泵空调中使用的四通换向阀是专门适用一般民用空调的，能否适应轨道交通等恶劣环境，其可靠性还有待验证。⑤热泵机组的能量转换是利用压缩机做功来实现的，因此对压缩机使用寿命的影响是不可避免的，这无形中增加了列车空调的维护成本。

3 结语

本文探讨了轨道交通列车空调系统的节能技术，研究如何提高空调机组能源利用率。但作为车辆空调的节能技术，既要从空调的角度分析以提高空调系统能效比，也可从车辆的角度分析，以提高车辆保温性能，降低车体传热系数。由于空调工作时，车内外存在温差，因此车辆的保温性能直接关系到空调的能耗。目前，不同车辆厂生产的车辆其传热系数参差不齐，有的厂家为2.4 W/m2·K，有的厂家为1.8 W/m2·K左右。对于上海轨道交通目前的A型车来说，两者会带来每车3 k W左右的能耗差距。因此，必须从空调性能以及车辆保温性能两方面共同考虑，才能实现轨道交通节能降耗的目的。

［1］ 彦启森，李先庭，石文星.小型变容量空调系统控制技术在日本的研究进展［J］.家用电器科技，2000（9）：55.

［2］ 崔景潭，周晋，马贞俊，等.变频空调压缩机及变频调速系统的技术现状［J］.制冷与空调，2003，3（2）：11.

［3］ 匡江红，余斌.地铁空调通风环境控制系统的节能探讨［J］.能源与信息，2003，19（4）：218.

［4］ 王亚伟，臧建彬，王芳，等.上海地铁车辆空调机组新风节能分析［J］.城市轨道交通研究，2011（9）：34.

［5］ 林晓伟，王侠.地铁通风空调系统的优化控制［J］.城市轨道交通研究，2012（11）：100.

Energy-saving Method for Vehicle Air Conditioning System in Shanghai Metro

Ma Wen，Cheng Zuguo

By focusing on the optimal design of air conditioning syste，the energy-saving materials and energy efficiency technologies adopted in Shanghai urban rail transit，the improvementof energy efficiency of the vehicle air conditioning system are mainly studied.The resultsshow that either the adoption of both converter and heat pump technologies to improve the energy efficiency of air conditioning system from the perspective of vehicle air conditioners，or the improvement of vehicle insulation performance and reduction of car-body heat transfer coefficient from the viewpoint of vehicle itself，are needed for the ultimate goal of the full range of energy conservation in rail transist system.

metro；air conditioning；energy conservation

U 270.38+3；TK 018

2013-03-05）