重庆轨道交通1 号线车辆空调变频改造及节能试验研究

刘炬，毕林，张晓伟，王磊，赵东槐

（1.重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆 401120；2.山东朗进科技股份有限公司，山东 青岛 266000）

随着国家“十四五”规划的推出，碳达峰和碳中和被列为了我国未来几年发展的重要目标，降低公共交通能耗，是达成该目标的有效手段之一。随着近年来轨道交通行业的快速发展，乘坐轨道交通出行已成为广大市民践行绿色出行理念的首选方式，轨道交通地铁车辆实现可持续发展同样也是其发展的一个重要环节。轨道交通的主系统设备用电能耗包括车辆、牵引供电系统等，其中列车的能耗占总能耗的50%~60%，而列车辅助系统能耗约占列车总能耗的30%~40%，这其中空调系统的能耗则占辅助系统能耗的绝大部分，因此空调系统的节能降耗对车辆运营的节能有重要的意义。空调变频节能技术在家用及商用空调领域已得到了充分的应用和验证，近年也越来越多地被应用在轨道车辆空调领域。从理论上分析，变频空调因其制冷量的输出可调节的特性，应用在轨道车辆上不仅节能同时也更加舒适。为更进一步地论证变频空调在轨道车辆上的应用效果，上海、长春、深圳和广州等地均进行了变频空调正线运营的测试分析，测试结果表明，变频空调相较于定频空调均有明显的节能优势以及温控稳定性优势。

本文以重庆市轨道交通1 号线作为研究对象，分别选取定频空调列车和变频空调列车各2 列，通过加装电能表，在经历了一个较完整的制冷季节运营测试后，进行数据的统计及分析。重庆市轨道交通1 号线是重庆市轨道交通线网中东西方向的一条骨干线路，也是重庆市第一条地铁线路。该线路于2011 年7 月28 日开通试运营，全线路露天长度约为23.9km，地下（含隧道）长度约为21.4km，使用6 节编组B 型列车，全线路购买的列车均使用定频空调，在2021 年车辆大修期间将个别列车空调更新为变频控制方式，用于定频空调和变频空调的对比研究。

1 变频及定频空调控制原理分析

重庆地铁1 号线地铁车辆定频空调具备通风、半冷、全冷3个档位，通过控制空调2 台压缩机的启动和停止来实现，半冷档位启动1 台压缩机，全冷档位启动2 台压缩机，定频空调运行示意图，如图1 所示，左侧K 线表示温度上升控制方式，右侧K 线表示温度下降控制方式。一方面，压缩机的启动和停止会有一定的开关损耗，另一方面，为保证压缩机润滑油的回油量，压缩机启动3min 左右后方能停止。

图1 定频空调运行示意图

变频空调的控制，其主要是基于空调智能控制系统及时调节压缩机的运转频率，当客车内温度达到设定温度值时，控制压缩机降频，并维持在低频运行状态（低频状态功耗降低），此时空调机组输出适当的制冷量，将客车内温度维持在设定值。根据变频压缩机的特性，在低频运转时，压缩机的容积效率提高，而且单位时间内排出的制冷剂减少，冷凝器和蒸发器的面积相对增大，此时的空调制冷效率提高，即空调能效比提高，用电量减少。同时，因压缩机停机次数减少，避免了压缩机的开关损耗，进一步降低了空调的运行能耗。变频空调运行示意图，如图2 所示。

图2 变频空调运行示意图

城市轨道交通车辆在实际运营时，高低峰时期乘客量的变化、线路地面地下的变化以及车辆到站开关门行为，均会引起客室热负荷的变化，从控制方式上分析，变频空调在节能上有一定优势。

2 试验内容

根据试验车辆空调运营现状，针对变频空调与定频空调从7~9 月份（环境平均高温31℃，平均低温24℃）进行长期的现场跟车测试，测试内容主要包括温度控制以及2 种型式空调的耗电量统计。试验过程中，分别选取装有定频空调和变频空调的车辆各2 列，安装能耗记录仪记录空调机组的运行能耗，并跟车测试车厢内温度。

