城市轨道车辆空调机组原理及发展方向

张星　王宏宇　徐杨非

摘要：本文主要介绍了轨道空调机组的制冷原理和系统构成，以及各主要器件的作用;同时也介绍了未来可在轨道空调上得到广泛应用的变频技术、微通道换热器、空气净化技术等。

关键词：轨道车辆空调;制冷原理;变频技术;微通道换热器;空气净化

随着国民经济的不断发展，城市人口的增多，缓解城市拥堵最好的办法之一是建设城市轨道交通，这已成为共识;而轨道车辆空调系统是城市轨道交通中的重要设备之一，主要担负着对城市轨道车辆内部空间的空气温度、湿度、微风速等舒适性指标进行控制，并参与车内空气品质控制的任务。

1.空调机组运行的原理

制冷原理;压缩机将制冷剂压缩成高温高压蒸气，排到室外侧换热器（做冷凝器用），在轴流风机作用下，室外空气流经室外侧换热器将制冷剂放出的热量排走，使高压蒸气冷凝成高压液态制冷剂，经节流装置节流降压后，进入室内侧换热器（做蒸发器用）蒸发吸收室内空气热量，在离心风机作用下，将低温空气吹入室内。然后气态制冷剂又被吸入压缩机，不断重复上述过程进行制冷循环。

热泵制热原理;通过四通阀改变制冷剂的流向，从压缩机排出的制冷剂先流向室内侧热交换器（做冷凝器用），再经节流装置节流后后进入室外侧热交换器（做蒸发器用），最后经吸气管返回压缩机。如此循环，室内不断吸收热量达到升温目的。

2.城市轨道空调机组系统特点及构成

轨道交通空调具备小型轻量化、可靠性高、免维护程度高等特点，系统构成及器件选择需要充分考虑这几方面的因素。

以某一款热泵空调为例，整个空调机组布置两个独立的制冷系统，两个系统的压缩机和室外侧换热器分开，室内侧换热器在一个换热器上交错布置，通过四通换向阀来切换制冷、制热状态，一个系统故障另外一个系统可正常运行。系统除压缩机、换热器、节流装置、四通阀、风机等主要部件外，还需增加一些增强系统可靠性的部件，如气液分离器、干燥过滤器、压力开关、液管电磁阀、止逆阀、检修阀等。

2.1.压缩机

压缩机从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，利用电机带动内部机构运动，实现内部容积的改变，来实现对制冷剂气体压缩，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力。因轨道交通对零部件可靠性要求高、空调机组制冷量需求较大等因素，现在轨道空调上应用最多的为全封闭涡旋压缩机。

2.2.换热器

换热器是空调机组用来使制冷剂与空气进行热交换的装置，换热器是将肋片串在紫铜管上胀紧而成。增加换热面积可增加换热量，若肋片碰扁或氧化、脏时，将增大风阻减小换热面积，所以生产中应保证肋片清洁平整。肋片材料为铝箔、铜箔，其形状有平片、波纹片和冲缝片;采用亲水膜涂层的铝箔或铜箔作翅片，使空气中水分在换热器表面冷凝成水膜状流下，不会形成“水桥”，从而加大循环风量，并有较好的抗腐蚀性能;换热器铜管采用内螺纹管加大内表面面积，强化传热效果。

2.3.节流装置

节流装置的作用是降低液体制冷剂的压力和温度，调节进入蒸发器的制冷剂流量。在特定的工况下，节流装置与制冷系统匹配，使空调机组的工作状态达到最佳。常用的节流装置有毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等;毛细管对制冷系统工况变化适应性差，不容易使各种工作状态都处于最佳;热力膨胀阀有一定的自我调节能力，但是调节范围较窄，反应速度慢;电子膨胀阀有调节范围宽，反应快等特点，但是成本较高，控制较复杂;根据空调机组的不同使用情况，现在三种节流装置在轨道空调上都有较多的应用。

2.4.四通阀

四通阀的作用是在空调系统从制冷转化到制热状态时改变制冷剂流向。当电磁阀线圈处于通电状态，先导滑阀在电磁线圈产生的磁力作用下克服压缩弹簧的张力而移动，高压气体进入毛细管后进入左端活塞腔，另一方面，右端活塞腔的气体排出，由于活塞两端存在压差，活塞及主滑阀右移，使排气管与室换热器接管相通，使制冷剂直接接入室内换热器，形成制热循环。

