地铁列车热泵空调系统节能性分析

2022-01-15吴楠楠臧建彬赵亮

制冷 2021年4期

吴楠楠，臧建彬，赵亮

（1. 淮阴工学院机械与材料工程学院江苏省先进制造技术重点实验室，江苏淮安，223000；2. 同济大学机械与能源工程学院，上海，200092）

列车牵引能耗是地铁列车的主要能耗，而列车空调机组作为地铁列车的辅助系统，其能耗占比达到30%以上［1］。在较为寒冷的地区，空调制热在辅助系统总能耗中占比达到45%［2］。随着我国地铁网络建设的不断发展，地铁列车空调能耗的问题也逐渐引起广泛关注。

目前我国在运营的地铁列车普遍采用单冷型空调机组，制热季采暖通过电加热来完成，空调自带电加热和车辆地板加热是地铁列车车厢内实现电加热采暖的两种方式。通过电加热实现冬季采暖不仅能效比低，在车辆中布置电加热器还将为车厢安全带来隐患［3］。因此，列车空调领域的专家学者们将热泵技术引入地铁列车中，在冬季运行时减少或代替当前的电加热装置，合理使用低位热能，以提供冬季地铁列车车厢所需的热量。将热泵技术应用于城市轨道交通中，不仅提高了能源利用率，大幅降低列车空调系统的能耗，还减少了电加热带来的安全问题。

利用热泵技术能够提高能源利用率，节能效果显著已经得到普遍认可。但地铁列车空调应用热泵机组实际可达到的节能率，尚需进一步研究。因此，本文将通过一维仿真的方法，对所研究的热泵系统的全年能耗进行仿真计算，结合季节性能评价指标APF，分析其全年能效及节能率。

1 研究方法

1.1 研究对象

当前列车空调机组通常采用两套制冷系统，两套制冷系统中分别单独使用一台冷凝器，蒸发器一般采用双回路翅片管换热器，即将换热管通过管路连接划分给两个不同的制冷系统中。这种设计在半载工况时，空调机组仅运行一套制冷系统。此时因为蒸发器设置为双回路结构，在整个空调机组中，两套蒸发器各一半处于工作状态，相当于蒸发器的换热面积增大。系统的制冷量降低，冷凝风机的功耗不变，同时由于蒸发器的相对换热面积增大、冷凝器换热面积未改变等因素，将导致压缩机增大功耗，半载工况下的机组能效比下降。

为了克服现有技术所存在的不足，将机组的两个制冷回路通过冷凝器并联，在半载时，仅使用单台冷凝器一半，这样就相当于增大了冷凝器的换热面积，从而提高制冷剂的过冷度，有利于减小压缩机的能耗，并且提高机组的耐高温能力［4］。系统原理图如图1所示。

图1 热泵系统原理图

1.2 研究方法

地铁列车热泵空调系统由压缩机、换热器（冷凝器和蒸发器）、膨胀阀和风机等主要部件，以及气液分离器、储液器和干燥过滤器等辅助部件组成。主要部件在地铁列车热泵空调系统中是不可或缺的，而辅助部件是否选用是根据车型和运行工况的需要决定的。本文对地铁列车热泵空调系统的仿真将忽略辅助部件和连接管路对系统性能的影响，仅研究由主要部件构成的热泵系统的性能，使得仿真模型具有较高的通用性。

在数值模拟过程中，想要完全复刻制冷系统的运行状态，建立真实的系统模型是难以实现的。所以对空调系统性能进行研究时，常对系统进行简化处理，主要集中在一些关键部件或部位的参数对系统整体的影响。因此，可以根据部件的物理特性，将工质的热力学参数简化为沿流动方向一维分布，这样不仅有利于降低数值模拟的难度，还可以提高计算速度。

本文研究对象是地铁列车热泵空调系统，空调机组集成在列车车顶。利用KULI软件仿真模型，对某轨道车辆空调公司现有地铁列车热泵空调机组进行了制冷工况下的仿真模拟。该空调机组使用涡旋式压缩机，制冷剂为R410A，节流元件为电子膨胀阀。利用地铁列车空调机组及各个主要部件的结构尺寸和试验测试数据，在KULI软件中搭建地铁列车空调系统一维模型，如图2所示。

