城轨车辆全热交换空调机组性能研究

孙照岚，金甜甜，臧建彬

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.同济大学机械与能源工程学院，上海200020）

城轨车辆全热交换空调机组性能研究

孙照岚1，金甜甜2，臧建彬2

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.同济大学机械与能源工程学院，上海200020）

全热交换器是一种能量回收装置，目前在建筑上已经得到应用，但在城市轨道车辆上尚无应用。本文以城轨车辆全热交换空调机组为研究对象，以全热交换器单元和空调机组整体的性能分析为基础，设计了相应的全热交换空调机组结构进行了性能试验，并给出其整体性能系数。

全热交换器；空调机组；性能系数

0 引言

近年来，我国城市轨道交通进入现代化高速发展阶段，其节能问题日益受到关注。电能消耗是城市轨道交通系统运营过程中能耗的主要形式，空调系统的能耗在车辆能耗中占有很大的比例，而新风能耗约占空调系统的30%-40%。全热交换器是一种能量回收装置，能够利用新风来回收排风中所携带的能量，在建筑上已经得到应用，但在城市轨道交通车辆上尚无应用，只有一些初步探讨。

本文通过理论分析结合性能试验的方法，对加装全热交换单元后城轨车辆空调机组的性能变化做了系统研究。

1 全热交换空调机组性能分析

1.1 全热交换空调机组

全热交换空调机组将全热交换器与原有的车顶单元式空调机组相结合，全热交换器放置在空调机组两侧，如图1所示。

全热交换空调机组由原有地铁列车空调机组、全热交换器、风帽及新风道等组成。每台空调机组配有两台全热交换器，全热交换器沿车长方向对称分布于空调机组两侧；每台全热交换器配有一个新风进风风帽和一个排风出风风帽，两个风帽沿车体横断面方向对称分布与全热交换器两侧；全热交换器与空调机组回风口之间以保温风管连接。新风从新风进风风帽进入全热交换器后，与车内排风换热换湿后由新风风道接入空调机组回风口，与室内回风混合后经空调机组蒸发器处理后送入车厢内。

图1 全热交换空调机组

1.2 性能分析

全热交换空调机组将现有的全热交换器与原有的城市轨道车辆空调机组结合起来，车外新鲜空气先进入全热交换单元与车厢废排空气换热换湿，再与回风混合后进入空调机组降温除湿。全热交换器的增加引起原有的车辆空调系统中空气处理过程发生变化，图2为其空气处理过程。

图2 全热交换空调机组空气处理过程

空调系统的蒸发器的冷却能力，即冷量可用下式计算[1]：

式中Q0—空调系统所需冷量，W；

G—空调系统总风量，kg/s；

iC—新、回风混合点焓值，kJ/kg；iL—送风状态点焓值，kJ/kg。

车辆空调系统中新回风比为1：2，则由此可在焓湿图上确定混合点，新、回风混合点焓值由下式计算可得:

式中GN—回风风量，kg/s；

GW—新风风量，kg/s；

iN—回风状态点焓值，kJ/kg干；

iW—室外新风状态点焓值，kJ/kg干。

则增加全热交换单元前后的蒸发器的冷量需求如下式：

原空调机组：

全热交换空调机组:

冷量变化:

W1点的焓值可由全热交换器的全热效率计算得出[2]:

式中ηi—全热交换器的全热效率，%；

iW1—新风预处理后状态点焓值，kJ/kg干。

从以上分析可知，全热交换空调机组相较于原空调机组而言，蒸发器的冷量需求变化可表示为:

式中ΔQ0—空调机组制冷量变化量，W。

本文中研究对象为用于夏季制冷的空调机组，因此本文在性能系数上可参考制冷能效比EER，它表示在规定的制冷能力实验条件下，空调机组制冷量与制冷消耗功率之比，其单位用W/W表示。

