轨道车辆变频空调性能试验研究

王 钊



轨道车辆变频空调性能试验研究

王 钊

（广州鼎汉轨道交通车辆装备有限公司 广州 510260）

对双制冷系统变频空调进行不同工况条件下的性能试验，试验结果表明变频空调全冷运行时能效比远大于半冷运行时的能效比，应尽量避免出现只启动一台压缩机运行的情况。在较低的环境温度条件下，适当降低冷凝风量，能够提升空调的能效比。上述试验研究结果，对变频空调的系统设计和逻辑控制具有指导意义。

轨道车辆；变频空调；能效比；性能试验

0 引言

轨道车辆变频空调是在定频空调的基础上选用了变频专用压缩机，增加了变频控制系统，采用变频原理，利用可变化交/直流电源来调节压缩机转速[1]，从而改变制冷管路中制冷剂循环量，控制压缩机输出能力。它的基本结构和制冷原理与普通的定频空调完全相同。

目前国内变频空调在轨道车辆上已经有部分的使用，如CRH2型动车组[2]、重庆单轨车辆、深圳地铁部分线路[3,4]等。但目前对轨道车辆变频空调的性能[5-7]与频率控制逻辑还未有较深入的研究。本项目结合国内外轨道车辆空调系统的需求和特点，对应用于地铁车辆的变频空调机组测试不同频率和工况条件下空调的性能参数，得到相应的变化曲线，用以优化变频空调的设计和控制。

1 变频空调制冷原理

图1为车辆变频空调的制冷系统原理图。制冷系统主要由变频压缩机、冷凝器、外平衡式热力膨胀阀、蒸发器等部件用管路连接起来形成密闭系统；使用液管电磁阀、单向阀等部件控制和保护压缩机的使用。

图1 制冷系统原理图

1—热力膨胀阀；2—汽液分离器；3—液管电磁阀；4—视液镜；5—干燥过滤器；6—变频压缩机；7—单向阀；8—冷凝器；9—冷凝风机；10—蒸发器；11—蒸发风机

2 试验装置和方法

空调机组制冷量测量采用空气焓差法，通过测量空调机组蒸发器前后进风、出风的干球温度、湿球温度和空气流量来计算制冷量。

按照TB/T 1804—2009《铁道客车空调机组》[8]标准试验方法进行试验。测量在不同的室内外侧进气参数条件下，压缩机工作在不同频率时的空调制冷量、功率、能效比等参数。

变频空调机组额定制冷量为42kW，送风量 为5000m3/h，新风量为1600m3/h，使用谷轮ZRHV72KJE—TFD型卧式变频涡旋压缩机，使用具有MOP功能的外平衡式热力膨胀阀作为节流装置，压缩机变频调节范围为35～75Hz，制冷剂为R407C。通过切换冷凝风机电机极数实现高低速冷凝风量功能。

3 试验结果与分析

3.1 压缩机频率对吸排气压力的影响

试验工况为室外侧进气干球温度32.5±0.5℃；室内侧进气干球温度28.9±0.25℃，进气湿球温度23.1±0.25℃，空调机组两台压缩机均运行。图2为不同频率下压缩机的吸排气压力变化曲线。

图2 吸排气压力随压缩机频率的变化曲线

如图2所示，压缩机频率增大，压缩机的排气压力增大，吸气压力减小。对于涡旋压缩机，其排气量与转速成正比，而转速与电机频率成正比。频率升高，压缩机排气量随之增大，进入冷凝器的制冷剂循环流量同样增大，压缩机排气压力升高。

压缩机排气量增大，相应的从蒸发器吸入的制冷剂量增加，蒸发器的蒸发压力和蒸发温度下降，使得吸气压力也同样下降。

3.2 压缩机频率对制冷量和能效比的影响

试验工况分为5组，如下表1所示，室内侧进气参数按照室外新风和室内回风混合后计算得到，并以车内温湿度经验值作为参照进行设定。空调机组全冷运行，压缩机运行频率范围为38～60Hz。

表1 试验工况

图4为在5种工况条件下制冷量和能效比随压缩机频率的变化曲线。

从图3可知，随着压缩机频率的增大，空调制冷量随之近似线性增大，能效比初始缓慢增大，达到最大值后再逐渐降低。

制冷量和能效比与压缩机频率的变化曲线相交于一点，该点的性能参数同时兼顾了空调制冷量和能效比，因此该点的频率可以作为空调在此工况下的最佳工作频率点。在5种工况条件下，该点频率分别为46.18 Hz、48.43Hz、51.05Hz、52.86Hz、55.73Hz。

图4 最佳工作频率随室外侧进气干球温度的变化曲线

在不同的室外侧进气条件下，对上述数据进行拟合计算，得到压缩机最佳工作频率与室外侧进气干球温度的线性拟合公式：

=76.733-0.9412T

式中，为最佳工作频率，T为室外侧进气干球温度。

3.3 全冷与半冷运行时制冷量与能效比的变化

试验工况为室外侧进气干球温度27.5±0.5℃；室内侧进气干球温度25.3±0.25℃，进气湿球温度20.6±0.25℃。空调机组分为全冷和半冷运行，全冷运行时2台压缩机以相同频率工作；半冷运行时只启动1台压缩机工作，所有蒸发风机和冷凝风机全部运行。压缩机运行频率范围为38～60Hz。图5为全冷和半冷运行条件下，压缩机工作在不同频率时空调制冷量和能效比的变化曲线。