图2 地铁列车空调系统一维模型

空气回路有两条，因为蒸发器的进风量是由蒸发风机控制的，而冷凝器的进风量由冷凝风机控制，两条回路之间互不干涉。

1.3 研究方法检验

本文利用KULI仿真软件，对现有地铁列车热泵空调机组进行了制冷工况下的仿真模拟后，将得到的结果与某轨道车辆空调公司提供的机组性能测试数据进行对比，验证仿真结果是否可信。

利用焓差试验台对机组进行性能测试，通过两个环境控制室装备的空气调节设备来调节试验工况所要求达到的温度和湿度。现有机组的试验测试工况，冷凝器进风干球温度35℃，蒸发器进风干球温度和湿球温度分别为29.5℃和24.6℃。从表1试验结果与仿真结果对比来看，仿真结果与试验值的误差小于8%，因此说明本文利用KULI仿真软件对地铁列车热泵空调系统仿真是可信的。

表1 实验结果与仿真结果的对比

2 仿真结果

当热泵机组的制冷量大于7.1kW时，采用额定制冷、中间制冷、最小制冷、额定制热、中间制热、最小制热和低温制热7个工况点的功耗来推定机组全年总耗电量。参考标准GB/T 17758-2010《单元式空气调节机》［5］，利用仿真手段，在规定工况下进行机组仿真，得到车外环境温度35℃时和29℃的额定制冷、中间制冷和最小制冷机组性能，和车外环境温度7℃时的额定制热、中间制热和最小制热以及车外环境温度2℃时低温制热时机组性能，其中超低温制热时（即车外环境-8.5℃）的性能参数可以由7℃和2℃的结果进行计算得到，如表2所示。

表2 各规定工况点下单台机组性能参数

3 节能性分析

空调设备性能评价指标用于区分产品的优劣，规范产品市场。空调设备的性能评价指标可以被分为两类，名义性能指标和季节性能指标。名义性能指标需要空调设备在名义工况下，经过试验检验设备的运行性能。季节性能指标则用于描述空气调节产品在整个制冷季、制热季或全年的综合运行性能。季节性能指标又可以分为两个体系，APF（Annual Energy Efficiency）体系和IPLV（Integrated Part Load Value）体系。IPLV于2008年开始在我国正式应用，最开始时IPLV指标主要考虑制冷状态下的设备的评价，而热泵空调在冬季制热的应用越来越受到人们关注，应用愈发广泛，此时IPLV指标已经不再适用于热泵空调的全年综合运行性能的评价。因此，在2013年GB 21455-2013《转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级》中，IPLV被APF指标取代［6］。

APF指在空气调节季节中，空调机组从室内除去（或送入）的热量与机组耗电量之比，该指标综合考虑了制冷季和制热季热泵机组的性能，对机组的评价更加全面。因此，本文将对设计的地铁列车热泵空调机组的季节总负荷进行计算，并结合仿真结果对机组能效进行分析。

在计算季节负荷时选取武汉地区逐时气象参数，因为武汉处于冬季和夏季均需要进行空气调节，且武汉地铁发展迅猛，截至2021年3月武汉已开通9条地铁运营线路，车站总数超过200座，总运营里程达到300km以上，武汉地铁开通运营情况统计如图3所示。另外，武汉地铁计划于2024年前形成14条运营线路，总长606km，城市轨道交通出行占公共交通出行的60%［7］。因此，选取武汉地区地铁列车作为研究对象。

图3 武汉地铁开通运营情况统计图

为了得到更接近地铁列车热泵空调机组运行实际情况的结果，在计算地铁列车热泵空调机组全年运行能耗时，采用武汉地区典型气象年的逐时气象参数［8，9］，并且剔除地铁列车非运营时段（即当晚23:00～次日06:00）的气象数据，仅研究地铁列车运营时段的机组能耗，如图4所示。对全年地铁列车运行时段各温度发生时间进行统计，结果如图5所示。

