城轨车辆变频热泵空调舒适性及节能研究

刘忠庆 王彦鲁

摘要：依据有关标准制定了对比试验程序，对上海地铁16号线的变频热泵空调列车与定速电加热空调列车进行了冬季静止采暖测试，分析了变频热泵空调机组在地铁车辆上使用的舒适性與节能效果，可为我国城市轨道交通车辆空调机组的运用提供参考。

关键词：热泵空调;控温原理;舒适性;节能

0    引言

我国城市轨道交通行业发展迅速，城轨车辆逐渐成为人们通勤的重要工具。据统计，轨道交通车辆用电量占运营线路总用电量比重较大，其中以空调为主的辅助系统能耗约占车辆总能耗的一半[1]，因此，研究轨道交通车辆空调机组能耗试验方法并制定空调机组能效指标符合我国节能减排的可持续发展战略[2]。目前，城轨车辆冬季采暖应用较多的是电加热空调系统，应用热泵空调机组占比较小，为了研究城市轨道交通车辆应用变频热泵空调机组的效果，对变频热泵空调列车与定速电加热空调列车的冬季采暖性能进行了测试，分析了变频热泵空调在轨道车辆上使用的舒适性与节能效果，可以为我国城市轨道交通车辆空调机组的运用提供参考。

1    变频热泵空调控温原理及节能分析

变频热泵型空调机组处于采暖模式时，通过四通换向阀改变制冷剂流向实现制冷模式和制热模式切换，制热时，制冷剂依次流过压缩机、蒸发器、节流装置、冷凝器、压缩机[3]，冷凝器从车外空气吸收热量，蒸发器向流入车内空气释放热量。当车内温度低于目标温度下限值时，压缩机就会升频，制冷剂流量变大，制热量也随之变大，车内温度就会升高;当车内温度高于目标温度上限值时，压缩机就会降频，制冷剂流量变小，制热量也随之变小，车内温度就会降低;当车内温度与设定温度偏差小于限值时，压缩机就维持当前频率继续运行。变频热泵型空调机组能量分级比定速电加热型空调机组更细致，因此，其控温准确性更高、舒适性更好。制热时，电加热型空调机组能效比为1，热泵型空调机组名义工况能效比能达到2以上，虽然热泵型空调机组随着室外侧温度降低制热能效比也会降低，但即使在室外温度-20 ℃条件下制热能效比也能达到1.3以上[4]，因此，热泵型空调机组更具有节能优势。

2    试验车辆及试验程序

本文选取了上海地铁16号线的两列车进行对比试验研究，其中一列车安装变频热泵空调机组，另一列车安装定速电加热空调机组，选择两列车的1号车和2号车进行静止升温测试、微风速测试、开关门测试[5]，被试车的主要性能参数如表1所示，两列车除空调机组不同之外，其他视为相同。

装用变频热泵空调机组车辆与装用定速电加热空调机组车辆的1号车和2号车车内布点方式相同，均参考标准EN 14750-2：2006进行温、湿度测点以及微风速测点布置[6]。两列车进行同步试验，车辆及内部设备处于正常状态，通风机正常运转，新风门处于同样开度位置。车辆静止时，进行空车升温试验，测定空调制热升温性能及耗电量，车内温度稳定后测试车内微风速，然后保持空调控制器设定温度不变，继续进行开关门试验，记录车内温度及开关门状态。

3    测试结果及分析

在上海地铁公司16号线库内进行了静止升温测试、微风速测试、开关门测试，并用电表记录了静止升温时的空调机组制热能耗值。

3.1    静止升温测试

试验时库内平均温度为7.22 ℃，两列车同时进行静止升温试验，升温曲线如图1～4所示。

由图1～4可知，在同一外部温度条件下，变频热泵空调列车温升速率要大于定速电加热空调列车，由升温阶段到稳定阶段时，变频热泵空调列车车内温度过渡平稳，而定速电加热空调列车车内温度出现了过高回调的过程，温度波动相对较大，在整个升温到稳定过程中，变频热泵空调列车车内温差比定速电加热空调列车要小。两种类型空调机组能耗变化曲线如图5所示。

从图5可知，在整个静止升温过程中，变频热泵空调机组比定速电加热空调机组耗电量少。升温60 min内，实测定速电加热空调机组耗电39.24 kWh，变频热泵空调机组耗电26.62 kWh，变频热泵空调机组节电32.16%。

3.2    微风速测试

车内微风速测试结果如表2所示。

从表2测试结果可以看出，变频热泵空调列车1号车与2号车微风速变化范围基本相同，而定速电加热空调列车1号车与2号车微风速变化范围相差较大，变频热泵空调列车综合微风速变化范围比定速电加热空调列车要小，说明变频热泵空调列车送风均匀性较好。

3.3    开关门测试

依据EN 14750-1：2006对两类空调列车进行10次开关门测试，开门时间为20 s，关门时间为2 min，测试温度曲线如图6～9所示。

由图6～9分析可知，变频热泵空调列车能够较快平衡开门给车内降温带来的影响，保持车内温度的稳定性;此外，变频热泵空调列车车内温差较定速电加热空调列车更小，说明温度均匀性较好。

4    结语

通过对上海地铁16号线选定的两列车进行静止升温测试、微风速测试、开关门测试这三方面比较，说明变频热泵空调机组对车内舒适性的调控效果要优于定速电加热空调机组，且具有一定的节电潜能。考虑到热泵空调机组随着外温降低能效比会变小且需要除霜的问题，建议对于冬季气温较高的南方地区，可以选择热泵空调机组进行供暖;对于冬季气温较低的北方地区，可以选择热泵空调机组与电加热混合供暖，这样有利于提高车辆舒适性以及节能效果。

[参考文献]

[1] 李瑞振.地铁车辆应用变频空调的节能分析[J].节能，2014，33（1）：33-36.

[2] 刘忠庆，欧阳仲志，王彦鲁，等.轨道交通车辆空调机组能耗试验方法研究[J].铁道车辆，2019，57（8）：5-8.

[3] 李颖明，李跃中.热泵技术在地铁车辆空调系统中应用可行性分析[J].电力机车与城轨车辆，2009，32（3）：45-47.

[4] 王兴江.低温热泵技术在轨道车辆空调上的应用[J].机电工程技术，2011，40（7）：165-168.

[5] 铁路应用 城市和郊区铁路车辆用空调 第1部分：舒适度参数：EN 14750-1：2006[S].

[6] 铁路应用 城市和郊区铁路车辆用空调 第2部分：型式试验：EN 14750-2：2006[S].

收稿日期：2020-01-02

作者简介：刘忠庆（1985—），男，黑龙江克东人，工程师，研究方向：轨道交通车辆空调机组能耗。