基于LMSAMESim的城市轨道交通车辆空调制冷系统研究

周　阳　毕海权　鲁华伟　黄若奕（西南交通大学机械工程学院　成都　610031）



基于LMSAMESim的城市轨道交通车辆空调制冷系统研究

周阳毕海权鲁华伟黄若奕
（西南交通大学机械工程学院成都610031）

【摘要】介绍了基于LMS AMESim软件进行城市轨道交通车辆空调制冷系统仿真的研究，主要分析了压缩机效率对空调制冷系统的影响。通过LMSAMESim空调制冷系统模型的仿真计算，可得到城轨车辆空调制冷系统不同工况下各部件的运行参数及系统制冷量和能耗。LMS AMESim可以为城轨车辆空调系统的设计提供参考。

【关键词】LMSAMESim；城市轨道交通车辆；空调制冷系统；压缩机效率

0　引言

随着城市的发展，城市内的交通问题日趋严重，发展地铁、轻轨或有轨电车等轨道交通方式成为解决城市交通问题的策略和措施[1]。由于城市轨道交通车辆空调系统能耗占总运行能耗的30%[2]，因此，有必要对城轨交通车辆的空调系统进行研究，以减少城轨交通车辆空调系统能耗。

本文采用多学科领域系统建模仿真平台LMS AMESim软件建立了城轨交通车辆空调制冷系统的计算模型，分别搭建了压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器模型，通过试验数据验证了模型的准确性，并分析了压缩机效率对空调制冷系统制冷量和能耗的影响。

1　城市轨道交通车辆空调系统建模

1.1 LMS AMESim软件简介

LMS AMESim（Advanced Modeling Environment for Performing Simulation of Engineering Systems）为一维多学科领域复杂系统建模仿真平台，已经成功应用于航空航天、车辆、船舶、工程机械等多学科领域。

1.2空调制冷系统模型建立及验证

本文所用车辆及空调机组参数由于涉及企业的商业机密，具体的结构参数等不便列出，可参考文献[3,4]。

LMS AMESim采用模块化建模，可根据不同的需求搭建模型。对于空调制冷系统可选取压缩机、制冷剂管、毛细管、翅片管、制冷剂、气液分离器、干燥器等模块建模。

制冷系统仿真原理详见文献[5,6]，限于篇幅本文不做详细说明。

本文模拟的城轨车辆采用涡旋压缩机，涡旋压缩机容积效率ηv和电效率ηs随蒸发温度、冷凝温度、压比变化，变化复杂，可由实验值求得，通过多项式来回归。

通过LMS AMESim搭建的空调制冷系统如图1所示。

图1　 AMESim空调制冷系统模型Fig.1 AMESim model of air conditioning and refrigeration systems

根据《铁道客车车顶单元式空调机组试验方法TB/T 2432-93》[7]规定，空调机组性能测试分别在4种工况下进行，如表1所示。

表1　空调机组试验工况Table 1 Air conditioning unit test conditions

图2　模拟值与试验值的对比Fig.2 Comparison of the simulation results with the experimental values

使用AMESim模型分别对4种工况下的空调系统进行模拟，试验值和模拟值的对比如图2所示。

由图2的对比结果可知，模拟值的误差在10%以内，验证了AMESim模拟空调制冷系统的准确性。AMESim建模灵活，可根据实际需要添加或优化空调系统的组件，对空调系统的设计有参考价值。

