热泵在上海轨道交通3号线车辆空调上的应用分析

彭学广

(上海海立特凯迈特制冷设备有限公司,200090,上海∥总经理)

上海轨道交通车辆辅助系统的能耗约占整个列车牵引系统能耗的30%～50%。随着上海轨道交通网络的不断扩大,车辆空调作为辅助系统中的耗电大户,能耗问题也不断突出。上海地铁车辆冬季采暖,无一例外采用空调自带的电加热和车辆地板加热同时运用实现。冬季能效比不可避免小于1,因此必须引进热泵技术实现更有效的节能。

热泵作为提供热量的主要设备之一,以其对环境友善及节约能源等特点,在许多领域得到了广泛的应用。20世纪80年代以来,热泵在我国各种场合的应用研究有了许多发展。它的应用对于改变我国能源使用效率不高、分配不均匀的现状也提出了一个有效的解决方法。

在欧洲,热泵理论与技术均已高度发达。“一机两用(制冷、制热)”在欧洲发达国家广泛使用。意大利凯迈特(KLIMAT)公司已经率先研发出新型热泵机组。该机组通过欧洲权威机构的检测,并在罗马-奥斯迪亚线路的车辆上批量装车,使用效果很好。

然而热泵机组在国内轨道交通车辆上的应用还是空白。本文则针对上海的气候特点和上海轨道交通3号线车辆空调机组的技术要求,对热泵空调机组在上海轨道交通3号线车辆上的应用进行了分析。

1 热泵工作原理

热泵技术是全世界近年来倍受关注的一项新型能源技术。其基本原理是：基于逆卡诺循环,采用电能驱动,从低温热源中吸取热量,并将其传输给高温热源以供使用。传输到高温热源中的热量不仅大于所消耗的能量,而且大于从低温热源中吸收的能量。在标准工况下,系统消耗一个单位的能量,从低温热源中提取2个单位的能量,合在一起输出3个单位的能量。热泵也是利用压缩机驱动管道内的制冷剂循环流动,不断地蒸发冷凝,通过制冷剂温差吸热和压缩机压缩制热后,把外界的热量源源不断地聚集到热泵主机上的加热盘管上。

热泵和其他的制热装置(如锅炉、电加热器等)相比,优点是消耗较少的电能或燃料能,获得大量的所需热能。热泵的能效比(pco,或称制热系数)＞1;而其他的制热装置有热量损失,故pco＜1。因此采用热泵有其合理性。图1为热泵循环原理图。

2 热泵的技术分析

由于城市轨道车辆的特殊性,热泵机组的研究主要是围绕提高机组运行的可靠性、系统的热力学效率,以及系统对环境友善程度和处理空气品质等方面展开。

图1 热泵循环原理图

运用于城市轨道车辆的热泵技术,采用空气源热泵比较方便、合理,而且成本低。空气源热泵系统通过自然能(空气蓄热)获取低温热源,经系统高效集热整合后成为高温热源,用来取(供)暖或供应热水,整个系统集热效率甚高。

2.1 热泵机组的运行工况

根据上海城市轨道交通3号线车辆空调通用技术要求,结合TB/T 1804—2003,热泵机组运行的额定工况如表1所示。

热泵空调可以在夏季最高环境温度45℃、冬季最低环境温度-5℃的较为恶劣工况下正常运行。

我国7个供热区域中,Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ都属于这类气候条件。这类地区集中在黄河以南地区,主要包括山东、河南、陕西、四川以南的地区。

表1 热泵运行额定工况

2.2 热泵机组的性能分析

表2为上海市轨道交通3号线车辆空调基本参数。

表2 上海市轨道交通3号线车辆空调机组的基本参数

3号线所用压缩机为4H-25.Y BITZER型,活塞式,在三相400 V、50 Hz的时候,其总排气量为73.6 m3/h。取过冷度5℃,过热度11℃,蒸发温度-2℃,冷凝温度45℃。压缩机输入功率为15.7 kW。表2所述的额定制热量为电加热制热量。取等熵效率η=0.774,根据绘图软件refrigeration utilities绘制出热泵的热力循环图,如图2所示。

图2 热泵的热力循环图

制热量

式中：

V——压缩机的排气量(73.6 m3/h);

ν——压缩机的吸气比容(0.059 41 m3/kg);

h2——压缩机排气焓值(458.76 kJ/kg);

h3——制冷剂节流前焓值(252.73 kJ/kg);

