地铁车辆空调制冷系统的节能设计

关秋佳　邵伟平

摘 要 在地铁车辆空调机组中，其制冷系统主要由压缩机、冷凝器、蒸发器及节流装置基本组成，在整个系统中循环流动的制冷工质为制冷剂。制冷系统的设备设计及参数选择合理，可以提高整个系统的制冷效果，实现节能降耗，获得最佳的经济效益。

关键词 车辆空调 制冷系统 节能

中图分类号：TP273 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.01.069

1 制冷剂的选择

对于空调所使用的制冷剂，一般要满足以下要求：

（1）临界温度要高，凝固温度要低。这是对制冷剂性质的基本要求。临界温度高，便于用一般的冷却水或空气进行冷凝；凝固温度低，以免其在蒸发温度下凝固，满足较低温度的制冷要求。

（2）在大气压力下的蒸发温度要低。这是低温制冷的一个必要条件。

（3）压力要适中。蒸发压力最好与大气压相近并稍高于大气压力，以防空气渗入制冷系统中，从而降低制冷能力。冷凝压力不宜过高，以减少制冷设备承受的压力，以免压缩功耗过大并可降低高压系统渗漏的可能性。

（4）单位容积制冷量要大。这样在制冷量一定时，可以减少制冷剂的循环量，缩小压缩机的尺寸。

（5）导热系数要高，粘度和密度要小。以提高各换热器的传热系数，降低其在系统中的流动阻力损失。

2 冷凝器及参数选择

冷凝器是制冷系统中重要的换热设备，其作用是将从压缩机出来的高温高压的制冷剂蒸气的热量传递给冷却介质——水或空气，而形成高稳高压的过冷液体。冷凝器的选择主要有两个方面：形式和参数。

采用不同形式的冷凝器直接影响其冷凝温度，也直接影响到其运行的耗能量。据相关统计证明，若采用蒸发式冷凝器，其压缩机耗功是最小的，可以比空冷式冷凝器节省30%，比水冷式节省10%。然而，对于每天运行在钢轨上的轨道车辆，受其运行条件的限制，只能采用空气冷却式冷凝器。

对冷凝器而言，其主要参数是冷凝温度和冷凝压力。而冷凝温度是制冷循环中主要运行参数之一，其设定合理与否直接影响到制冷装置的制冷效果、安全可靠性和能耗水平。从压焓图分析可以知道，冷凝温度与冷凝压力相对应，冷凝温度升高时，冷凝压力也升高，则直接导致压缩比增大。其结果是引起两个不良效应：一是压缩机的输气系数降低，功耗增大，制冷系数下降；二是使压缩机排气温度升高，压缩机的故障率增加，运行安全可靠性降低。因此，从理论分析看，应尽可能使制冷系统在较低的冷凝温度下运行。然而，在实际设计中，冷凝温度过低将产生更加不利的效果。在地铁车辆运行时，实际的冷凝温度是变化的，当实际温度高于设计的冷凝温度时，将使实际的热负荷增大，冷凝器不能满足要求，实际的冷凝温度将升高，能耗增大，制冷装置效率也将下降。

因此，在设计冷凝器的冷凝温度时，要充分考虑各种不利的因素，选择适当的冷凝温度，保证制冷装置在高效率下节能运行。

3 蒸发器及参数选择

冷却液体的蒸发器有壳管卧式蒸发器、干式蒸发器和沉浸式蒸发器；冷却空气式蒸发器有冷却排管和直接蒸发式空气冷却器两种。由于地铁车辆的特点，蒸发器采用冷却空气式。其中冷却排管多用于冷库和冷藏箱中，特点是制冷剂在管内蒸发，空气在管外自然对流，传热系数较小；而直接蒸发式蒸发器适用于各种空调机组、冷藏库和低温试验箱，其特点是制冷剂在蛇形管内蒸发，管外空气在通风机的作用下强迫流动，传热系数比冷却排管高。因此，在地铁车辆空调中，宜采用直接蒸发式空气冷却器。

蒸发温度是制冷装置运行的重要参数。从压焓图分析可知，若蒸发温度过高，则满足不了被冷却对象的低温要求，无法满足要求室内空气指标。若蒸发温度过低，则相应的蒸发压力也降低，使压缩比增大，压缩机的输气系数降低；同时单位容积制冷量急剧下降，单位压缩功明显增加，运行效率，能耗增大，压缩机的工作条件也随之恶化。因此，蒸发温度在确定时，应在满足冷却性能前提下，尽可能采用较高的温度数值。

