地铁车辆变频空调系统节能方案探讨

摘 要： 为了实现节能，在地铁车辆上开展了基于不同节能技术应用的新型空调机组节能效果对比测试与分析，在保证同等客室舒适度前提下验证变频空调的技术优势性，是当今地铁车辆空调节能技术发展的新方向。本文首先介绍了地铁车辆空调系统的技术发展现状，然后概述了地铁车辆变频空调机组系统的组成、发展应用现状及存在的主要问题，重点介绍了地铁车辆变频空调系统的三种常用的节能方案。最后，在上述分析的基礎上，对比分析了地铁车辆变频空调系统节能技术方案的优势。以期通过本文的探讨期望为今后关于地铁车辆变频空调系统节能方案的探究提供一定的理论借鉴和实践指导。

关键词： 地铁车辆；变频空调；节能；探讨

0.引言

为促进经济社会可持续发展，国家制定了二氧化碳减排的长远发展目标。在轨道交通环境调节系统中，风扇，泵和空气压缩机等大功率设备满足运行中的最高功率要求。输出功率通常具有较大的设计冗余，容易造成巨大的能源浪费。研究如何使用变频器控制这些设备来调节电机速度，以根据实际负载要求调整输出功率。有效利用电动机的输出能量在节能和减排方面具有重要意义。

在城市轨道交通车辆的能耗中，车辆空调的能耗约占车辆总能耗的20%至30%。如果将新的节能技术应用于地铁车辆的空调通风系统，则可以有效降低车辆运行的能耗。它可以突出城市轨道交通节能减排和低碳运营的绿色特征。因此，地铁车辆的空调系统在节能方面具有很大的潜力。

1.地铁车辆空调系统的技术现状

顶置单元式空调机组，通风系统和空调控制系统是地铁空调系统的主要组成部分。顶置单元式空调机组一般采用一体化结构。也就是说，压缩机，冷凝器，节流装置，蒸发器，风扇和电气部件都安装在一个盒子中，形成一个完整的空调装置。然后，通过设置在出风口上的回风口，电源连接器和室内通风系统以及空调控制系统无缝连接，形成集冷却，通风和控制于一体的空调系统。空调机组有独立的制冷循环，采用热力膨胀阀节流，压缩机采用谷轮逆变器卧式涡旋压缩机。冷凝器和蒸发器由管翅式热交换器制成，该管翅式热交换器由具有高导热率的铜管和亲水性薄膜涂覆的铝翅片组成。

目前，全国地铁空调系统运行中节能降耗的局限性可归纳如下：①当空调机组正常工作时，制冷系统只进行两级调节；②空调机组减震器的调节范围有限，无法根据客流量有效调节新风量；③目前使用的空调系统的能效比略低，存在很大的能源浪费问题。

2.地铁车辆变频空调机组系统简述

变频控制机制主要基于实际环境的温度，湿度，散热量和人员情况，变频器处理工频。可以根据需要改变压缩机的电源频率，使得压缩机的速度也改变，压缩机的排量受到控制，并且空调系统处于合理的运行状态。为了达到最舒适的乘坐环境，节省能源。

变频空调是一种基于定速空调的变频专用压缩机。增加了变频控制系统，采用了变频原理。由二次逆变器获得的变速AC电源用于调节压缩机速度。从而改变管道中的制冷剂循环量并控制压缩机的输出容量。

当变频空调器以额定频率运行时，逆变器本身需要消耗少量电能，能效比略低于定速空调器。当空调在低冷负荷条件下运行时，定速空调需要启动和停止压缩机以实现冷却能力调节，并且压缩机的频繁启动和停止导致能量消耗的增加。变频空调通过自动调节适当的压缩机工作频率实现高效节能，实现不间断运行。

3.地铁变频空调系统节能技术方案的设定

本文在地铁变频空调的节能方案设定中，拟采用以下三种设计方案进行对比分析：

①两压缩机定频空调

采用传统的双压缩机固定频率空调系统。每辆车配备两个相同的架空单元集中空调单元，每个单元由两个涡旋压缩机组成。由于供电频率恒定，传统固定频率空调的压缩机转速基本不变，压缩机连续“开、关”调节室内温度。

