列车空调变频调节下车厢内气流组织模拟*

徐 青 陈 夏 杨大洋 邓建明 骆 坚 周 斌

(1.华东交通大学土木建筑学院，330013，南昌;2.南昌铁路局车辆段，330013，南昌∥第一作者，副教授)

节能是我国经济可持续发展的一项基本国策，而交通运输节能则是其中的重点工作之一。在旅客列车中，空调系统的能耗已经占到了较大的比重［1－2］，因此列车空调的节能越来越成为人们关注的焦点。铁道部颁布的《铁路节能技术政策》明确要求严格空调客车制冷制热管理，减少不必要能耗，但现有的很多旅客列车空调系统(如YW25G型列车)仍采用定制冷量、定风量的运行模式。在该运行模式下，由于空调制冷量不能随车内负荷变化进行连续调节，造成车厢内温度波动大，不仅不能满足旅客对舒适性的要求，而且能耗高，影响设备的使用寿命。

变频技术已经广泛应用于建筑空调系统，在调控室内舒适度和节能方面都取得了显著的效果。高速列车和动车组的投运，也为其它空调列车的运行节能提供了许多宝贵的经验。本文以YW25G型硬卧空调列车为例，分析其采用变频控制后的车厢内气流组织，为列车空调系统的节能改造提供理论依据［3－5］。

1 空调机组运行控制模式

YW25G型列车硬卧空调系统运行控制模式的主要工作状态有以下几种:

(1)强通风——通风量较大时，制冷开强通风。

(2)弱通风——通风量较小时，制冷开弱通风。

(3)半冷——制冷时，一半压缩机工作，冷凝风机全部工作。

(4)全冷——制冷时，压缩机和冷凝风机全部处于工作状态。

该型号列车空调在夏季基本处于全冷工况(即最大负荷)下运行，车厢内的温度调节通常是司乘人员凭感觉进行运行模式的手动切换，因而车箱内的温度时高时低。这种控制模式的滞后性和车箱内空气参数的不稳定性，完全不能满足旅客的舒适要求，同时也造成了不必要的能源浪费。针对该型硬卧列车空调控制模式存在的问题，项目组和南昌铁路局合作，在一节卧铺车厢上加装了变频装置，在不改变机组送风量的前提下，通过对空调压缩机转速的调节对制冷量进行变频控制。即当车厢内的冷负荷增大、温度升高时，变频器改变机组供电频率，压缩机转速提高，增大制冷量;反之，降低压缩机转速，减小制冷量。变频控制使机组制冷量与车厢内所需的制冷量相匹配，最终改变送风温度满足旅客的舒适感并达到节能的目的［6－7］。

2 空调车厢内气流组织模拟

2.1 模型处理

取YW25G型空调硬卧列车的一节车厢为研究对象。该车厢长 18 838 mm，宽 2 885 mm，高2 750 mm，共设11个卧铺单元。其空调系统采用一台KLD40车顶单元式空调机组，额定制冷量40.7 kW，额定送风量8 000 m3/h;采用顶送风方式，送风口布置于每个单元中部，车厢内空气通过车厢两端车门集中回风［8］。

由于列车结构非常复杂，完全按照其真实实体建立计算模型存在一定困难，因此在建模中对车内区域进行了简化。假定整个车体内部为规则的长方体，忽略车两端乘务员室、配电间、厕所及洗脸室等，只以整体卧铺区域作为计算区域。模型以列车首个卧铺包间左侧卧铺底角为坐标原点，列车的长度方向为X轴，高度方向为Y轴，宽度方向为Z轴;包厢按送风方向进行编号，共11个包间。人体及卧铺几何计算模型如图1所示。车厢体的热边界按第三类边界条件进行计算，传热量折算成热流密度;进入车内的太阳辐射也折算成热流，加在各壁面的热流内。

