城轨车辆全热交换空调机组节能及适用性分析

徐　刚，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节能及适用性分析

徐刚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。本文选取北京、上海、广州、贵阳和乌鲁木齐为典型城市，以车外气象参数逐时值为基础，依据全热交换机组试验，对全热交换空调机组年制冷季及制热季的节能量进行了分析；在节能量计算的基础上，给出了全热交换空调机组的适用地区为：夏热冬冷地区和夏热冬暖地区。

城轨车辆；全热交换器；空调机组；节能量

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。

本文以地铁A型车为对象，对全国典型城市使用城市轨道车辆全热交换空调机组的年制冷季节能量进行了分析，并在此基础上给出了其适用地区。

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。每台机组配有两台全热交换器，每台全热交换器配有两个风帽，全热交换器与空调机组回风口之间以保温风管连接。

新风由新风风帽进入全热交换器后，与室内排风换热换湿后由新风腔送入空调机组回风口，与室内回风混合后经空调机组蒸发器处理后送入车厢内。全热交换器单元的增加可以降低新风负荷，减少蒸发器冷量需求及压缩机耗功，降低车辆能耗。

2　新风负荷特性分析

全热交换器的地区适用性主要取决于两个方面：新风负荷的大小和新风负荷的组成，因此需对各地区的新风负荷特性进行分析。

按照地铁设计规范中对于采用空调系统的标准规定并结合我国气候分区[1]，选取北京、上海、广州、贵阳和乌鲁木齐为典型城市。在此基础上，结合客车空调设计参数给出其车内外设计参数[2]，具体见表1。

表1　典型城市城轨车辆空调设计参数

新风负荷可由下式表示[3]：

潜热负荷：

显热负荷：

式中QW—新风负荷，kW；

GW—新风量，kg/s；

iN—N点焓值，kJ/kg干；

iW—W点焓值，kJ/kg干；

tN—N点温度，℃；

tW—W点温度，℃；

dN—N点含湿量，g/kg干；

dW—W点含湿量，g/kg干。

湿空气的焓值计算公式如下[4]:

式中i—湿空气焓值，kJ/kg干；

t—空气温度，℃；

d—空气含湿量，kJ/kg干。由上式可以看出，焓值分为两部分：随温度变化的热量（1.005+0.00184d）t，即显热；随含湿量变化的湿量2500d，它表示0℃时d kg水的汽化潜热，即潜热。

负荷比表示潜热负荷与显热负荷的比值，可用下式计算：

式中θ—负荷比，W。

则可计算得到各城市的新风负荷大小和组成，如图2所示。

由新风负荷计算结果可知，除乌鲁木齐外，其余四个地区的潜热负荷比例较大，均适用全热交换空调机组。

3　节能性和适用性分析

3.1空调机组节能量

由于在全热交换空调机组使用期间，车外的空气参数随着时间变化，特别是凌晨与夜晚时，车外空气温度较低，与空调设计参数相差较大。为了得到更接近实际情况的结果，在计算全热交换空调机组的节能量时应以车外逐时空气参数为基础。

全热交换机组的节能参数主要为节电量和节电系数，可用下式计算：

节电量：

节电系数：

式中ΔW—空调机组节电量，W；

Wc—原空调机组耗电量，W；

W′C—改后空调机组耗电量，W；

WF—全热交换器耗电量，W；

ε—全热交换空调机组节电系数，%。

空调机组的耗电量由下式计算得到[5]:

式中Q0—空调机组制冷量，W；

EER—空调机组性能系数，W/W。加装全热交换器前后空调机组的耗电量变化即为全热交换器的热回收能量，可用下式表示：

式中ΔQ0—空调系统冷量变化量，W；

ηi—全热交换器的全热效率，%。式中，全热交换器的全热效率由试验得到，由于全热效率与车内外空气状态有关，因此在进行逐时计算时，以下式对其进行修正[6]：

式中δ—修正系数；

Δt—车内外温度差，℃；

Δd—车内外湿度差，g/kg干；

LF—全热交换器风量，m3/h。

3.2典型城市节能量计算

在试验环境车外干球温度35℃，湿球温度28℃；车内干球温度27℃，湿球温度19.5℃情况下，城轨车辆用全热交换空调机组中，全热交换器单元全热效率为50.37%，耗功为1.1kW；空调机组单元性能系数为2.43。

