城市轨道车辆空调系统的节能方案分析

于文晶，康伟

（中国北车集团长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130062）

城市轨道车辆空调系统的节能方案分析

于文晶*，康伟

（中国北车集团长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130062）

本文阐述了城市轨道车辆空调系统中采用变新风及并联压缩机的方案，实现城市轨道车辆空调系统的节能要求。结合城市轨道车辆项目空调系统的节能方案研究和应用，针对变新风及并联压缩机的方案进行了分析和论证，为车辆空调系统节能控制提供参考和依据。

车辆空调系统；变新风；并联压缩机；节能

0 引言

在科学技术快速发展的今天，绿色节能环保已经越来越受到人们的重视，实现可持续发展也成为经济发展的一个重要目标。在城铁车辆的设计中，这一理念也已得到重视，并进行了推广，本文将就城铁车辆定频空调机组的节能进行论述。

1 节能方案应用

在城铁车辆的各个系统中，空调系统的耗电量大，根据相关文献[1]，以空调系统为主的辅助系统耗电量占车辆耗电量的50%，因此在空调系统采用节能设计对整车的节能效果意义重大。

目前城铁车辆的空调机组一般分为变频和定频两种型式，国内的城铁车用的变频空调机组起步相对较晚，同时由于变频技术的限制，导致变频空调机组的应用并不多；而定频技术作为主要的空调机组方案，已被广泛应用于国内城铁车车辆项目。

表1为城市轨道交通车辆空调系统的几种节能方案。

由于变频热泵技术在轨道交通车辆空调系统上的应用并不广泛，而幅流风机的设定与车辆内装紧密联系；小管径铜管换热器[2-3]具有一定的节能作用，但在车辆上应用极少，因此本文针对变新风节能方案和压缩机并联方案的方案加以分析。

表1 城市轨道交通车辆空调系统的节能方案

2 变新风控制方案

2.1 原理

城铁车辆空调系统的目的是将进入空调机组内部的、由新风和回风混合后的混合风通过蒸发器的降温除湿过程，再送入车厢内部，以满足乘客乘车舒适性要求。空调机组的制冷量由车内冷、湿负荷[4]确定，而在负荷计算中，新风负荷占据了很大的比重。

传统车辆空调系统中，新风量并不按照乘客的数量设定，而是均按照AW2载员时人均新风10 m3/h[5]设定。因此大部分时间新风超过需求，采用根据载客数量调整新风方案可以有效实现节能控制。通过对上海轨道交通一号线全天客流量和上海地区夏季气象资料的调研[6]，定新风量空调负荷要比变新风量空调负荷大，而差别在于新风量的负荷[7]。计算分析得到轨道交通一号线车辆空调系统新风负荷的节能潜力约为12.6%～14.6%。另外，据调查，新风负荷在制冷负荷中占比较大，图1和表1为某项目中的M车、Mp车制冷负荷分配情况。

图1 M车、Mp热负荷分配图

表1 M车、Mp车热负荷分配表

从表1可见，新风负荷将近占总制冷负荷的一半，而新风负荷主要由乘客负载产生。由于受车辆线路、站间距、行车密度以及工作日与非工作日、车辆沿线的情况等因素影响，城铁车辆的载客量波动量很大，因此在载客量较小时降低新风量，则车辆空调系统的节能设计效果非常明显。

因此，根据轨道交通车辆载客量实时控制新风量是一种行之有效的节能措施。

2.2 变新风节能方案

新风门根据车内载荷情况进行调节，实现节能、舒适度的要求。新风量的控制方法[8]有2种，可以采用二氧化碳浓度检测，即在回风门设置二氧化碳传感器[9]，根据二氧化碳浓度调节新风门，从而改变新风量。

此外，还有更为可靠且易行的方式，即采用载客量信号进行控制。空调系统控制根据车载人员的数量来调节新风阀开度，由TCMS传送过来的车辆载荷信号，新风阀开度分为4档，分别为25%、50%、75%及100%，具体可见表2。