图4 地铁列车运营时段全年车外逐时温度

图5 全年地铁列车运行时段各温度发生时间

目前，各种相关标准中，机组耗电量的计算方式有两种：直接计算法和间接计算法。直接计算法是对空调机组几个规定工况点进行仿真后，通过对这几个点进行差值计算得到空调机组满足列车负荷运行时的能耗曲线。间接计算法的着手点是系统COP，将机组运行区间进行划分，计算出每个区间段的COP，利用插值法得到区间段中每个温度点对应的COP，之后再由相应温度点下的负荷除以机组能效得到该温度点的能耗。有研究表明，直接计算法计算出的结果与空调机组实际能耗更加贴合，准确性更高［10］。因此，本文将采用直接计算法，对设计机组进行季节能耗进行计算。

3.1 制冷季能效

地铁A型车车厢中额定承载人数为310人，由负荷计算方法得到地铁列车热泵空调机组在制冷季中的负荷曲线。根据标准GB/T 17758-2010《单元式空气调节机》规定，和表2中规定工况机组仿真结果，可以对制冷季机组耗电量进行计算，结果如图6所示。

图6 制冷季机组耗电量计算

根据GB/T 17758-2010《单元式空气调节机》，制冷季能效比SEER（Seasonal Energy Efficiency Ratio）按照公式（1）计算：

式中，CSTL——制冷季总负荷，kW•h；

CSTE——制冷季总耗电量，kW•h。

由图5中制冷季各温度发生时间和6中制冷季机组耗电量的计算结果，可以得到地铁列车单台热泵空调机组制冷季能效比，如表3所示。

表3 单台机组制冷季能效比

3.2 制热季能效

由负荷计算方法得到地铁列车热泵空调机组在制热季中的负荷曲线。根据标准GB/T 17758-2010《单元式空气调节机》规定，结合表2中各规定工况机组仿真结果，可以对制热季机组耗电量进行计算，计算结果如图7所示。

由图7可知，当车外环境温度降低到-2℃时，地铁车厢内实际热负荷等于地铁列车热泵空调机组的实际制热量，两者的交点称为平衡温度点［11］。在平衡温度点的右侧，即车外环境温度高于平衡温度时，地铁列车热泵空调机组的实际制热量大于地铁车厢内实际热负荷，地铁列车热泵空调机组供热量有余。在平衡温度点的左侧，即车外环境温度低于平衡温度时，地铁列车热泵空调机组的实际制热量小于地铁车厢内实际热负荷，地铁列车热泵空调机组供热量不足。此时需要开启电加热进行辅助制热，以满足地铁车厢内乘客热舒适的需求。

图7 制热季单台机组耗电量计算

根据GB/T 17758-2010《单元式空气调节机》，制热季能效比HSPF（Heating Seasonal Performance Factor）按照公式（2）计算：

式中，HSTL——制热季总负荷，kW•h；

HSTE——制热季总耗电量，kW•h。

由图5中制热季各温度发生时间和7中制热季机组耗电量的计算结果，可以得到地铁列车单台热泵空调机组制热季能效比，如表4所示。

表4 制热季能效比

3.3 全年节能性分析

根据GB/T 17758-2010《单元式空气调节机》，APF由式（3）计算：

APF=(CSTL+HSTL)/(CSTE+HSTE) （3）

经计算热泵机组的APF为2.50，大于GB/T 17758-2010《单元式空气调节机》规定的2.1。

通过调研发现，目前某地铁A型车安装单制冷空调机组，冬季采暖使用电加热，其单台机组制冷耗电量和制热耗电量分别为35987kW•h和5574kW•h，其APF为1.8。与地铁列车单制冷，冬季采用电加热采暖的空调机组相比，设计热泵机组的节能性如表5所示，地铁列车热泵空调机组制冷季节能率22%，制热季节能率53%，全年节能率为26%。