轨道交通车辆空调系统新风节能分析

2015-10-29高峰

建材与装饰 2015年3期

关键词：新风量风口新风

高峰

（重庆市轨道交通（集团）有限公司重庆市渝北区　401121）

轨道交通车辆空调系统新风节能分析

高峰

（重庆市轨道交通（集团）有限公司重庆市渝北区401121）

自20世纪80年代开始，空调列车在我国发展十分迅速，其车用空调机组基本能满足供冷和供热要求，技术较为成熟可靠。但是由于轨道交通车辆空调系统的特殊性，导致其能耗较高，本文即针对轨道交通车辆空调系统新风节能做了具体探讨。

轨道交通车辆；空调系统；新风节能

引言

在轨道交通车辆空调系统中的运行过程中，其需要消耗大量的能源，例如：南方城市约50%的运营能耗为空调系统耗能，北方城市能耗也达到运行总能耗的近1/3。对此，在空调系统的设计与运行方面，应注重节能措施的应用，降低系统运行能耗。

1　轨道交通车辆空调系统特点及其节能的必要性

1.1轨道交通车辆空调系统特点

轨道交通车辆的空调系统具有其特殊的特点，具体如下所示：①城市轨道交通运量大、站点密集、上下车乘客交换频繁、连续运行时间长，要求车辆部件及空调系统具备较高的可靠性。②轨道交通车辆运行外部环境多变，列车运营期间，跨越多种不同气候条件的地理区域，应考虑空调系统对特殊环境的适应性。③由于旅游淡旺季、上下班时间、春运等因素，导致车厢内人员变化大。据统计，高峰期时往往超载50%以上，低谷时一节车厢内仅有不到一半的定员，这就使得负荷变化非常大，要求空调系统及设备能够进行相应的调节。

1.2轨道交通车辆空调系统节能的必要性

轨道列车耗电量很大、运行成本很高，空调系统是轨道车辆主要的耗能系统。例如：一列8辆编组的轨道列车，空调耗电几乎占总发电量的50%，每列客车都需要配有专门的空调发电车才能满足空调系统运行所需的电力，而空调发电车油耗高，在增大能耗的同时直接导致轨道公司经济效益的下降。对此，必须重视轨道交通车辆的空调系统节能。①在系统设计方面，可以采用热泵等节能技术，使用热交换器回收排风中的热量。②在系统控制方面，采用压缩机及风机变频调节技术降低系统运行能耗。同时还应考虑不同运营时期客流量及热负荷的变化，进行相应空调调节。如可随着载客量变化自动改变车厢设定温度标准、调节新风量等手段，尽可能提高系统的自动控制智能化，达到最大的节能效果。本文即针对轨道交通车辆空调系统新风节能进行了具体的探讨。

2　轨道交通车辆空调系统新风节能分析

2.1新风负荷

当前，我国的轨道交通车辆中空调系统空气处理方法均为回风和新风冷却前一次混合。新风量占了通风量1/3，冷却前一次混合空气处理过程如图1所示。

图1　冷却前一次混合空气处理过程图

图1中，N表示室内状态点，W表示室外新风状态点，L表示送风状态点，C表示新风与回风混合后的状态点，可以看出新风负荷随室外新风状态点的变化而变化，新风负荷的计算公式如下所示：

式中：GW——表示新风量，kg/s；

iN——表示N点比焓值，kJ/kg；

iW——表示W点比焓值，kJ/kg。

从该式可得，在进行新风负荷计算时，必须确定好新风量，其具体计算方法如下所示。

2.2根据CO2浓度确定新风量

由于轨道交通车辆的空调车厢为密闭状态，因此为了使其空气质量达标，必须确保空调车厢中每人具有一定的新风量。新风量是由室内允许CO2浓度所确定，在轨道交通车辆上，最小新风量和乘客的人数存在下述关系：

式中：GN——表示车内CO2的浓度，%；

CW——表示新风CO2的浓度，%；

GW——表示最小新风量，m3/h；

C0——表示单位时间每位乘客产生的CO2量，m3/（h·人）；

Y——表示乘客人数，人。当前，轨道交通车辆采用的均为定新风系统，若是车内人数未达到额定人数，则会出现额定新风量大于上式最小新风量的现象。额定风量和最小新风量间的差值即为可节约新风量。因此，在进行新风量节能时，必须具体分析轨道交通车辆逐时载客量。

2.3新风节能

除了新风量之外，新风负荷还和室内外空气焓差有关。因为室外新风状态点随着季节、运行时间以及气温的变化而变化，在轨道交通车辆运行时间中，取n个时间的微元段，在微元段中，新风状态近似看做是不变的，则可得到新风n个状态点。记新风第j个状态点焓值是iW（j），最小新风量是GW（j），额定新风量是GX，那么每个微元时间段中焓差如下：

若是GW（j）＜GX，那么每个微元时间段中可节约新风负荷如下：

全天运行可节约新风负荷则是所有的微元时间段内可节约新风负荷的总和：

3　实例分析轨道交通车辆空调系统新风节能措施的应用

3.1轨道交通车辆概况

在前期的调研与分析的基础上，本文选取了某X号列车，进行新风口控制方案试验研究：通过车厢内载荷的变化，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），调节新风口的开度，以寻找到最佳的新风口开度，在满足舒适性的前提下，实现最大限度的节能。

3.2改造前轨道交通车辆CO2监测情况

改造前在车厢内的两端回风口和车厢中部站立区布置3个CO2的体积分数采样点，同时在新风口也设有采样点，监测外界环境的CO2的体积分数值，实现对列车车厢内全天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，车厢内最大的CO2的体积分数值为1823×10-6。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3200m3/h、外界空气CO2的体积分数为450×1010-6条件下计算得出的CO2的体积分数标准值为2100×10-6）。图2所示的早高峰时段车厢内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。

3.3新风节能改造

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，将原有的新风口改造为可调电动风口；同时，通过现有的空调控制器，用于控制风口的开关及接收风口位置反馈信号；并从风口调整档位的设定、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口可调功能；当新风口位置反馈发生故障或CO2的体积分数传感器发生故障时，通过列车控制总线发送风口故障，同时将新风口开至最大。

图2　早高峰时段车厢内CO2体积分数的监测情况图

3.4新风节能改造效果分析

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（风口开度）、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3）得知，车厢内CO2的体积分数控制在了安全卫生的要求内，风口档位的调整也较好地覆盖了全天低峰客流的情况。

图3　车厢内CO2的体积分数和新风口开度随运营时间的变化情况图

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月、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车厢内CO2的体积分数的监测情况，检验了列车在实际运营过程中车厢内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。

3.5新风节能改造中的注意事项

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综合考虑风口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车厢内CO2的体积分数的检测情况。新风口的调节控制可以根据车辆网络发送给新风口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，风口可以在最短时间内将新风量调节到需要的水平。同时在车厢回风口可加装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。②CO2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。