通过这些方案，可有效实现车辆空调系统的节能要求。

表2 车辆新风阀开度

3 压缩机4级能量调节节能方案

3.1 原理

空调机组内设有2套独立的制冷系统，每个制冷系统中有一组由2台压缩机并联组成的压缩机组，通过控制压缩机开启的个数，实现4级能量调节。

3.2 四级调节节能方案

每台空调机组设有4台压缩机，通过管路两两并联，压缩机设有过载、欠压等保护，设有高低压压力保护装置。压缩机采用的是柔性涡旋压缩机[10]，振动及噪声较低。

通过开启压缩机的数量，来实现以下四种制冷模式。

制冷模式1：每台空调提供25%的制冷功率，即每台空调机组仅一台压缩机工作。

制冷模式2：每台空调提供50%的制冷功率，即每台空调机组内各有一套制冷系统中的1台压缩机工作。

制冷模式3：每台空调提供75%的制冷功率，即每台空调机组2套制冷系统中1套2台压缩机工作，1套仅1台压缩机工作。

制冷模式4：每台空调提供100%的制冷功率，即每台空调机组2套制冷系统4台压缩机全部工作。

单台机组运行模式及压缩机工作状态见表3。

为了保证车厢温度调节的均匀性，每节车所配备的2台客室空调机组的压缩机组合工作模式始终相同。在制冷运行过程之中，客室空调根据收到的适时的室内温度值与目标设定数值进行比较，当超过规定的偏离值时，机组相应的更换运行模式，增加或者减少制冷能力。运行模式的变换是逐级的。

表3 单台机组运行模式及压缩机工作状态

3.3 压缩机4级能量调节方案与传统项目节能对比

以某项目空调机组压缩机试验数据为例：表4为3种方案能耗对比数据；图2为3种方案在不同工况下的功耗对比。

通过对比，可以看出采用压缩机4级调节方案的节能效果优于其他2种传统的方案，特别在高温条件下节能效果更为明显。

表4 不同工况的功耗对比

图2 不同方案在三种工况下的功耗比较图

4 结论

在城市轨道交通车辆空调系统中，上述的变新风节能方案与压缩机4级调节节能方案，均在工程实践中通过验证，取得了一定的成果，但从另外的角度而言也存在一些问题，比如如何通过载客量确定新风门的开度控制和新风量、车辆运行速度对新风量的影响以及并联压缩机带来的油平衡等问题，还需要不断试验及研究，从而确定更加优化的方案实现空调系统的节能效果。

[1] 李瑞振. 地铁车辆应用变频空调的节能分析[J]. 节能, 2014, 33(1): 33-36.

[2] 尤顺义, 张静, 林灿洪, 等. 小管径内螺纹铜管在空调系统中的应用[J]. 制冷技术, 2010, 30(2): 22-25.

[3] 任滔, 丁国良, 韩维哲, 等. 空调器中采用小管径的影响分析及研发思路[J]. 制冷技术, 2012, 32(1): 49-52, 67.

[4] 钱海雷, 许慧慧, 高屹峰, 等. 公交客车空调铜, 铝翅片散热器抑菌性能对比研究[J]. 制冷技术, 2012, 32(3): 18-22.

[5] CJ/T 354-2010城市轨道交通车辆空调、采暖及通风装置技术条件[S].

[6] 陈佳, 刘叶弟, 王亚伟, 等. 上海地铁1号线车辆空调系统的部分负荷特性分析[J]. 铁道车辆, 2011, 49(12): 8-9.

[7] 陈佳, 臧建斌. 上海轨道交通列车空调节能分析[C]//上海市制冷学会2009年学术年会论文集, 2009.

[8] 陈焕新, 杨培志, 赵向红. 空调客车中新风量的控制[J]. 铁道机车车辆, 2000(6): 25-26.

[9] 周志雄. 客车空调的新风控制与节能[J]. 电力机车与城轨车辆, 2004, 27(4): 45-46.

[10] 殷光文, 董天禄. 美国谷轮柔性涡旋压缩机技术应用指南第一讲空调用ZR系列压缩机[J]. 制冷技术, 1998, 18(2): 37-40.

Analysis of Energy Saving Scheme for Air Conditioning System of Urban Rail Vehicle

YU Wen-jing*, KANG Wei
(Urban Transit Vehicles Development Department, Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun, Jilin 130062,China)

The scheme by applying variable fresh air flow and parallel-connected compressors programs used in the air conditioning system of urban rail vehicle was proposed, which may achieve the energy-saving requirements air conditioning system in urban rail vehicle. Combined with the energy saving research and application, the programs for application of the variable fresh air flow and parallel-connected compressors were analyzed and demonstrated, which would provide reference and basis for energy-saving control for the vehicle air conditioning system.

Vehicle air conditioning system; Variable fresh air; Parallel-connected compressors; Energy saving

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.206

*于文晶（1980-），女，高级工程师，学士。研究方向：轨道车辆空调采暖。联系地址：吉林省长春市绿园区青荫路435号，邮编130062。联系电话：0431-87832053。E-mail：yuwenjing@cccar.com.cn。