②四压缩机定频空调

采用四压缩机定频空调系统，相比传统的两压缩机空调机组，可以根据制冷需求将制冷能力由传统的“0，50%，100%”三档调节进一步增加到“0，25%，50%，75%，100%”五档调节，更加有利于节能控制。但是，每台压缩机的供电频率保持不变，运行速度基本不变。

③两压缩机变频空调

变频空调和定频空调在空调的工作原理上基本相同，但变频空调系统通过变频器改变压缩机的供电频率。调节压缩机转速，相对于传统的两压缩机定频和四压缩机定频空调机组方案，实现了根据不同负荷进行“无级变速”，它可以大大降低空调压缩机频繁启停的能耗。根据冷却需求，可以通过空调控制系统调节压缩机的速度，以实现更好的经济匹配。

4.地铁车辆变频空调系统节能技术方案的优势

（1）冷暖两用的优势

变频空调是用于加热和冷却车辆的热泵式空调，可以弥补当前车辆空调不能实现加热功能的技术缺点。

（2）性能优势

通常地铁里会有很多乘客，所以车辆的门开关频繁，车内温度调节范围很广。高频快速冷却，低频维护舒适，适合空调需要全年运行，节能，低噪音，精确控制，高舒适度。

（3）节能效果优势

人性化的变频控制技术是变频式压缩机具备的主要技术优势，这种变频模式可以确保夏季制冷更节能；即使在冬季，也可以通过空调热泵加热和辅助电加热相关的加热设备进行温度控制，空调机组自动调节加热准备方案。与客房内的电加热相比，可以实现高效节能，提高冬季取暖的节能效果；启动可变频率零电流以避免高电流启动对辅助电源的影响。

与固定频率空调机组相比，变频空调机组增加了变频调节功能。以最大化空调的制冷能力，使室内温度以最快的时间达到预设的目标温度值；当热负荷小时，压缩机的工作频率降低，以降低空调单元的冷却能力，以维持乘客舱的温度。由于变频空调在35～75Hz频率范围内可调，不像定频空调需频繁启停，压缩机损耗也大大减小。与带有R407C制冷剂的变频空调机组相比，带R410A制冷剂的变频空调机组具有节能优势。但是，由于R410A制冷剂空调的设计压力较高，整个系统必须使用具有耐压性的相应部件。

双压缩机变频空调机组和四压缩机定频空调机组比双压缩机定频空调机组具有更好的节能效果；变频空调机组比四压缩机固定频率空调机组具有更好的节能效果。在特定硬件技术平台的选择上，采用R410A制冷剂，具有更好的蒸发换热系数，冷凝换热系数和制冷剂压缩效率。总体节能性能比R407C高10%以上，在节能方面更有优势；变频压缩机的工作频率范围越宽，特别是频率越低，频率越低的压缩机，温度控制越精确。性能更优，在节能降耗方面具有更大的优势，同时可以开阔维修人员的检修思路，提高检修效率，确保机车正常运行，使机车设备始终处于良好运行状态。

5.结语

本文首先介绍了地铁车辆空调系统的技术发展现状，然后概述了地铁车辆变频空调机组系统的组成、发展应用现状及存在的主要问题，重点介绍了地铁车辆变频空调系统的三种常用的节能方案。最后，在上述分析的基础上，对比分析了地铁车辆变频空调系统节能技术方案的优势。从以上分析可以看出，地铁车辆变频单元的乘客舱温度的控制优于固定频率空调单元的乘客舱温度，这提高了地铁车辆乘客舱的舒适度。同时，采用变频调控式的地铁空调机组可以在实现高效节能的前提下，大大降低地铁车辆的运行成本。

参考文献

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[2]肖滋洪，匡美娟，郑永腾.车辆变频空调节能技术探索与实践[J].电力机车与城轨车辆，2017（6）：64-66.

[3]陆源清.地铁空调系统变频节能分析[J].现代城市轨道交通，2015（6）：22-26.

作者简介：姓名：刘海文（1990；12；09，）；性别：男，籍贯：辽宁省大连市，学历：本科，毕业于大连交通大学；现有职称：初级工程师；研究方向：机械。