高温高湿环境下轨道交通车辆空调机组设计要点

刘况钇

【摘 要】随着城市轨道交通的快速发展，节能减排、提倡低碳生活已经成为当今一个热门话题，如何降低轨道交通能耗同时提高乘客对车内环境的舒适性体验，成为城轨运营公司重点关注的问题。

【关键词】高温高湿;轨道交通车辆;空调机组设计

前言

空调机组作为城市轨道交通车辆的重要设备之一，主要负责对车辆内部的空气温度、湿度、微风速等舒适性指标进行控制，其需要具备高适应性和可靠性，方便维护等特点。

1设计要点

1.1适合高温环境的空调机组设计

1.1.1设计原理

根据冷凝器的特性，当制冷剂流量一定、室外环境温度升高时，冷凝器的换热量会相应降低，从而导致空调机组制冷系统的冷凝温度、系统压力和排气温度升高等。同时根据空调机组制冷理论的循环原理，冷凝温度升高会引起空调机组的制冷量降低、功率升高。综上，在高温环境下空调机组的换热能力下降，空调机组制冷系统的压力、排气温度、功率均会相应升高，可能会导致空调机组出现高压保护和过流保护故障。因此，在空调机组设计和日常运行中应对影响制冷系统换热量的问题充分研究。

1.1.2耐高温措施

冷凝器的换热计算公式如下：

φ=KAΔt（1）

式中：φ———冷凝器的换热量，kW;

K———冷凝器的传热系数，W/（m2·K）;

A———冷凝器的换热面积，m2;

Δt———对数平均传热温差，K。

根据公式（1），增大冷凝器的换热面积可以增加冷凝器的换热量，在高温环境下可以使冷凝器的冷凝温度相对降低，从而降低空调机组制冷系统的压力、排气温度和功率等。所以针对高温地区，为确保城轨空调机组长时间在高温环境下运行不出现故障，在设计时需要充分考虑高温环境下冷凝器的换热量，并预留一定的裕量。例如，可在原基础上适当加大换热器尺寸，增大冷凝风量等，保证在高温环境下空调机组制冷系统压力和功率均在合理范围内，避免频繁出现高压或过流保护故障。

1.1.3试验验证

针对高温高湿地区，在进行耐高温设计时，除按照TB/T1804—2017《鐵道客车空调机组》进行最大负荷制冷试验外，还可进行极限高温制冷试验，避免高负荷时出现空调机组无法制冷或高压频繁保护现象。在高温地区应用的空调机组，在试验室验证时要求至少在50℃环境温度下能正常工作。

1.2适合高湿环境的空调机组设计

高温地区夏季湿度大，空调机组蒸发器产生的冷凝水较多，需要对排水孔的大小和数量、接水盘翻边高度等进行详细的设计计算。设计时需要适当增大排水孔或者增加排水孔数量，留有一定的设计裕量，使冷凝水能及时排出;并在排水孔上部设计防冷凝水飞溅装置，避免空调刚启动时，蒸发腔内产生负压，室外大气通过排水孔进入蒸发腔内部，带动少量液滴产生飞溅;接水盘翻边高度需要考虑列车实际运行时的坡度、转弯半径、加速度以及积水面高度等，避免冷凝水从接水盘溅出。

1.3耐腐蚀设计

在设计时除壳体采用不锈钢材质以外，空调机组外露的冷凝器也需要重点保护，可以采用耐腐蚀性更好的铜翅片替代铝翅片，但是铜翅片价格较高且总质量是铝翅片的3倍，所以不采用此方式。可对铝翅片表面进行电泳处理，在提高防腐性能的同时，换热性能也不会降低。根据以上原则优化设计的高温地区某城轨空调机组，在外温45℃时能达到额定工况制冷量的90%以上，外温52℃也能正常工作，实际装车运营情况良好。

2基于列车载荷的客室目标温度控制优化研究

城轨某线路电客车每辆车空调系统设一个PLC控制单元，其制冷控制方式分为“自动制冷”和“手动制冷”两种模式。在自动制冷模式下，空调系统目标温度的设置根据国际标准UIC553温度控制曲线，空调系统目标温度按外部环境温度进行自动调节控制。在手动制冷模式下，空调系统目标温度的设置有列车司机手动设置，通常设定温度范围为22℃-28℃由于城轨车辆在实际运营时，高低峰时期的乘客量变化剧烈，会引起列车客室热负荷的剧烈变化，若将载荷变化这一因素加入到空调目标温度控制中，对车厢空调目标温度根据载荷变化进行微调，当载客量少的时刻适当增大空调设置温度，载客量大的时刻减小空调设置温度，加快空调制冷效率，迅速将车厢温度调整至舒适的环境，从而提高乘客乘车舒适性。

3空调系统变频压缩机控制逻辑优化研究

城轨某线路空调机组采用的是谷轮全封闭卧式涡旋变频压缩机，由日立变频器为压缩机提供频率可调的AC380V电源。在不同频率下，压缩机制冷效率将不同。频率越高，制冷效果越好。当车厢内温度高，需要增加变频器频率;当室内温度低，则需要减少变频器频率。通过优化压缩机的控制逻辑，可以实现对客室内的温度更精确的控制。优化前空调机组压缩机的控制逻辑如下：

（1）车厢内温度上升阶段（-0.5℃～1.0℃）：当内客室内的温度每升高0.5℃时，压缩机运行频率依次在45Hz、50Hz、55Hz、60Hz间变化。

（2）车厢内温度下降阶段（1.0℃～-0.5℃）：当内客室内的温度每降低0.5℃时，压缩机运行频率依次在60Hz、55Hz、50Hz、45Hz间变化。

综上为进一步提高车厢温度控制的精确性，对空调压缩机控制逻辑进行优化，优化后空调机组压缩机的控制逻辑如下：

（1）车厢内温度上升阶段（-1.0℃～1.0℃）：在原控制基础上，当客室内的温度低于目标温度1℃时，增加压缩机运行频率为40Hz的工作工况。

（2）车厢内温度下降阶段（1.0℃～-1.0℃）：在原控制基础上，当客室内的温度下降至低于目标温度1℃时，增加压缩机运行频率为40Hz的工作工况。

结束语

在高温高湿的气候条件下，对轨道交通车辆空调机组有着更高的要求，需要充分考虑高温高湿环境对空调机组的影响，进行详细的设计计算，冷凝器的换热面积、排水孔等需要预留足够的设计裕量，提高轨道交通车辆空调机组在高温高湿环境下的适应性、可靠性和舒适性。

参考文献：

[1]彦启森，石文星，田长青.空气调节用制冷技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]葛党朝，李小平.城市轨道交通车辆空调系统[M].重庆：重庆大学出版社，2002.

（作者单位：贵阳市城市轨道交通集团有限公司运营分公司）