图5 全冷运行和半冷运行时制冷量和能效比随压缩机频率的变化曲线

在相同的制冷工况条件下，半冷时单台压缩机的制冷量比全冷时单台压缩机制冷量略大，主要是因为半冷运行时，交叉排布的蒸发器的换热效果更好，提高了单个制冷循环的制冷量。而在能效比方面，全冷时能效比变化范围为2.48～2.71；而半冷时能效比只有2.09～2.19。因此，无论压缩机运行在哪些频率，双系统变频空调应尽量避免出现只启动一台压缩机运行的情况，这样能够保证空调获得更高的能效比，实现节能的效果。

3.4 不同冷凝风量条件下制冷量与能效比的变化

试验工况为室外侧进气干球温度27.5±0.5℃；室内侧进气干球温度25.3±0.25℃，进气湿球温度20.6±0.25℃，空调机组冷凝风机分为高速档和低速档运行。高速档时电机为4极，单台冷凝风机风量约为9000m3/h，功率1.1kW；低速档电机切换为6极，单台冷凝风机风量为约6000m3/h，功率0.55kW。制冷运行时所有蒸发风机和压缩机全部运行。压缩机运行频率范围为38～60Hz。图6为冷凝风机在高速档和低速档条件下，压缩机工作在不同频率时空调制冷量和能效比的变化曲线。

图6 不同冷凝风量下制冷量和能效比随压缩机频率的变化曲线

在高速档时，随着压缩机频率的增大，空调机组制冷量由30.36kW迅速增加到39kW，能效比略微增大后逐步下降；在低速档时，随着压缩机频率的增大，空调机组制冷量由28.54kW迅速增加到40.73kW，能效比由最大值2.81逐渐降低至2.69，然后略有提升。

对比不同冷凝风量下的两条能效比曲线，低速档时能效比均大于高速档时的能效比，虽然减少了冷凝风量，压缩机吸排气压力均有不同程度提升，压缩机功率变大，但冷凝风机电机极数的变化降低了冷凝风机的功率。同时由于冷凝风量不同，在较低的压缩机运行频率时，高速档风量能够强化换热，空调制冷量相比于低速条件下略大。而当压缩机频率逐步升高后，由于冷凝效果过好，过冷度相比于低速档大很多，热力膨胀阀的开度达到最大后不再自动调整，系统制冷剂循环量无法继续增加，液态制冷剂积存在冷凝器内反而阻碍了冷凝换热效果，此时空调制冷量增加幅度比低速档时小。

当压缩机运行频率增加时，在较少的冷凝风量条件下，冷凝器内的循环制冷剂同样能够完全冷凝成液体，而过冷度相比于高速档时小。在提高压缩机运行频率时，系统内的制冷剂循环量能够进一步增大，空调机组制冷量能够继续增大。

上述试验表明，在较低的室外侧进气干球温度条件下，冷凝风机低速档运行能效比更高，更加节能。

4 结论

通过对轨道车辆变频空调进行性能试验研究，得到如下结论：

（1）变频空调的压缩机运行频率增大时，排气压力增大，吸气压力减小，制冷量增大，能效比初始缓慢增大，达到最大值后再逐渐降低。压缩机最佳工作频率与室外侧干球温度成线性关系。

（2）双系统变频空调全冷运行时能效比远大于半冷运行时的能效比，应尽量避免出现只启动一台压缩机运行的情况。

（3）在较低的室外侧进气干球温度条件下，适当降低冷凝风量时，能够提升空调的能效比。

上述试验研究结果，对变频空调的系统设计和逻辑控制具有指导意义。

[1] 缪道平,吴业正.制冷压缩机[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2] 滕广武,欧阳仲志.铁路高速动车组空调试验和舒适性要求[J].铁道车辆,2009,47(10):30-32.

[3] 王永镖,欧阳仲志,刘忠庆,等.城轨车辆采用变频空调的节能试验研究[J].铁道车辆,2017,55(3):5-10.

[4] 王钊,魏婉娜.轨道车辆变频空调节能试验及舒适性研究[J].制冷与空调,2016,30(1):99-103.

[5] 金听祥,李冠举,郑祖义.变频空调器性能影响因素的试验研究[J].供热制冷,2010,9(9):66-69.

[6] 彭庆红,杜群贵.电动客车变频热泵空调系统及其性能的试验研究[J].流体机械,2013,41(12):65-69.

[7] 胡静,杜明星,杨昭.变频空调器的实验研究与性能分析[J].山东建筑大学学报,2007,22(4):326-328.

[8] TB/T 1804—2009,铁道客车空调机组[S].北京:中国铁道出版社,2010.

Performance Test Research on Inverter Air-conditioning for Railway Vehicles

Wang Zhao

( Guangzhou Dinghan Railway Vehicles Equipment Co., Ltd, Guangzhou, 510260 )

The performance test of double cooling systems in inverter air-conditioning under different working conditions is carried out. The test results show that the energy efficiency ratio of full cooling operation is much larger than half cooling operation. The half cooling operation should be avoided as far as possible. The energy efficiency ratio can be improved when the condensing air flow rate is reduced properly at low ambient temperature. The experimental results are guiding significance to the system design and logic control of inverter air-conditioning.

railway vehicles; inverter air-conditioning; EER; performance test

1671-6612（2018）06-651-05

U270.38+3

A

王 钊（1986-），男，硕士研究生，工程师，从事轨道车辆空调设计研发工作，E-mail：wangzhao@ dinghantech.com

2018-02-24