于是Q=70.9 kW。

根据4H-2.5YBITZER的有关数据,压缩功率W=15.7 kW。

2.3 改造前空调机组的运行参数

以下数据参考自上海轨道交通3号线车辆空调规格书。

制冷容量为44 kW,供热能力为16 kW,制热输入功率为17.4 kW。

通风机的功率为0.55 kW,照明设备和信号设备散热量为0.3 kW。总风量为(1±10%)4 500 m3/h,最小新风量为(1±10%)1 580 m2/h,回风量为(1±10%)2 920 m3/h。制冷剂为R407C(用量为(1±15%)20 kg)。供电电压为三相400 V、50 Hz;额定电压为DC 110 V(77～133 V)。

由此可见,同等环境工况下,热泵效率是电加热效率的4.9倍 。

3 热泵机组的成本分析

3.1 机组改造的直接材料成本

现有3号线车辆上更改制冷系统,可能引起的材料成本增加有三方面：

1)增加四通阀、增设联接铜管、单向阀以及接触器等用于实现热泵的制冷和制热功能切换;

2)增加主控板,重新布局电路系统;

3)制冷回路需要通过切换来实现热泵循环的功能,相对应的换热器的面积、铜管、制冷附件、控制元件等需要增加。

3.2 单台空调机组需要车辆厂配合的工时估计

单台样机涉及车辆厂的配合仅限吊装,其余工作全部由空调厂完成,以2个工人0.5天工时计。

3.3 产品生命周期成本分析(LCC)

表3为以每节车辆统计的成本分析。

表3 以每节车辆统计的成本

由表3可知,10年内预计发生的维修成本总额为50 427.67元(单位小时人工按20元计)总里程为700 000 km。

4 热泵空调机组的经济性分析

4.1 特点分析

采用空气源热泵,并在经济方面通过数据论证了空气源热泵机组的优点：

1)高效——吸取空气中的热能,制造热水,热效率最高可达452%;

2)节能——只需传统电热水设备1/3的电能,节电60%～80%;

3)运行成本低——与燃油、燃气及电锅炉等传统热水设备相比,运行成本最低;

4)安全——中央供水,无漏电,不存在任何不安全的隐患;

5)环保——使用清洁能源,无废气、废水、废渣排放。

4.2 单位小时内的功耗分析

上海轨道交通3号线车辆每台空调改造前实际总制热量为32 kW,其中每台空调内部的加热量为11 kW,客室内的地板加热器有10 kW发热量。因此,采用电加热器单位小时内的功耗为 32 kW/0.9=35.55 kW;采用热泵机组单位小时内的功耗为32 kW/3.6=8.88 kW。冬季制热运行时间按100天计,每天运行18 h计算,电加热耗电为63 990 kW/h,热泵耗电数为15 984 kW/h;整个冬季节能为48 006 kW/h。

5 除霜控制

制热模式下的自动除霜功能：

①同时满足环境温度≤-5℃或23℉、蒸发盘管温度≤0℃或者32℉条件时除霜开始。

②除霜方式为热气旁通除霜。优点是：热气旁通除霜过程中房间波动非常小,舒适性较好;除霜过程和切换时,压力变化平稳,造成的机械冲击比较小;室内换热器的表面温度未降低,恢复制热后马上吹出热风;启动和终止除霜时,不会产生四通阀换向的气流噪声。

③自动除霜开始条件满足时,压缩机不停机,通过感知蒸发器盘管温度来选择开启除霜的时间点,以此区别于家用空调的除霜方式。热气旁通除霜的融霜阶段从21～211自动除霜。除霜期间可以继续送风。

6 结语

1)空气源热泵适合在冬季气候较温和、最低气温在-5℃以上的地区使用。根据中国供热分区划分的7个供热区,有Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ区适用于热泵机组运行。上海处于我国长江下游地区,属于Ⅴ区,气候条件比较适合空气源热泵使用。

2)在车辆上使用热泵机组可以达到一机两用的效果,即冬季利用热泵采暖,夏季进行制冷,既节约了取暖设备的费用,又节省了设备的占用面积,同时达到了环保、节能的效果。

3)如果依靠直接电热会造成能源再浪费,是不可取的。采用热泵供热和加温才能更有效地利用电能,且热泵机组的能效比更高,与电热取暖相比,每年可以节省大量的运行费用。

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