轨道车辆空调系统的节能研究

孙方

摘 要：城市轨道车辆系统中，空调系统的能耗约占整个列车系统能耗的35%以上，因此研究空调系统的节能对整车能耗的节能具有重大意义。文章重点研究了新风量调节和多压缩机及变频等技术在空调系统节能方面的重要作用。

关键词：列车空调；节能；新风量调节；变频；冷凝器

引言

随着城市轨道交通事业的迅速发展，列车的设计水平和要求不断提高，对车内环境的舒适性也提出了更高的要求。为了提供舒适的乘车环境，车辆配备了空调设备。车辆空调系统不仅关系到乘客的舒适、安全性，而且直接影响车辆的一次投资和运营成本。同时，随着世界能源问题日益严重，世界各国对能源消耗的高度重视，空调节能措施也日趋受到高度重视，因此，在满足车辆舒适性条件下，采用新技术或有效的空调节能控制方案来控制和减少空调装置的能耗成为发展铁路交通的重要课题之一。

1 车辆热负荷的组成

空调装置的热负荷主要由车体隔热壁的传热、太阳辐射热、车内旅客散发的显热与潜热、新风热负荷及机电设备散发的热量组成。目前，在空调系统的设计中，主要采取以下几种途径，达到节能降耗的目的。

1.1 降低车体传热系数，增强车体的隔热性能，从而减少车体传热及太阳辐射热

主要靠车体内贴保温材料来实现，但是受车体及内装结构空间影响，保温材的厚度限制，车体传热系数降低空间有限。

1.2 根据载客量的多少，自动对新风量进行多档调节

为保证乘客的舒适度和健康，空调系统中最大新风量按车辆定员设定，一般按照10m3/h每人设定，传统空调系统在车辆运行过程中新风量不可调节。由于车辆在运行过程中，乘客的人数是不断变化的，不会一直满载，在乘客人数较少时，如果按照定员载荷设定值，势必造成新风热负荷的浪费。因此通过机组内的二氧化碳传感器或接受车辆载荷信号，自动对新风量进行多档风量调节，满足不同数量乘客时对应的新风量需求，即可起到新风节能的作用。新风负荷在整个空调系统热负荷中约占1/3，因为降低新风负荷对空调系统的节能意义重大，经试验，对新风可调空调机组和不可调机组的2列轨道交通列车在正常运行时的耗电量、客室内、外温度和客流量进行了测量和统计，经过对检测数据的处理和分析，采用可调新风门空调机组的列车空调节能量约为12-18%。

1.3 多级能量调节

目前空调系统较多采用2压缩机两套制冷回路系统，即通过启停压缩机来实现制冷量0、50%、100%的调节。但是轨道交通尤其是城市地铁轻轨，车厢内的负荷随人流（上下班高峰期）、天气（晴天、雨天）、季节以及运行路径（高架或隧道）等波动很大，所以对空调机组的冷量需求也是经常变化的。这就需要空调机组根据热负荷的变化进行压缩机的分级控制，机组的能量调节的范围更为宽广。采用带卸载功能（非热气旁通）的压缩机，可实现制冷量0%、35%、50%、70%、85%、100%的多级调节。

带卸载功能的压缩机容量控制原理：当卸载电磁阀全部关闭时，压缩机实现全部工作能力，当一个卸载电磁阀关闭，另一个卸载电磁阀开通时，压缩机处在卸载工作状态，此时实现70%工作能力。利用压缩机的能量调节和开启关闭，可以实现空调机组多种制冷能力，本项目采用2台压缩机可实现如表1制冷量。

但这仍然是一种不连续的调节方式，仍然不能避免压缩机的开关损耗，不能完全满足车辆负荷变化对制冷量的调节需求。同时压缩机的频繁启停造成客室内温度的波动范围较大，舒适性较差。采用热气旁通卸载方式的空调，是将压缩机排出的高压气态制冷剂经旁通阀直接排到膨胀阀的出口，即此部分制冷剂并参与热交换，不产生制冷量，因此通过热气旁通卸载的方式只调节了制冷量，输入功率却没有降低，是一种能量的浪费。

1.4 采用变频空调

变频空调机组采用变频压缩机，可实现制冷能力10%-120%范围内的无级能量输出。压缩机可根据客室内的热负荷自动工作在相应的频率，当负荷减少时频率降低，压缩机低频运转不需要停机（减少压缩机开关损耗）。相比多压缩机方案通过控制压缩机的启停来维持客室温度的方法，避免了压缩机频繁启停的损耗，温度控制也更加精准。同时压缩机低频启动，大大降低了启动冲击电流，减少功率消耗。在压缩机低频运行时，制冷剂流量减小，换热器面积相对增大，压缩机容积效率提高，能效比更高，可达到3.5以上。

1.5 预冷或预热

车辆设置预冷和预热功能。车辆准备投入载客运行前，由于车辆内还没有乘客，因此可以不用考虑新风进入，将新风阀关闭，回风阀全开，全回风运行，达到快速制冷或加热的目的，达到设定目标温度或设定时间自动转入正常运行。

1.6 春、秋过度季节，适当加大空调机组的新风量甚至关闭回风阀全新风运行

在春、秋两季环境温度较低，且车厢内人员较多需要制冷的情况下，当环境温度低于车厢内设定温度时，可加大新风量运行，利用新风对客室降温，达到节能的目的，同时还可提高车厢内空气的品质。

1.7 不同季节的温度设定

根据UIC553曲线设定自动调节客室内温度，按照季节对设定温度进行修正，不同的时间设定不同的目标温度值，既提高舒适度，又达到节能的效果。

1.8 冷凝器并联

传统的制冷回路中（假设此机组采用两台压缩机），一个制冷回路采用一个冷凝器。而采用并联冷凝器的方式，即1个压缩机使用2个并联的冷凝器，提高空调机组运行在半载制冷状态下的制冷效率，以达到节能的目的。其原理是：空调机组全载（2台压缩机运行）时，空调机组的2台冷凝器均使用，效果与常规方式一样；但空调机组半载时（1台压缩机运行），冷凝器的利用率大幅提高，冷凝温度较常规设计低，从而提高了机组单位能耗的制冷量。同时，在高温卸载时（只有一台压缩机工作），两侧冷凝器会和所有的冷凝风量进行换热，冷凝器换热量几乎增加一倍，冷凝压力大幅度下降，从而保证压缩机能在极端高温下继续工作。

1.9 采用高效节能制冷剂

列车空调制冷剂的选择不仅需要符合《蒙特利尔协议》的环保型制冷剂，还需考虑运营的能耗节能要求，制冷剂R407c是一种具有优良的热力性能并具有节能效果的混合型制冷剂，单位容积制冷量较R134a等其他制冷剂大，是目前轨道交通行业常用的环保型制冷剂。

2 结束语

以上几种节能方案并不是孤立的，通常是根据运行环境要求同时采用其中几种节能方法，跟传统列车空调系统相比，采用上述几种节能方案的系统具有高效、低能耗、高舒适性的特点。并且在越来越多的项目设计中被运用，具有良好的可行性与可靠性。