城市轨道车辆原有空调机组的主要耗能元件为压缩机，主要制冷元件为蒸发器，性能系数EER可用下式表示[3]：

式中WC—压缩机消耗功率，W。

加装全热交换单元后，空调机组的主要耗能元件为压缩机与全热交换器单元中的风机，主要制冷元件为蒸发器与全热交换器，性能系数EERQ可用下式表示：

式中WF—全热交换单元消耗功率，W。

图3 机组试验设备连接图

2 试验研究

2.1 试验目的及原理

本试验参照TB/T 1804-2009《铁道客车空调机组》进行，测试城轨车辆用全热交换空调机组在夏季和冬季工况下运行的换热换湿性能[4]。

标准规定，试验时若大气压力低于标准大气压（101325Pa），大气压读数每降低3.5kPa，制冷量可增加0.8%。

本试验用全热交换器为B样机，外形尺寸为220mm×370mm×1250mm。

2.2 试验台及试验仪器

试验在某合作企业的风洞式焓差试验台上进行，设备系统图如图3所示。

风洞式焓差试验台主要由两个环境控制室组成，两室分别连接空气调节设备，通过调节可使两室内达到试验工况所要求的温、湿度。本试验中，采用大风洞模拟车内环境，室外侧模拟车外环境，全热交换器置于大风洞内，空调机组置于低温室内。室外侧空气通过保温风管引入全热交换器，经全热交换器处理后连入空调机组回风道，与室内回风混合后送入空调机组，经空调机组降温除湿处理后，由保温风管送入大风洞内的房间流量测量装置。房间流量测量装置内装有喷嘴，用来测量室内侧试验室内的空气流量；该装置内还装有风机，用来平衡系统所产生的附加阻力[5]。大风洞内的空气通过全热交换器上的排风口进入全热交换器，与室外侧引入的新风进行热湿交换，处理后的排风通过保温风管送入室外侧。

本试验所用的测量仪表可总结如下，见表1。

表1 空调机组试验用测量仪

2.3 试验工况及结果

城轨车辆用全热交换空调机组相较于原地铁列车空调机组而言，增设了全热交换装置。在进行性能试验时，新风阀关闭，新风通过全热交换器后与回风部分混合进入空调机组，室内参数应仍设置成空调机组工作时回风状态参数，即有别于标准规定室内侧进气参数。为比较加装全热交换器对空调机组的影响，对于原机组关闭新风阀的试验方式也应进行更改，即未装全热交换器与加装全热交换器的两组空调机组性能试验应保证同样的工况要求。具体工况设定见表2。

试验工况中，大风洞风量要求基于全热交换器新风风量、地铁列车新回风比及地体列车通风量要求所定。装置在该工况下连续稳定运行30min后，开始进行测量；连续测量20min，按5min时间间隔记录空气的各项参数，共记录4次数值，结果取其平均值。

本试验共进行两组试验：无全热交换器试验和加装全热交换器试验。试验结果见表3。

表2 空调机组试验工况

表3 空调机组试验工况表℃

2.4 试验结果分析

2.4.1 空调机组的制冷量变化

根据计算，空调机组的制冷（热）量变化见表4。该试验中，大气压力为100098Pa，比标准大气压低1227Pa，低于标准规定的需修正制冷量的大气压力变化值，因此试验结果中的制冷量不予修正。两组试验中，空调机组总通风量夏季相差值为61m3/h，即为0.01m3/s；冬季相差值为60.63m3/h，即为0.01m3/s，可认为冬夏季工况下均近似相等，在性能上的微小差异忽略不计。

表4 空调机组单元的制冷（热）量变化kW

此处空调机组制热工况下的制热量在试验时由于条件限制，存在偏差。另外，加装全热交换器后，全热交换空调机组的整体制冷（热）量上升主要是因为空调机组单元的制冷（热）量高于理论值。空调机组单元在加装全热交换器后，由于条件限制，并未更换为理论上的低制冷（热）量机组，因此性能上稍优于理论值。