4 压缩机及电动机的选择

根据相关部门数据的统计，制冷压缩机的耗电量占制冷装置总耗电的60%以上，因此，在地铁车辆空调压缩式制冷装置中，压缩机的节能尤为重要。

压缩机的种类很多，常见有活塞式、离心式、螺杆式、旋转式、涡旋式等形式。

活塞式压缩机具有高速、多缸、能量可调、热效率高、适应于多种制冷剂等优点；其确定是结构复杂、易损件多、检修周期短、对湿行程敏感、有脉冲振动及运行平稳性差。

螺杆式压缩机具有结构简单、易损件少、体积小、重量轻、单机压缩比大、对湿行程不敏感、振动小、对基础要求低、输气系数高、排气温度低及热效率高、制冷量可调的优点；其缺点是噪声较高，耗油量大，油路系统和辅助设备比较复杂。新型螺杆式制冷压缩机运行经济性、可靠性和寿命等均已超过活塞压缩机。

离心式压缩机的优点是转速高、制冷量大、机械磨损小、易损件少、维护简单、持续工作时间长、振动小、运行平稳、对基础要求低、制冷量可调。其缺点是制冷量不能太小、每级的压缩比较小、效率低于活塞式、对制冷剂有一定要求，操作不当时会产生喘振。

旋转式压缩机的中心轴式叶片交递旋转圆形结构，旋转式压缩机的排量大，结构简单且旋转式压缩机设计合理。旋转式压缩机充实的功能部件与保护装置，噪音低、安全可靠。为保护旋转式压缩机不致损坏，旋转式压缩机采用延时型防爆固态继电器和过载保护及热保护器件，为了防止靜电所带来的危害，对旋转式压缩机内腔喷涂导电漆消除静电效应，使用更安全。

全封闭涡旋式压缩机是当前最先进的制冷压缩机，在抗振动、抗液击以及频繁起停等方面具有优异的性能，特别适合于冲击和终动大的运输工具上。与其它型式的压缩机相比，具有噪声低、振动小、效率高，寿命长的特点，压缩机寿命大于50000小时。

通过上述分析和比较，并结合制冷剂R407C的使用，建议使用新型的全封闭涡旋式制冷压缩机，可以获得更好的节能效果。涡旋式制冷压缩机作为铁道车辆及城轨交通车辆上新型制冷设备，在国外已有成功的使用经验，并取得了良好的效果。

根据车内最大制冷量的要求，可以确定压缩机的容量。然而，在实际车辆运行中，车内的热负荷是随着外界条件变化而变化的，因此，有必要对压缩机制冷量进行调节。

压缩机采用能量进行调节后，可以取得以下效果：车辆空调实际制冷量与热负荷平衡，提高运行的经济性；减小蒸发温度的波动，相应地减小被冷却对象的温度波动，减少压缩机启动次数，延长压缩机使用寿命；保证压缩机空载或轻载启动。由于车辆在运行时，制冷装置在部分负荷下运行的时间占很大比例。压缩机在设计时采用能量调节对于空调系统的节能具有重要意义。

地铁车辆空调压缩机的能量调节可以采用以下方案：在制冷系统高低压区之间设置一个旁通路，这样根据蒸发器的实际充气量调整压缩机容量。

将旁路阀安装在制冷系统的高压线和低压线之间，旨在通过向蒸发器旋管和恒温膨胀阀之间的管线注入热气，根据蒸发器的充气量来调节压缩机容量。通过外部控制管线实现的与抽风管线的直接连接可以调节热气的注入，与蒸发器旋管中的压力损失无关。该动作可通过主通风口、控制进口和出口的压力。这样，阀门的开度直接根据压缩机的抽风压力而定。

在车辆空调系统中还有冷凝风机和通风机电机。这些电动机在使用过程中，其能耗也不容忽视，因此在设计和选择上必须加以考虑。对于通风机而言，在一车的两套空调系统中，可以设置四台通风机，这样一来便可以根据车内实际热负荷的变化，依托所在的独立制冷系统，分别进行0台、2台、4台同时工作，进行合理的能源消耗；每套机组中可以设置一套冷凝风机，为了适应制冷量的变化，冷凝风机可以采用调速电机，设两级调速，分别对应车辆半冷和全冷下的功率，从而实现能源的合理使用。