首先记录7~9 月重庆环境统计曲线如图3。由图中可看出，在7~9 月这段时间，重庆当地的气温基本在30℃左右，在7 月底~8 月初这段时间气温达到最高的40℃，而进入8~9 月份期间，因降雨天气较多，室外环境温度有较大的波动。

图3 制冷季空调运行环境温度曲线

3 车厢内温度测试

在试验过程中通过温度记录仪进行跟车测试，记录车厢内外的温度波动，通过对比同一个时间段内配置变频空调与定频空调的不同列车内温度波动范围，判定车内温度的稳定性。

本文随机选取某一天相同时间段的车内温度记录数据，得出温度变化曲线，如图4 所示。

图4 某运行时段车厢温度曲线

通过图4 可以看出，当因外部环境引起车厢内温度波动时，变频空调车厢相对于定频空调车厢，温度的调节更平缓、舒适度高，而定频空调车厢内温度上下浮动温差相对较大，此时乘客容易感到温度忽高忽低，车厢内舒适度相对较低。

从原理上分析，变频空调根据车厢内制冷量的需求调整压缩机的运行频率，实现了空调输出的制冷量与车厢内负荷的相对匹配，从而实现将客室温度维持在设定温度±1℃范围内的需求。在车内人员较少或气温较低时，压缩机维持低频运行，既能稳定车厢温度，保证乘客乘车舒适度，同时也达到节能的目标。定频空调靠压缩机的启停控制来实现输出制冷量的调节，输出的制冷量并不连续，在车厢内负荷变化时，势必出现压缩机频繁启停的现象，导致车厢内温度产生较大波动。

4 车辆空调耗电量对比

因实验车辆均在同一条线路中，车厢内设定温度相同，整体外部运营环境相同（车辆运营时刻和区段可能略有不同，但通过3个月的运营周期对结果的影响可忽略不计）。通过记录7、8、9 月近90 天的变频空调和定频轨道空调耗电量和运营里程，得出变频空调和传统定频空调的耗电量统计表。从数据可以看出，相对于定频空调，变频空调的综合平均节电率为31.42%。一列6 编组车辆，就空调而言，平均每公里节电量0.657kW·h。耗电量如表1 所示。

表1 不同型式空调数据对比

笔者在分析3个月的运营数据过程中，不仅横向比较了轨道车辆变频空调和定频空调的数据，同时也对不同时间、不同气温下的节电数据做了纵向的比较。对比在不同天气温度下的节电率数据如表2 所示，可以看出：当气温处于36~40℃时节电率最低，随着室外环境温度的降低，节电率则逐渐升高。当环境气温较高时，变频空调压缩机运行高频的时间更长，对比定频空调节电率相对较低。而当环境气温低时，车辆的新风负荷减小，变频空调的压缩机可以在更长的时间内以低频运转，对比定频空调的节电优势得以发挥，因此节电率更高。

表2 不同气温下空调节电数据对比

5 节能经济效益分析

按照重庆1 号线线路每列列车在制冷季7、8、9 月份可运行4.5 万km 计算，若全线共53 列列车均采用变频空调，则可比使用原定频空调在3个月中直接节省电能156.7 万kW·h。根据目前轨道运营商电价0.7 元/kWh计算，全线53 列列车均采用变频空调，在7、8、9 月份可直接节省约109.69 万元。

6 结语

由于试验存有一定的局限性，节能效果不一定很准确，且在实际营运中，随载客量的不同，节能效率也会有一定波动，但试验结果依然能够证明通过分别选取使用定频和变频空调列车各2 列，试验验证在重庆1 号线的线路条件下，3个月中变频空调相对于原定频空调具有明显的节能效果，可降低地铁车辆的运营成本。同时，地铁车辆变频机组对客室温度的控制优于定频空调机组，提高了地铁车辆客室的舒适性，为轨道车辆空调机组节能和舒适性研究在重庆地区的发展作出了贡献。