城市轨道交通A 型车空调选型及节能研究

王鹏宇，王 峻

（兰州市轨道交通有限公司，甘肃 兰州 719300）

近年来城市轨道交通建设进程持续加快，人民生活水平不断提高，安全正点快捷的运营要求已不能满足乘客的需求。乘客对于地铁车辆舒适性的要求愈加强烈，乘坐舒适性的要求逐步提上日程。电动客车的空调系统在满足乘车舒适性方面显得尤为重要，目前城市轨道交通大部分属地下线路，地铁车辆基本都在隧道区间运行，当列车进入隧道运行，车体表面将会有明显的压力变化，这种压力变化极易造成乘车体验感下降。加之地铁车辆区间运行的活塞效应也是影响地铁车辆内负荷的原因之一，长时间的运营导致地层的蓄热作用也使得车辆内部温度升高。所以地铁车辆空调系统承担着车内温度、湿度、新风量等舒适性指标能否达标的重任。

1 车辆空调系统概述

车辆空调系统包括客室空调机组、送风装置、排风装置及司机室送风装置。其通过空调机组自带新风口吸入的新风经过滤后与来自客室的回风混合，经空调机组蒸发器降温除湿处理后送入均匀送风道，风道通过沿车长方向布置的条缝式送风格栅向车内均匀送风；客室内部分空气通过设于车顶的回风口进入空调机组，与新风在蒸发器前混合，经蒸发器降温除湿后在送风机的作用下送入客室。回风口设滤网及电动风量调节机构。客室采用顶置式自然排风装置来保证室内排风。A 型电动客车气流组织图如图1 所示。

图1 气流组织图

2 车辆空调额定工况制冷负荷分析

地铁车辆内的热负荷是指单位时间内散发到车内的总热量Q0，空调系统所需的通风量、制冷量、制热量的确定取决于车内热负荷。通过车内热负荷的计算分析，能对空调进行选型提供支撑，判断车内温度、湿度等各项指标在不同环境下能否达标。地铁车辆热负荷主要组成如下：

（1）通过车体绝热墙壁的传热Q1；

（2）太阳辐射热Q2；

（3）车内电器设备的散热量Q3；

（4）乘客的散热（湿）量Q4；

（5）新风热负荷Q5。

在车辆相同的条件下，第（1）（2）（3）各项热负荷相同。在乘客量相同的条件下，乘客的散热（湿）量相同，热负荷总量即为Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5。

2.1 计算条件

车内空气计算参数：

温度：27℃，相对湿度：65%，焓值：64.3kJ/kg，密度：1.15kg/m3。

车外空气计算参数（隧道）：

温度：33℃，相对湿度：65%，焓值：89 kJ/kg，密度：1.11kg/ m3。

其他参数见表1。

表1 计算条件下的其他参数

2.2 制冷负荷计算

电动客车空调机组制冷量往往高于实际空调负荷的最大值Q0，现分别计算Q1、Q2、Q3、Q4、Q5。

2.2.1 通过车体隔热壁的热负荷

式中：K——车体平均传热系统K 值，W/m2K；

F——车体平均传热面积，m2；

△t——车内外温差，℃。

计算结果：

2.2.2 太阳辐射热负荷

轨道交通大多数为全地下线，本文按照地下线计算，太阳辐射热负荷Q2=0W。

2.2.3 乘客散热热负荷

式中：n——定员数；

q——旅客的人均散热量。

计算结果：

客室：Q3=310×116=35960W

司机室：Q3=1×116=116W

2.2.4 车内设备散热热负荷

客室：Q4=1500W

司机室：Q4=1000W

2.2.5 新风热负荷

Q5=G·（i2-i1）

式中：G——新风量，kg/s；

i2——车外空气焓值，kJ/kg；

i1——车内空气焓值，kJ/kg。

隧道：Q5=3200×1.11×1000÷3600×（89-64.3）=24371W

2.2.6 车内总热负荷

M（Mp）车：Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=2880+0+35960+1500+24371=65071W

Tc 车：Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=2760+0+35960+1500+24371=64591W

司机室：Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=552+0+116+1000+0=1668W

根据以上计算结果，轨道交通A 型电动客车M（Mp）车制冷负荷为65071W，Tc 车制冷负荷为66259W（含司机室），因此Tc 车制冷负荷最大，空调制冷量按照Tc 车制冷负荷进行选取。根据车辆运行情况并留有适当余量即可，每辆车安装两台制冷量为35kW 的空调机组能够满足车辆使用要求。司机室的地面制冷负荷最大，约为1.7kW。司机室的冷空气取自客室的空调机组。客室空调机组制冷量35kW，总风量5000 m3/h，司机室送风单元的最大送风量645m3/h。则送入司机室的制冷量：35÷5000×645=4.51kW。4.51kW＞1.7kW，司机室送风单元送入司机室的冷空气能够满足司机室的制冷需要。