该试验基于地铁A型车完成。对于地铁列车A型车，每节车厢两端分别安装一台车顶单元式空调机组，以试验所用的地铁列车原空调机组为例，每台空调机组的制冷量为40kW。加装全热交换器后，每台空调机组配有两台全热交换器，则每节车厢共配有四台全热交换器。根据以上信息可得：每节车厢新风量为3200m3/h，原地铁列车空调机组制冷量为80kW，性能系数为2.43，则耗功为32.92kW。

则根据修正得到各适用地区的全热效率，结果见表2，修正系数为0.85。

表2　各地区全热交换器的全热效率

由表2知，全热交换器在各区的全热效率变化不大，基本维持在50%左右。

空调运行时长为地铁运行时间，根据各地地铁运营公告得到，本文采用方案为地铁每日运营时间为5∶00-23∶00，共18h。根据各城市制冷季和制热季的总时长，对各地区典型气象年空调机组运行时段内每天地铁运行时间进行全热交换器逐时的热回收能量计算并进行叠加，最终结果见表3。

表3　全热交换空调机组制冷季及制热季总节能量kWh

3.3适用性分析

从表3可得出：

（1）各地区的节约电量排序为：广州＞上海＞北京＞贵阳，其中以上海为代表的夏热冬冷地区和以广州为代表的夏热冬暖地区的一年中制冷季和制热季的节电量均在5000kWh以上；而以北京为代表的寒冷地区和以贵阳为代表的温和地区的制冷季和制热季节电量较低，约在1000kWh左右。

（2）各地区的节电百分比排序为：广州＞上海＞北京＞贵阳，其中以上海为代表的夏热冬冷地区和以广州为代表的夏热冬暖地区的一年中制冷季和制热季的节电百分比均在5%以上；而以北京为代表的寒冷地区和以贵阳为代表的温和地区的制冷季和制热季节电百分比较低，约在1%左右。

则可得：全热交换空调机组的适用地区为夏热冬暖地区和夏热冬冷地区。

4　结语

本文基于全热交换器的试验计算得到各地区全热交换器的全热效率，以各地区车外气象参数逐时值为基础，对全热交换空调机组年制冷季及制热季的节能量进行分析计算。

根据分析结果可知：上海及广州地区的年节能量均在5000kWh以上，节电百分比均在5%以上。根据经验，节能技术的节能量达到2%是比较可行的。因此，上海及广州是较为适用全热交换空调机组的地区。

而北京和贵阳地区的年节能量较低，节电百分比仅在1%左右。因此北京和贵阳地区的全热交换空调机组应用的经济性还需要进一步研究。

[1]中国气象局气象信息中心气象资料室.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[2]UIC553-2004，客车车厢的通风、供暖和空调[S].

[3]GB/T 21087-2007，空气-空气能量回收装置[S].

[4]赵荣义.空气调节[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

[5]TB/T1804-2009，铁道客车空调机组[S].

[6]吴玮华.空气-空气板式全热交换器热量回收性能的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

Energy Conservation and App licability of Heat and Mass Transfer in Metro

XU Gang1，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）

Totalheatexchanger isan energy recovery device thathasbeen applied architecture，buthasn'tbeen used in urban rail vehicle.We select Beijing，Shanghai，Guangzhou，Urumqi and Guiyang as typical cities，analysis its annual energy conservation based on the hourlymeteorologicalparameter out of the vehicle and totalheatexchanger test.We find that the totalheatexchanger can beapplied tohotsummerand coldwinterareaand hotsummerandwarmwinterarea.

metro；heatandmass transfer；air-conditioning；energy conservation

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.019

U270.38+3

B

2095-3429（2016）05-0079-03

徐刚（1984-），男，山东青岛人，硕士，工程师。臧建彬（1973-），男，博士，教授。

2016-07-22

2016-08-25