轨道车辆变频空调节能试验及舒适性研究

王　钊　魏婉娜　陈　亮（.广州中车轨道交通空调装备有限公司　广州　5085；.华车（北京）交通装备有限公司　北京　00038）



轨道车辆变频空调节能试验及舒适性研究

王钊1魏婉娜1陈亮2
（1.广州中车轨道交通空调装备有限公司广州510285；2.华车（北京）交通装备有限公司北京100038）

【摘要】在轨道车辆上安装变频空调，与既有定频空调进行运营对比试验。试验结果表明变频空调全年节能率达到27.58%。安装变频空调的客室内温度控制精度高，温度波动范围小，舒适性提高。变频空调机组在轨道车辆上具有良好的经济效益和应用前景。

【关键词】轨道车辆；变频空调；节能试验；舒适性

作者（通讯作者）简介：王钊（1986-），男，硕士研究生，从事列车空调设计研发工作，E-mail：Zhao.Wang@zrjc.com

0　引言

轨道车辆空调使用环境冲击和振动大、全年气候环境多变、车辆热负荷变化快。目前的轨道车辆空调机组大多使用定频压缩机，空调机组的制冷调节能力较差，对负荷变化范围大的使用环境适应力不好，只能通过控制压缩机的启停数量来实现制冷能力调节，导致车厢内温度波动较大，空调机组的制冷能力产生浪费[1]，最终产生能耗损失。

变频空调采用变频压缩机，通过变频器调节压缩机运行频率来满足车内不同载客量、环境温度变化时的制冷需求，实现对车内温度的精确控制[2,3]，减少启动电流对电网的冲击[4]，达到减少空调机组的能耗，实现节能的目的[5]。

变频空调在轨道车辆上已经有部分的使用，如CRH2型动车组[6]、重庆单轨项目等，但其目的不是用于节能，而是满足轨道车辆恶劣的使用环境、如高温、低温制冷状态等。通过在深圳某地铁车辆上安装变频空调，装车运行后，对变频空调机组的节能效果进行考核，从实际用电量数据和车厢内温度舒适性方面研究变频空调机组的节能能力和实际达到的温度舒适性指标。

1　试验方法

在深圳某地铁线路的运营车辆上，使用编号130的列车进行变频空调节能试验改造。130车第01、02、03车上每节车使用两台原车定频空调；第04、05、06车上每节车上安装两台新造变频空调。车辆编组方式和空调安装示意图如下图1所示。

图1　空调安装示意图Fig.1 Air-conditioning installation diagram

在车辆空调控制柜内安装电能表，实时记录每台空调机组运行消耗的电量；在车厢内安装温湿度记录仪，实时记录车厢内部的温湿度数据。

定频空调和变频空调机组的额定制冷量均为42kW，送风量5000m3/h，新风量1600m3/h，使用R407C制冷剂，定频空调机组使用谷轮ZR94KTE -TFD型压缩机；变频空调机组使用ZRHV72KJETFD型压缩机。空调机组外形尺寸除压缩机位置外，其余接口与原车辆接口均保持一致。变频空调机组使用原车空调的控制逻辑，每台变频空调机组内部设置压缩机变频控制装置，根据车内外温度状态自动控制压缩机运行频率和起停。除压缩机控制逻辑不同外，空调其它功能均保持一致。

2　节能试验用电量数据分析

自2013年5月开始进行变频空调节能试验的装车调试工作，期间根据客室内实测温度数据和车内温度设定值，逐渐调节变频空调的运行状态，使安装定频空调和变频空调的客室内温度趋于一致。节能试验选用数据为2013年7月31日至2014年7月29日时间段内。

表1　空调用电量数据Table 1 Power consumption data of Air-conditioning

根据上述试验数据，自2013年7月31日至2014年7月29日，130车定频空调总用电量为207479.5kWh；变频空调的总用电量为150263.7kWh。变频空调相比于定频空调总计节能57215.8kWh，总的节能比率为27.58%。

从图2中可知，130车变频空调的单月节能率最小为20.96%，最大为34.51%，年平均节能率达到27.58%。

2013年11月、12月、2014年1月份共3个月中，变频空调节能率均在22%左右，处于全年的节能率最低值。此时深圳地区环境温度低，新风热负荷很小，车厢内的制冷需求不大，空调制冷使用率较低。而且环境温度较低时空调自身冷凝换热效果好，定频和变频空调能效比都比较高，导致变频空调节能率在此时偏低。

在过渡季节如2013年10月份、2014年3月份，节能率达到峰值。此时全天温度变化范围较大，空气含湿量大，空调制冷除湿负荷大，车内热负荷因载客量变化剧烈，车辆开关门引起的冷空气损失等因素[7]，导致定频压缩机频繁启停，而变频压缩机通过调节运行频率，减少了压缩机的启停次数，达到减少空调用电量的目的。

