节能型地铁车辆空调的能量调节方式

范英辉

【摘 要】空调是地铁车辆运行过程中的重要能耗装置，车辆空调的节能对整个地铁运营系统的能源合理利用具有重要的意义。本文结合天津市滨海新区Z4线工程车辆空调系统的选型设计，重点介绍了轨道交通车辆空调能量调节的四种形式：变频机组、并联机组、压缩机旁通卸载机组和bock压缩机机组，并对各自的工作原理和优缺点进行了对比分析。

【关键词】节能 地铁车辆空调 能量调节 方式

空调是地铁车辆运行过程中的重要能耗装置，车辆空调的节能对整个地铁运营系统的能源合理利用具有重要的意义。根据目前运营线路的能耗统计数据分析，一条20公里的地铁线路，平均每年的能耗达到8000kwh。其中车辆用电量为总用电量的50%～60%，以空调为主的辅助系统耗能约占车辆耗能的50%。因此在选型设计中，除了考虑安全性和实用性之外，也必须将节能设计作为重要的环节。

根据行业调查情况，在我国现有铁路、地铁等轨道交通车辆中，90%以上采用单冷定频空调，少部分采用变频、热泵等节能方案。空调系统的节能是一个综合性工程，包括车辆形式、风道选型、风量控制和机组能量调节等多种方式。其中空调机组的能量调节是所有方式中最为核心的内容。本文针对天津滨海Z4线车辆空调的设计选型实际，就地铁列车空调设计中的节能方案做一对比分析。

目前我国轨道交通行业中的能量调节机组主要采用以下形式：

1变频机组

所谓的“变频空调”是与传统的“定频空调”相对比而产生的概念。众所周知，轨道交通车辆空调常用驱动电压为380伏、50赫兹，在这种条件下工作的空调称之为“定频空调”。由于空调机组的供电频率不能改变，传统定频空调的压缩机转速基本不变，依靠其不断地开启和关闭部分或全部压缩机来调节室内温度。而与之相比，“变频空调”通过变频器来改变压缩机供电频率，并以此调节压缩机转速。依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，使得制冷室温波动较小、舒适度较好。

变频空调机组内部设置有两台变频压缩机，并安装两台变频器。变频控制器根据车辆反馈的载荷信号及室内温度，通过变频器控制压缩机的工作频率，调整压缩机的能量输出，实现空调系统制冷能量的多级调节。变频空调机组，对室内的温度控制更准确，并可根据车辆实时的温度波动和载荷变化，迅速调节压缩机的输出，维持客室内相对稳定的空气环境。

2并联机组

制冷系统一般是按照额定工况的制冷负荷进行选型设计的，在额定工况（夏季炎热时期、超员载荷）及其以上的恶劣工况下，并联压缩机组与一般压缩机组并无不同，而在一年中的多数时间内（春夏交替、夏秋交替时期，早晚时间段等），空调机组均在额定工况以下的非满负荷运行。

对于非满负荷工况，使用两台压缩机的空调机组设置有全冷、半冷、通风等工况。当客室内的温度持续下降，达到预定的半冷工况的温度值，此时停一台压缩机，如果车厢内温度继续下降，再关停运行的压缩机，转入通风模式。形成0～50%～100%的能量调节模式。

并联式空调机组一般采用4台立式压缩机，并两两并联共用一套制冷系统。在实际使用中，控制器根据车辆反馈的载荷信号和温度值，调整机组中压缩机的运行数量，可以实现四级能量调节的功能。

对于使用4台并联压缩机系统的空调机组来说，其能量调节模式与一般空调机组相同，但其调节状态为0～25%～50%～75%～100%，形成多级能量调节模式。并联压缩机组在非满负荷运行时，如75%（停1台压缩机）、50%（停2台压缩机）、25%（停3台压缩机）状态时，由于散热器的换热量相对减少，但换热面积及冷凝风量不变，整个机组的换热效率会大幅提高，机组的能效比值相比4台压缩机全开时要大。此时机组在制冷量达到要求时，输入功率下降，同样能产生节能效果。

空调压缩机的频繁起停同样会造成能量的损耗，压缩机在停机2分钟以后，系统内高低压力就会达到平衡状态。压缩机再次启动时系统需要重新建立高低压差，使系统管路预冷却后，才能输出制冷空气。压缩机在每次起停过程中，由开始建立高低压差到正式输出冷空气的过程，是常规定速空调能量损耗的重要环节。根据从国内既有地铁项目得到的实测数据，常规空调在环境温度达到35℃时，每天压缩机停机次数可达到36次。在此情况下，空调系统建立压力累计需要36分钟（空调系统开启压缩机后建立压力差的时间约为1分钟），压缩机最短停机时间为2分钟。由此可知，即使在环境温度在35℃，空调系统不需要制冷的时间占全天的百分比为10%（每天运行时间按照18小时计算），空调系统压缩机在建立压力过程中完全损耗的能量占比为3.33%。

3压缩机旁通卸载机组

压缩机旁通卸载机组主要功能部件是热气旁通阀，该阀是一种利用制冷剂压力和弹簧力的平衡原理来控制阀入口和出口压力的机械装置。作为能量调节的旁通阀可以提供一种手段，即通过旁通制冷剂高压侧至系统的低压侧，来保证系统能在给定的最低吸气压力下正常工作。

空调机组采用两台普通的定频压缩机，通过在压缩机的排气口处设置旁通结构，将部分排气直接导向压缩机的吸气管。其控制器通过检测室外温度，对比室内温度，控制旁通电磁阀动作，调节系统的能量输出，实现空调系统的能量调节。

4博客（bock）压缩机机组

空调机组采用两台博客（bock）压缩机，在压缩机吸气口处安装能量调节阀，通过能量调节阀的开闭来通断同侧气缸的吸气通道，从而实现压缩机的能量调节。一台空调就可以实现25%、50%，75%、100%的冷量调节。

对于博客（bock）半封活塞压缩机，其节能原理与并联压缩机类似，如果采用4缸压缩机就可以通过能调阀进行2个气缸的关闭实现调节功能，而同样在非满负荷条件下，关闭2个气缸，制冷系统所经过的蒸发器和冷凝器面积不变，相当于换热面积增大，可以实现节能效果。但由于活塞压缩机停止2个气缸并未相当于用电功率减半，而相当于全负荷时的60%，所以相比于并联压缩机停止1台压缩机即减少一半的功耗来说能耗略有增加。

目前国内轨道行业采用半封活塞压缩机的项目不多，按照压缩机厂家及相关数据信息，半封活塞压缩机具有15%～20%的节能效果。

参考文献：

[1]李瑞振.地铁车辆应用变频空调的节能分析[J].节能，2014，01：33—36.