列车空调节能技术研究

吴楠楠,黄 琴,黄 进,朱 嘉,赵 亮

(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)

0 引言

近年来,我国轨道交通建设飞速发展,截至2021年底,我国内地已有50座城市开通了城市轨道交通,线路总计9 192 km[1]。列车空调机组作为列车的主要辅助系统,其能耗占列车辅助设备能耗的86%,占列车运行总能耗20%以上[2]。当环境温度升高时,列车空调机组能耗占比将超过30%。

随着“碳达峰”、“碳中和”战略的不断推进,轨道交通网络建设的不断发展和环境资源的限制,对列车空调的舒适性、节能性能和环保性的要求持续提高。因此,列车空调节能降耗的问题逐渐引起广泛关注。列车空调一般采用车顶单元式空调机组,通过送、回风口及对应风道促使车厢内的空气产生流动。目前针对列车空调机组节能性的研究主要集中在节能空调控制技术、低能耗空调机组技术以及列车空调热泵技术等方面。本文将对目前列车空调节能技术研究进行综述,分析列车空调领域现有节能方案。

1 节能空调控制技术

1.1 列车空调温度控制优化

欧洲铁路联盟颁布的标准UIC CODE 553—2004《Heating,ventilation and air-conditioning in coaches》[3]中关于车厢内的设计温度按照公式(1)计算:

tin=22+0.25×(tout-19)=0.25tout+17.25

(1)

式中:tin为车内空气温度,℃;tout为车外空气温度,℃。

可以看出,式(1)以车内外的温差为核心控制对象。

在GB/T 12817—2021《铁路客车通用技术条件》和GB/T 33193.1—2016《铁道车辆空调第1部分:舒适度参数》等国家标准中[4-5],均提出对铁路客车室内外温度的要求,但仍是以固定温度值作为控制目标。而实际上列车空调的运行环境特殊,列车车厢内载客量变化显著,且车门频繁开闭,这些变化都将对列车车厢内的实时负荷产生显著影响,因此这类影响因素不容忽视。徐向彬[6]等提出了一种基于实时载客量的新型列车车厢温度控制模型,将人体新陈代谢率、人体所做的机械功、空气相对湿度和空气流速视为恒定参数,研究平均辐射温度与载客量、服装热阻与室外温度之间的变化关系,将PMV=0(即人体最满意热舒适环境)定为车厢内优化目标,拟合出的温度控制模型如公式(2)所示:

tin=0.30tout-0.36n+18.21

(2)

式中:n为车厢内人员站立密度,人/m2。

徐向彬和王景宏等[6]还基于UIC CODE 553—2004标准中的温度控制模型和广州气候条件及载客量变化的温度控制模型,在广州地铁上进行了实车测试。结果表明,采用新的温度控制模型的测试车辆,车厢内高度方向上温差有所减小,车厢内平均温度波动小,不会出现因温度骤升或骤降导致热舒适性降低的现象。

严凡等[7]基于潮汐式客流特征对列车空调温度控制进行了优化,提出基于季节和载客量2个维度的新型目标温度控制方案。在季节划分方面,基于当地气象局大数据统计平均值,将一年分为春、夏、秋、冬四季。在载客量划分方面,以深圳地铁4号线为例,该车为A型车,单节车厢定员48人,将单节车厢人数划分为4个区段,通过读取列车载重信号估算车厢内实时载客量。各工况空调温度控制值如表1所示。

表1 各工况空调温度控制值 ℃

将上述温度控制方案投入实车进行应用测试,结果发现列车空调能耗下降4.26%,并且乘客关于空调投诉量明显下降。

王志文等[8]对高架线路占线路全长一半以上的广州地铁14号线进行了高架空调温度控制策略研究,相较于隧道区间,高架区间往往具有环境温度较高,存在阳光直射的特点,因此提出了一种“高架模式”空调温度控制策略。当列车行驶于高架区间,且车外温度超过阈值时,启动“高架模式”,将车内目标温度在当前控制策略基础上降低1 ℃。在对广州地铁14号线进行实车测试后发现,新温度控制策略全天可节电约3 400 kW·h,且自投入应用以来无投诉记录。