2.5.气液分离器

轨道车辆空调用气液分离器一般是通过重力沉降的原理，将在蒸发后残余的制冷剂小液滴从气态制冷剂中分离并贮存起来，待其吸热后自然蒸发成气态再进入压缩机的装置。主要作用是将气体和液体分离，确保进入压缩机的制冷剂全部为气体，能有效避免制冷剂以液态形式进入压缩机造成“液击”损坏压缩机。

2.6.干燥过滤器

干燥过滤器的内部含有分子筛，可以滤除空调系统内部的水分、酸、固体杂质等，在这些污染物被清除后，系统就比较安全，不会发生节流装置堵塞、有害的化学反应、也不会存在有损害的磨损性物质等。

2.7.电磁阀

在空调机组的冷凝器出口的液管上布置一个常闭的电磁阀，避免停机较长时间后液态制冷剂迁移到蒸发器内，重新开机时大量液体进入压缩机造成液击，引起压缩机损坏等故障。

3.轨道空调发展方向及新技术

随着节能减排要求的提高，整车对各部件的重量要求越来越严格，降低空调机组的重量以及提高空调机组的能效是急需解决的问题;同时随着人们环保意识的提高，人们对对车辆内的空气质量的要求也越来越高，概括来说，轨道车辆空调机组未来的发展方向是：节能、高效、舒适、可靠。

3.1变频技术的应用

变频技术历经30多年的发展，已日趋成熟，工业变频器应用广泛，变频空调机组具有以下特点：①节能;高频降温，低频连续运行维持温度恒定，减少了多次开关造成的开关损耗，從而达到节能的目的;②高效;变频压缩机配合电子膨胀阀、高效制冷剂（如R410a），使空调机组在额定工况下的能效远高于其他型式时的能效，同时当压缩机低频运行时，能效比更高，更节能。③舒适度高;温差较大时可高频运行快速降温（升温），通过压缩机变频运行，可将车内温度控制在设定温度±1℃。

综合以上特点，变频空调机组将是后续城市轨道交通车辆空调机组的主流型式，同时在变频空调机组上应用的全变频技术（压缩机、轴流风机、离心风机均变频）、智慧型控制技术（通过多个采集点得到的温度、湿度、压力、CO2浓度等数据对空调机组的运行进行适时检测，并根据积累得到的大数据进行故障预处理和推荐措施处理，提高了空调机组的自动运行能力、自主检测能力、故障处理能力），将会使空调机组更节能、更可靠、运行智能化。

3.2微通道换热器的应用

微通道换热器，就是通道当量直径在10-1000μm的换热器。这种换热器的微通道扁管内有数十条细微流道，在微通道扁管的两端与圆形集管相联。集管内设置隔板，将换热器流道分隔成数个流程，与常规管翅式换热器相比，微通道换热器具有以下优点：①风阻小、换热系数高、有效换热面积大;②结构紧凑，重量轻，材料成本低，价格便宜;③内部容积小，整机所需制冷剂充注量少;④所用材质均为铝，回收无需分解;⑤扁管和翅片的焊接工艺结构强度高、长期运行性能变化小;且其焊接方式决定了扁管和翅片的接触热阻好，换热器换热系数大。

微通道换热器现已在汽车空调上得到广泛的应用，随着我国在钎焊领域的投入，统一的行业标准形成，微通道换热器在轨道空调上作为室外侧换热器将得到更广泛的使用，这样既节约成本，又响应国家节约能源、保护环境的号召。

我公司曾在某一地铁空调机组上将室外侧换热器用微通道换热器代替，和原来使用翅片管式冷凝器相比，在其他参数和试验工况一致的前提下，制冷量、能效比显著提高，充注量、质量、厚度、成本显著降低，优势巨大，具有较高的研究和推广意义。

3.3空气净化技术的应用

以前人们更多的关注大气污染，却容易忽略地铁空气潜在的危害;地铁多建在地下深处，车站之间通过复杂的隧道系统连接，是一个相对封闭的空间。地铁车站与外界的空气交换只能通过车站出入口和有限的隧道風井来进行，现在乘客对车内空气质量要求不断提高。为保证车厢内良好的空气清洁度，目前国内外很多地铁车辆都安装了空气净化装置，光等离子杀菌、光触媒杀菌、紫外线杀菌等空气净化技术在轨道空调上均有较多的应用。

4.结束语

轨道交通车辆空调机组与普通空调制冷、制热原理相同，但是因为轨道空调的特殊性，在普通空调机组上增加了更多的保护装置;同时随着轨道交通不断的发展，节能减排、车内空气质量的要求日益提高，节能、高效、舒适将是轨道车辆空调未来的发展方向，而变频技术、微通道换热器作为室外侧换热器、空气净化技术未来在轨道空调一定会得到更广泛的应用。

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