图1 YW25G型空调硬卧列车物理模型

2.2 气流组织模拟结果分析

在气流组织模拟中，由于列车的移动性，列车空调模拟起来比建筑空调更为复杂，但沿途室外气候参数、车内人员等因素的变化和建筑物在一天的变化又有一定的相似性。因此，通过计算逐时冷负荷可以得出任何时刻列车所需制冷量。以南昌－厦门－重庆－厦门－南昌整个行程为例，2010年8月11日列车从南昌出发后，选取几个气候变化有代表性的站点参数分别作为工况1～6，并列出了各对应工况下所需制冷量和列车空调额定制冷量(见表1)，可见，行程中列车空调所需制冷量变化是很大的。因此通过变频调节，使空调机组的运行适应制冷量的变化，就显得非常重要。

表1 各工况对应站点参数表

图2 ⑥号包间中心点温度

由于篇幅所限，本文将重点讨论变频运行工况和全冷(即额定制冷量)运行工况对车厢内气流组织所产生的影响。

列车回风口布置在车厢一端，但运行时车厢两端车门一般不关闭，即实际的回风是从两端车门进行的，车厢内的气流组织可近似认为对称，故选取首个包间①和中部包间⑥为主要研究对象进行分析。

图2列出了包间⑥各工况下中心点的模拟计算温度值。在全冷工况下，机组始终按最大负荷运行，送风温度是不变的，而所选6个工况实际所需的负荷是不同的(见表1)，这就造成车箱内的温度有较大的波动，如工况2车厢内温度低至22℃(见图2)，乘客有明显的冷感。而在变频工况下，通过压缩机转速的改变，机组的制冷量依据车厢内实际需要的负荷自动变化使得送风温度改变，车厢内的温度在各时刻都能维持在一个比较稳定的范围(24～25℃)，制冷机组的能耗也可相应减少。

再以典型工况2为例对车厢内人体周围的温度和速度分布状况进行分析，选取4个比较有代表性的截面:Z向截面选取人体最敏感的头部(Z=0.3 m)和脚部(Z=1.8 m)所在平面(主要选取气流具有代表的包间①和包间⑥);Y向截面选取中铺人体上方区域(Y=1.625 m);X向截面选取车厢中部包间⑥即沿人体中心纵向剖开位置(X=9.968 m)。包间①和包间⑥在 Z=0.3 m、Z=1.8 m断面处的温度场如图3、4所示，速度场如图5、6 所示。

由图3和图4可知，在全冷运行方式下，车厢内的温度偏低，局部区域低至21℃，由于工况2下列车处于夜间运行，人体活动量小，这样的温度特别容易使人产生冷感;采用变频调节后，车厢温度提高到23～25℃，舒适感得到了改善。

图3 Z=0.3 m断面处的温度场

图4 Z=1.8 m断面处的温度场

由图5和图6可知，由于气流运动过程中受到床铺的阻挡，送风口正下方区域的速度场较床铺正上方明显要强烈很多，导致床铺上方空气温度较风口正下方区域的温度高。另外，走廊区域由于集中回风，包间①的速度场较包间⑥强烈，即距车门越近的区域，其气流运动越剧烈，使人产生较强的吹风感，降低了舒适感，而靠近车厢中部区域的气流运动则相对较弱，提高了舒适感。由于本文所讨论的变频改造仅是通过改变压缩机的供电频率来改变制冷量，整个制冷系统的管网特性(即送风量)并不变，因此全冷工况和变频工况下车厢内气流的速度场基本相同(见图5)。

图5 Z=0.3 m断面处的速度场

图6 Z=1.8 m断面处的速度场

图7 、图8分别为Y=1.625 m断面处的温度场和速度场。由图7可见，车厢前端如包间①中，人体头部区域和脚部区域的温度均低于中部，而包间⑥由于气流运动较弱，温度略高;在变频调节后，整个车厢水平面上的温度分布较全冷工况下均匀，温度梯度较小，低温区域总体提高2℃。由图8可见，在每个送风口下方存在一个小旋涡，并且离车门越近，旋涡越明显，说明越靠近车门的位置气流组织越好，而车厢中部区域的气流运动不显著，不利于空气污染物的排放。