1.2 变新风量列车空调节能控制

空调系统运行时,车厢内载客量是实时变化的,高峰时期需要最大的新风量来满足车厢内对新鲜空气的需求;在非高峰时期,车厢内乘客数量较少,空调机组的新风风门常常处于较大开度状态,空调机组需要提供较多的冷量来降低新风的温度,造成能源的过度消耗。根据GB/T 7928—2003《地铁车辆通用技术条件》中关于通风标准的规定[9],车厢内人均新风量不应小于10 m3/h,基于此标准规定的新风量对负荷进行计算,结果表明新风负荷在车厢总负荷中占比超过60%[10]。Ce Li等[11]调研了某轨道交通线路的实时载客量,基于实时载客量数据和车外逐时气象参数,在确保车厢内CO2体积分数达到TB 1951—1987《客车空调设计参数》要求的不超过0.15%的基础上,根据公式(3)计算出最小新风量。通过理论分析得知,利用最小新风量进行车厢内空气调节的列车空调机组,在制冷季可节能约14.6%。

(3)

式中:CN为车内CO2的体积分数,%;CW为新风CO2的体积分数,%;GW为最小新风量,m3/h;C0为单位时间每人产生的CO2量,m3/(h·人);Y为乘客人数。

马文等[12]针对上海轨道交通4号线进行了新风风门控制试验研究,在回风口设置CO2体积分数传感器,并监测车厢内载荷变化,调节新风风门的开度,探索实时最优新风风门开度,通过提供实时最优新风量以达到节能的目的。通过试验对比发现,新风量调节后可节能约13%。

1.3 基于热舒适指标空调控制

目前列车车厢内多以温度为控制目标,易出现过冷或过热的现象,常遭到乘客投诉。为了满足乘客对热舒适的需求,将热舒适PMV指标作为列车车厢内热环境的控制目标,综合考虑温度、湿度、风速、平均辐射温度、人体新陈代谢率和服装热阻等因素对车厢内乘客热舒适的影响。热舒适PMV指标控制可以分为直接控制和间接控制2种,因为热舒适指标直接控制要求较高且不易实现,因此专家学者们将研究重点集中在间接控制上。黄兵等[13]提出在现有技术条件下,通过调节空气温度、空气流速和相对湿度这3个方便控制的变量,使车厢内的PMV值稳定在-0.5～0.5,如图1所示。沈霞[14]通过控制车厢内空气温度和湿度实现对列车空调热舒适指标的间接控制,如图2所示。

图1 PMV控制流程图

2 低能耗空调机组技术

2.1 高效换热器

椭圆管换热器具有管道当量直径和管间距小,且管外压降小的特点,Pires等[15]对椭圆管换热器阻力及换热性能进行了实验室测试,结果表明椭圆管换热器各项性能均优于传统的圆管换热器。因此,李剑等{16]提出将列车空调中的圆管换热器替换为椭圆管换热器,对原列车空调系统和椭圆管换热器空调系统进行仿真对比,结果表明,当蒸发器和冷凝器都换成椭圆管换热器后,系统制冷量和COP分别提升12.6%和12.4%。

微通道换热器因其具有质量轻、结构紧凑和换热效率高等优点,适合应用于列车空调中。因此,王宏宇[17]将原列车空调机组中的换热器由翅片管换热器替换为微通道换热器,经过试验发现,微通道换热器不仅能够显著减小体积,还对提高机组的能效具有一定作用。张永利等[18]也对微通道换热器进行了试验研究,试验结果表明,在换热面积相同的情况下,微通道换热器在厚度和制冷剂充注量方面均优于翅片管换热器。在压缩机频率相同的情况下,微通道换热器制冷性能超过翅片管换热器,但制热性能相对较差,制热量下降20%左右。对微通道换热器结霜、化霜问题进行研究后发现,微通道换热器结霜快且成霜均匀,单次结霜后,除霜较为彻底,但多次结霜、除霜后换热器的边角位置逐渐出现积霜,难以去除。

2.2 变频控制调节负荷

为了提供最贴合空调负荷的制冷能力,目前常见方式是采取压缩机旁通卸载或多压缩机的分级调节制冷方式,一般可实现0、25%、50%、75%和100%五级制冷量,能够适应车厢内冷负荷变化,保持车厢内温度稳定。或者采用多缸活塞压缩机,通过减少活塞压缩机的运行气缸数量实现卸载,达到节能降耗的目的。但这类控制方式难以实现无级调节,制冷量浪费和压缩机启停次数相对较多的现象仍存在。变频压缩机通过调节压缩机运行频率以适应冷负荷的变化,达到降低能耗的作用。众多专家学者针对变频压缩机在列车空调中的应用进行了研究[19-24],通过理论分析和试验测试等手段验证了变频压缩机的节能效果,同时还重点探讨了变频压缩机的控制方法。结果均表明变频压缩机能够在列车空调中加以应用,且具有较好的节能降耗作用。