2　压缩机效率对空调制冷系统的影响

2.1压缩机效率介绍

容积效率ηv：实际循环输气量与理论输气量的比值称为容积效率[8]，即：

容积效率ηV与容积系数λV、压力系数λp、温度系数λT、泄露系数λl有关，关系式为：

ηV=λVλpλTλl（2）

等熵效率（指示效率）ηis：ηis为等熵功率Ps与指示功率Pi之比，用于考虑实际循环与理论循环的输入功率的差别，即：

机械效率ηm：机械效率用于考虑摩擦功率的影响，计算式为：

式中，Pe为轴功率；Pm为摩擦功率。

轴效率ηe：衡量压缩机轴功率有效利用程度的指标为轴功率ηe，即：

电效率ηel：ηel是等熵功率Ps与电功率Pel的比值，即：

式中，ηmo为电动机效率。

2.2压缩机效率对制冷系统的影响

城轨交通车辆运行工况多变，室外环境参数变化、车厢内人员变化等因素都会改变制冷系统的冷凝温度和蒸发温度，从而改变压缩机效率，对制冷系统造成影响。

根据压缩机性能曲线求得压缩机容积效率ηv、电效率ηel与冷凝温度、蒸发温度的关系，如图3、4所示。

现取名义工况下的压缩机效率对最大负荷、低温及凝露工况进行仿真，和压缩机效率随工况变化的情况进行对比，分析压缩机效率变化对制冷系统的影响。对比结果如表2所示。

由对比可知：

（1）最大负荷工况下，容积效率和电效率下降，导致制冷量下降，能耗上升，COP下降，COP误差为3.01%。

（2）低温工况下，容积效率下降，电效率上升，导致制冷量下降，能耗下降，COP上升，COP误差为2.41%。

（3）凝露工况下，容积效率上升，电效率上升，导致制冷量上升，能耗下降，COP上升，COP误差为1.44%。

图3　容积效率与冷凝温度、蒸发温度的关系Fig.3 Relationship between volumetric efficiency and the condensing temperature, evaporating temperature

图4　电效率与冷凝温度、蒸发温度的关系Fig.4 Relationship between electrical efficiency and the condensing temperature, evaporating temperature

表2　压缩机效率对制冷系统的影响Table 2 The influence of compressor efficiency of the refrigeration system

车辆实际运行时，车内温度和环境温度的变化，会引起冷凝温度和蒸发温度的变化，虽然经过分析得出误差在3%左右，但在极端天气下，此误差还会增大，会影响制冷系统仿真的正确性。因此，在计算时，需要考虑压缩机效率的变化，而不应该设为一个定值。对于涡旋压缩机，压缩机效率不是压比的单值函数，需要通过多项式来拟合，保证系统仿真的准确性。

3　结论

本文主要介绍了利用LMS AMESim软件对轨道交通车辆的空调系统进行建模和仿真，并分析了压缩机效率变化对空调制冷系统的影响。

城轨交通车辆运行工况复杂，压缩机效率的变化会造成制冷系统性能的变化，在制冷系统仿真中，需要考虑压缩机效率的动态变化。

参考文献：

[1]杨亮,高洁,张春路.某地铁列车空调制冷系统的仿真与优化[J].制冷学报,2014,35(6):53-57.

[2] C Dullinger, W Struckl, M Kozek. A modular thermal simulation tool for computing energy consumption of HVAC units in rail vehicles[J]. Applied Thermal Engineering, 2015,78(S):616-629.

[3] Li W, Sun J. Numerical simulation and analysis of transport air conditioning system integrated with passenger compartment[J]. Applied Thermal Engineering, 2013,50(1):37-45.

[4]陆强,杨美传,蒲思培.列车空调制冷系统的仿真与分析[J].制冷与空调,2011,25(5):471-474.

[5]张春路.制冷空调系统仿真原理与技术[M].北京:化学工业出版社,2012.

[6]丁国良,张春路.制冷空调装置智能仿真[M].北京:科学出版社,2012.

[7] TB/T 2432-93,铁道客车车顶单元式空调机组试验方法[S].中华人民共和国铁道部,1994.

[8]吴业正,李红旗,张华,等.制冷压缩机[M].北京:机械工业出版社,2011.

Research of Urban Rail Vehicle Air Conditioning and Refrigeration Systems Based LMSAMESim

Zhou Yang Bi Haiquan Lu Huawei Huang Ruoyi
( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

【Abstract】This paper describes the study of urban rail vehicle air conditioning and refrigeration systems based LMS AMESim simulation software. And on this basis, the impact of the efficiency of the air conditioning compressor refrigeration system has been analyzed. Through the simulation results of air conditioning and refrigeration systems conducted by using LMS AMESim simulation software, operating parameters of the various components of urban rail vehicle air conditioning systems can be obtained under different conditions, as well as system cooling capacity and energy consumption. In summary, using LMS AMESim simulation software can provide a reference for the design of urban rail vehicle air conditioning systems.

【Keywords】LMS AMESim; urban rail transit vehicles; air conditioning and refrigeration systems; compressor efficiency

中图分类号TP391.9

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-020-03

通讯作者：毕海权（1974.12-），男，博士，教授，E-mail：bhquan@163.com

收稿日期：2015-05-13