2.4.2 空调机组的性能系数

增加全热交换器后，空调机组的制冷量降低，原压缩机不再适用，应选用小功率压缩机，则空调机组部分的电功率降低。本文拟定32kW的机组EER与40kW的机组相同，得出其相应的电功率耗值，并根据修正结果得出相应的全热交换空调机组性能参数值。根据计算，空调机组的性能系数变化见表5。

表5 全热交换空调机组性能系数变化

由表5可以看出：

（1）夏季工况下，总通风量为4885.90m3/h，未加装全热交换器时，空调机组的制冷量为40.30kW，性能系数为2.43；加装全热交换器时，总通风量为4824.83m3/h。空调机组的总制冷量为41.87kW，性能系数为2.90。该空调满足标准规定的铁道客车空调机组的EER应大于2.1的要求。

（2）冬季工况下，总通风量为4799.23m3/h，未加装全热交换器时，空调机组的制热量为28.94kW，性能系数为1.91；加装全热交换器时，总通风量为4859.86m3/h。空调机组的总制热量为29.02kW，性能系数为2.36。

需要注意的是，冬季工况下原空调机组的性能系数为1.91，与夏季工况下有所区别，且不满足标准规定的铁道客车空调机组的EER应大于2.1的要求，主要是试验过程中对铁道标准规定的试验工况及试验方法进行了更改，而且试验中由于气候条件的限制，不能精准达到试验要求，因此出现了偏差。

综上，可将增加全热交换器前后的空调机组夏季性能参数进行对比，其结果如图4所示。由于冬季情况存在偏差，且趋势与夏季相同，此处只以夏季为例进行说明。

从上述结果可以看出，增加全热交换器后，对于空调机组单体而言，制冷量和耗功大幅降低，同一地铁车型可选用更小型号的空调机组，空调机组单元性能系数无变化；对于全热交换空调机组整体而言，总耗功量降低，机组整体性能系数增大，即可用更少的电能换取相同的制冷量，达到了节能效果。

图4 全热交换器增加前后机组夏季性能比对

3 结语

本文对全热交换空调机组进行理论分析，结合性能试验的测试结果，分析了加装全热交换单元后空调机组的性能变化。

（1）根据试验结果，全热交换空调机组能够减少9.42kW的制冷量及4.84kW的制热量。

（2）夏季工况下，全热交换空调机组的性能系数为2.90；冬季工况下，全热交换空调机组的性能系数为2.36。

加装全热交换器后，空调机组的性能系数增大。因此，在相同空调负荷的情况下，空调机组的耗电量减小，可以达到节能的效果。

[1] 赵荣义.空气调节[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2] 朱聘冠.换热器原理及计算[M].北京：清华大学出版社，1987.

[3] 郑贤德.制冷原理与装置[M].2版.北京：机械工业出版社，2008.

[4] TB/T1804-2009，铁道客车空调机组[S].

[5] E.John Finnemore, Joseph B.Franzini. Fluid Mechanics With Engineering Application (Tenth Edition)[M].北京：清华大学出版社，2003.

修回日期：2016-08-25

Performance of Heat and Mass Transfer in Metro

SUN Zhao-lan1，JIN Tian-tian2，ZANG Jian-bin2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd，Qingdao 266111，China；2.School of Mechanical Engineering Tongji University，Shanghai 200020，China）

Total heat exchanger is an energy recovery device that has been applied architecture, but hasn’t been used in urban rail vehicle. We study the total heat exchanger in air conditioning units of urban rail vehicle, analyze the performance of the total heat exchanger unit and the overall performance of air conditioning units, design the structure of the total heat exchanger in air conditioning units and experiment its performance. Finally we find the coefficient of performance.

heat and mass transfer；air-conditioning；coefficient of performance

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.020

U270.383

B

2095-3429（2016）06-0076-05

孙照岚（1987-），男，辽宁沈阳人，硕士，助理工程师，研究方向：空调系统；臧建彬（1973-），男，教授，博士，研究方向：轨道交通环境控制。

2016-07-22