图7 Y=1.625 m断面处的温度场

图9 、图10分别为X=9.968 m断面处的温度场和速度场。对比卧铺区域和过道区域，对于各卧铺单元，卧铺区域的温度高于过道区域温度。这主要是因为过道区域没有任何阻隔，受到气流直吹，越靠近风口处温度越低，且向两侧呈45°扩散。但车厢各层卧铺区域的温度分布也有差异(见图9)，下铺区域温度较低，中铺次之，上铺温度较高。究其原因，是由于床铺对气流流动有一定的阻碍作用，而下铺区域空间较上、中铺都大，使得气流可以充分发展，形成一定的回旋气流，能够更快地散除人体发出的热量。变频工况下，车厢包间温度过低的现象得到明显改善，温度由21～23℃上升了近2℃，使人体感觉较为舒适。而从图10的速度场可以看出，人体上方存在明显的气流上升运动，有利于人体的散热。下铺区域的上升气流最明显，其首要原因是铺位纵向间隔不同所致。从图2可知下铺与中铺之间的距离大于中铺与上铺、上铺与车顶之间的距离，因此下铺上方区域的垂直高度较大，有利于气流组织的充分发展，因此下铺区域的上升气流最明显。在变频工况下亦是如此。

图8 Y=1.625 m断面处的速度场

图9 X=9.968 m断面处的温度场

图10 X=9.968 m断面处的速度场

3 列车空调变频改造试验与模拟对比

本次列车变频改造在YW25G型空调列车中选择一节硬卧车厢进行试验。变频系统分为变频器、无线传感器和数据接收采集控制板等三大部分。试验中，硬卧变频车厢内分别设置了6个无线温、湿度传感器，温度的控制精度可达0.25℃。6个测点均匀分布，安装在走廊一侧(见图11)，编号为101～106。

图11 硬卧车厢无线传感器

图12 各测点的测量与模拟温度对比

经过运行测试，安装变频节能控制装置的车厢内各测点温度恒定在24～25℃之间，乘客也反映较为舒适。将实际运行中6个测点所测得的数据与相应条件下模拟所得数据进行对比(见图12)，可以看出，模拟数据与测量数据的变化规律是一致的，但实际测量值与模拟值有差异。其原因是模拟计算时，车厢内的热源只考虑了旅客的散热，而忽略了车内灯具及其它散热的影响，从而造成模拟值比实际测量值略低。这种偏差是在允许范围内的。可见，本文所采用计算模型的计算结果与实际情况是比较符合的。因此，采用数值模拟的方法对列车进行研究是可行的，并且为今后进一步的节能研究提供了理论参考依据［9］。

由模拟结果可见，加装变频装置后车厢内的温度场不均匀性得到了明显改善，但车厢内温、湿度控制与空调机组的节能效果如何达到一个最佳匹配状态，还需在后续工作中完成。

4 结语

(1)应用变频技术对列车空调制冷量进行调节，能够使机组制冷量与车厢内实际负荷相匹配，改善车厢内出现的过冷或过热现象，满足旅客的舒适度需求。

(2)通过车厢内的流场以及温度场的模拟计算可知，应用变频技术不仅能使车厢内气流组织的不均匀性得到明显改善，还能降低空调机组的能耗，符合环境可持续发展的要求，同时也为列车空调系统的节能改造提供一定的理论依据。

(3)变频技术在列车空调系统中的应用潜力很大，但由于其运行的特殊性，在具体的改造中还存在一些问题。例如，如何合理确定车厢内外的设计参数来计算车内负荷，以便准确地调节机组的供电频率;在温度合适的前提下如何进行湿度的匹配等。

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