3 车辆新风调节

3.1 控制新风热负荷

车辆空调系统设自动和手动两种方式。各车厢触摸屏设置集控位，空调机组的工作模式由司机室集中控制，为自动方式。也可在各车厢将控制模式置于其他位，从而实现对本车空调系统的单独控制。在车辆内外环境温湿度一致的条件下，车辆空调一般通过减小车辆热负荷的方式达到制冷时空调节能的要求，故科学合理有效的减小车辆热负荷通常是通过降低新风热负荷的方式实现，新风热负荷也是唯一可控的。下面通过比较常规定频空调新风量调节和新型节能定频空调新风量调节两种方案，阐述新型节能定频空调新风量可调的模式如何实现节能。

常规定频空调新风量调节方案控制方是单一，新风量分为全开、1/2 开、全闭3 档调节，根据空调工作状态进行调节，如预冷时新风口全闭；紧急通风时新风口全开；正常制冷通风时新风口全开等。目前某地铁A 型电动客车的新型节能定频空调采用与常规定频空调完全不同的控制措施对新风进行调节，其新风量分为全开、3/4 开、1/2 开、1/4 开、全闭5 档调节。新型节能定频空调新风口开度根据车辆控制系统提供载客量信号智能开合，空调控制器接受载客量信号并调节新风门的开度，达到调节新风量的目的，并满足人均新风量10m3/h 以上的基本要求。

采用新型节能定频空调的方式，新风门风量调节优化后，进入车内的空调机组新风量会减少一部分，新风热负荷变小。根据载客量信号智能开合新风口的方式，新增的1/4 开、3/4 开、1/4 开3 档调节，比常规1/2 开经统计新风量减小约16.7%。因新风热负荷占车辆总的热负荷约1/3～1/2，取最小值1/3，即新风调节后减少总的热负荷5.6%。

3.2 客室温度调节

控制开关在自动位时，车内温度调节按照UIC553 标准的温度曲线进行调节，空调机组制冷量能够根据不同的负荷条件自动减少或增加。此时，按下述公式自动计算设定温度如图2 所示。

图2 自动计算设定温度图

同时目标温度可以随着载客量变化适当调整，当列车载客量信号有效时，目标温度调整策略见表2。

表2 目标温度调整策略表

控制开关在手动位时，在载客量人数≤80 人时，控制器设定目标温度为27℃，其余状态按照手动模式进行调节。载客量的不同对节能效果影响很大，为了最大程度满足车内的温度舒适性该种方式能够达6%～10%的节能效果。

3.3 压缩机舒适性可靠性

某地铁空调机组采用三菱ZEN117YZA-C 型卧式涡旋压缩机。压缩机具有卸载功能，可以实现100%、85%、70%、50%、35%、0 共6 级功能。

具体制冷量以及压缩机对应电磁阀工作状态见表3。

表3 制冷量以及压缩机对应电磁阀工作状态表

空调机组制冷量通过两台压缩机以及相关电磁阀之间的运行来调节。由于压缩机卸载运行之后，制冷管路内的制冷剂流量减少，相应的压缩机输出制冷能力减小，实现多级调节功能。

随着客室内的热负荷的变化，通过对比客室回风温度与目标温度设定值，空调机组通过下面的控制逻辑图，能够自动输出相应的制冷量，客室内的温度波动则会变化很小，舒适性会相应提升如图3 所示。

图3 制冷控制曲线

为提高压缩机轴承润滑，保证压缩机长时间停机后的启动以及在室外低温时压缩机的启动，在压缩机启动时打开旁通电磁阀。此时压缩机排气侧与吸气侧连通，提高压缩机吸气的温度和压力，并将压缩机排出的油返回到吸气侧，避免出现吸气压力过低的故障，同时能够提高压缩机缸体温度，让电机持续得到润滑。

若不实现旁通，在压缩机启动初期，内部有大量制冷剂存在的状态下，由于低压侧大量吸入制冷剂，冷冻机油内混合的制冷剂同时起泡，油就会从压缩机中排出，压缩机电机轴的润滑变差，有时会出现烧损压缩机的现象。

这种卸载启动功能，能够有效地保证每次压缩机启动时电机的润滑，压缩机的运行可靠性得到保证。由于进入压缩机内部循环的制冷剂量没有发生变化，压缩机做功没有降低，只是由于外部换热器内循环的制冷剂量有减少，少量的制冷剂使用全部的换热器进行换热，获得更好的换热效果，适当地提升了制冷效率，但制冷量会下降，因此采用卸载功能时，空调能效比是略有下降，实际上没有节能的效果。

4 结论

（1）对车体参数及人员载荷进行负荷计算，可以确定空调机组总体方案，有利于合理的选择空调设备和控制新风量；

（2）轨道交通A 型电动客车Tc 车制冷负荷最大，空调制冷量按照Tc 车制冷负荷进行选取。根据车辆运行情况并留有适当余量，每辆车安装两台制冷量为35kW 的空调机组能够满足车辆使用要求；

（3）采用卸载功能后，空调能够提供多级调节功能，客室内的温度舒适性会有明显改善，压缩机的运行可靠性有很大提高，但没有节能效果；

（4）根据载客量信号智能开合新风口的方式会使新风量减小，减少总的热负荷，可以起到节能降耗的目的。