变频空调机组的主要节能能力来自于非满负荷时空调机组更高的能效比，在满负荷及以上情况时，变频空调和定频空调均要求在满状态运行，定频空调压缩机全冷运行，变频压缩机工作在设定的高频率满负荷运行。此时二者的能效比处于同一等级。变频空调机组在车厢低负荷状态时，通过降低压缩机运行频率，减少制冷系统中循环的制冷剂质量流量，减少压缩机输入功率，提高换热器换热效果，最终提升能效比[8]。在车辆总的热负荷一致的情况下，能效比越高，消耗功率越小。

图2变频空调月度节能率Fig.2 Monthly energy saving rate of inverter air-conditioning

3　客室温度及舒适性分析

车辆客室内部安装温湿度采集仪，实时记录客室内部的温度和湿度值，通过对比安装定频空调和变频空调车辆的内部实测温度值，调整空调的运行参数，使整列车的温度设定值和舒适度达到一致，使空调机组工作状态一致，节能试验更加准确有效。

图3　第1301车内温度数据变化曲线Fig.3 Interior temperature data curve of 1301 carriage

图3为2014年3月31日实时记录的车内温湿度数据。运营车辆自早上06:25分上线运行，晚上00:00分回库停车。全天制冷运行时间约17.5小时。01车内最高温度26.3℃，最低温度为21.9℃，全天平均温度为23.5℃，温度波动范围为±2.2℃，平均相对湿度78%。06车内最高温度26.3℃，最低温度23.3℃，全天平均温度值24.4℃，温度波动范围为±1.5℃，平均相对湿度74.9%。

图4　第1306车内温度数据变化曲线Fig.4 Interior temperature data curve of 1306 carriage

图5　月度车内平均温度数据曲线Fig.5 The average monthly interior temperature data curve of the carriage

每车每月的车内平均温度曲线如图5所示。

对比安装定频空调车厢和变频空调车厢内的温度波动曲线，可知安装变频空调车厢内的温度波动范围小，波动幅度小，车内空气相对湿度有一定改善，舒适性更高。

130车各车厢内温度自2013年8月起，安装定频空调的车厢和安装变频空调的车厢内温度波动趋势一致，车内温度平均数值基本一致。全年安装变频空调车厢内温度比安装定频空调车厢内温度平均高出0.26℃，且安装变频空调车厢内年度平均温度均小于26℃。可知变频空调控温功能满足车辆使用要求。

4　结论

变频空调机组在2013年7月至2014年7月全年的试验期内，空调机组运行状态良好，变频空调相比于定频空调总计节能57215.8kWh，平均节能率为27.58%，车厢内平均温度值达到要求，温度波动小于安装定频空调的车厢，节能试验达到预期目的。试验表明，变频空调机组在轨道车辆上具有良好的应用，特别适合热负荷变化快的轨道车辆，节能能力具有较大优势，具有优秀的应用前景。

参考文献：

[1]王兴江.轨道车辆空调的节能技术[J].机电工程技术,2011,40(8):66-68.

[2]徐君瑜,余敏,龙时丹,等.列车空调变负荷影响和变频技术应用研究[J].上海理工大学学报,2013,35(6): 572-576.

[3]周乾纲.论变频空调的技术优势与节能机理[J].电机电器技术,2000,29(2):26-28.

[4]佘光华.地铁通风空调系统节能研究[J].制冷与空调,2008,22(2):14-17.

[5]欧阳仲志.我国铁路客车空调技术的回顾与展望[J].铁道车辆,2013,51(12):70-74.

[6]滕广武,欧阳仲志.铁路高速动车组空调试验和舒适性要求[J].铁道车辆,2009,47(10):30-32.

[7]闫磊,张安.变频空调在城轨车辆上的应用[J].机车电传动,2013,42(2):60-63.

[8]金听祥,李冠举,郑祖义.变频空调器性能影响因素的试验研究[J].供热制冷,2010,9(9):66-69.

Research on Energy Saving Experiment and
Comfortableness of Inverter Air-conditioning for Railbound Vehicles

Wang Zhao1Wei Wanna1Chen Liang2
( 1.Guangzhou Zhongche Railway Vehicles Air Conditioning Co., Ltd, Guangzhou, 510285；2.China Railway (BEIJING) Vehicles Equipment Co., Ltd, Beijing, 100038 )

【Abstract】Installation of inverter air-conditioning on railbound vehicles, contrasting experiment with the existing fixed frequency air-conditioning. The experiment results show that the annual energy saving rate reached 27.58% of inverter air-conditioning. The temperature control precision is high in the passenger compartment installation of inverter air-conditioning, temperature fluctuation range is small, the comfortableness is improved. Inverter air conditioning unit has good economic benefits and application prospect in railbound vehicle.

【Keywords】railbound vehicles; inverter air-conditionging; energy saving experiment; comfortableness

中图分类号U270.38+3

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-099-05

收稿日期：2015-03-02