3 列车空调热泵技术

热泵技术的经济性早已得到了公认,将热泵技术引入列车空调能够降低列车空调作为主要辅助系统的能耗,并且热泵技术替代电加热采暖能够有效避免车厢内的安全问题。低温制热性能差是阻碍热泵技术推广的主要原因,也是当前热泵技术的研究重点。一般当车外温度处于-5 ℃以上时,热泵技术的经济性才能得到充分体现。而一旦车外气温低于-5 ℃,经济性急速下降。甚至当室外气温过低时,设备将无法正常运行。而车内的负荷需求随着外部气温降低而增加,故而此时热泵空调的制热量将无法达到车厢内对采暖的需求。因此,热泵技术要得到广泛应用,必须提高低温制热性能。

3.1 喷气增焓技术

长春轻轨车辆使用了喷气增焓技术提高热泵空调在低温环境下的能效比,当系统处于制热工况时,制冷剂流经车内换热器后分为2路,一路通过中间喷射膨胀阀节流后进入板式换热器,在其中与另一路制冷剂液体进行热量交换,吸热蒸发成制冷剂蒸气后进入涡旋压缩机的中间辅助吸气口,另一路在板式换热器中经过过冷的制冷剂液体流出后,经过节流装置节流后进入室外换热器蒸发吸收车外环境空气热量,过程如图3所示。长春冬季平均温度在-15 ℃～-5 ℃,从实车应用效果来看,喷气增焓技术能够有效提高热泵系统在低温环境下的制热量,且工作安全可靠。

图3 喷气增焓热泵系统原理图

3.2 冷凝器并联系统

当前列车空调机组通常由2套空调系统组成,采用双回路翅片管换热器作为蒸发器,而冷凝器是2个独立的换热器。当机组处于半载工况时,其中一套空调系统启动即可满足负荷需求。但此时双回路翅片管换热器只有一半处于工作状态,蒸发器的换热面积增大,冷凝器换热面积并未发生变化,因此导致压缩机的功耗增加,降低了列车空调机组的半载工况能效。

叶超等[25]提出将机组的2个制冷回路通过冷凝器并联,当机组处于半载工况时,单台冷凝器仅使用一半,相当于冷凝器的换热面积增大,能够提高过冷度,降低压缩机的能耗,并且提高系统的耐高温能力,系统原理图如图4所示。仿真结果表明,冷凝器并联式热泵空调系统能够满足能效标准,并且在制热季相较于电加热采暖节能率高达53%。

图4 冷凝器并联式热泵空调系统

3.3 能量回收

全热交换器作为一种能量回收装置,通过排风与新风之间的热湿交换回收排风中的能量。利用这部分能量对新风进行预处理,有效降低新风负荷。孙照岚等[26]提出将全热交换器引入列车空调中,对机组结构进行了设计,并完成了性能试验。根据试验结果,加装全热交换器能够减少对机组制冷量和制热量的要求,且机组性能系数增加,因此可以选用型号更小的空调机组,达到节能降耗的目的。

4 其他列车空调节能技术

中南大学和中车青岛四方车辆研究所有限公司[27-28]对列车空调相变蓄冷换热器进行了合作研究,从数值仿真和试验研究2个方向探索蓄冷换热器的最佳形式和结构尺寸,也分析了放冷效果的主要影响因素。目前针对列车空调相变蓄冷技术的研究仍限定于解决轨道列车突发供电故障的特殊条件下,不能够代替现有的列车空调系统进行车箱内空气调节。

另外,列车空调系统中引入蓄冷技术,在环境温度和车厢内负荷较低时,存储冷量,在环境温度和车厢内负荷升高时,用储存的冷量进行补偿,提高空调的综合利用率。要实现蓄冷技术在列车空调系统中的应用,系统结构和控制功能都将变得更为复杂,且空调尺寸将大大增加,当前列车结构无法满足。

5 结论

本文对目前列车空调节能技术进行了总结,列车节能技术的研究重点在于优化列车车内舒适度参数控制方式和空调机组2个方面。在列车空调节能控制方面,温度控制优化已取得较好的工程效果,变新风量控制技术也实现了从理论研究到实车应用的转化。高效换热器和变频压缩机的研究也较为成熟,已在一定范围内投入使用。蓄冷技术虽然能够进行能量回收,但机组改装结构变化较大。辅助相变蓄冷换热器和蓄冷技术的应用仍处于研究的初期阶段。而热泵技术虽然在冬季平均气温低的寒冷或严寒地区应用受限,低温制热效果差,但因其安全经济,且在其他领域已有坚实的应用基础,具有较为成熟的研究条件,因此低温热泵技术将是未来研究列车空调节能技术的重要方向。