郑州地铁车辆定频与变频空调能耗对比研究

王自鑫 冯俊杰 李冰

摘 要：本研究介绍了郑州地铁定频和变频空调机组试验列车配置情况，并对车辆定频和变频空调控制原理进行了阐述。空调系统是与车辆整车性能密切相关的重要部件，夏季能耗占比较大。因此，对比分析了夏季制冷月份定频空调和变频空调的能耗。结果表明：试验条件下，变频空调机组较定频空调机组更加节能，在7—8月节电率约为10%。

关键词：车辆空调系统;定频;变频;能耗

中图分类号：U270.383 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）34-00-04

Comparative Research on Energy Consumption of Fixed Frequency and Inverter Air Conditioner in Zhengzhou Metro Vehicle

WANG Zixin FENG Junjie LI Bing

（Zhengzhou Metro Group Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： This study introduces the configuration of test train of constant frequency and variable frequency air conditioning unit in Zhengzhou metro， and expounds the control principle of vehicle constant frequency and variable frequency air conditioning. Air conditioning system is an important component closely related to the performance of the whole vehicle， and its energy consumption accounts for a large proportion in summer. At the same time， the energy consumption of fixed frequency air conditioning and variable frequency air conditioning in summer refrigeration month is compared. The results show that under the test conditions， the variable frequency air conditioning unit saves energy compared with the constant frequency air conditioning unit， and the power saving rate is about 10% from July to August.

Keywords： vehicle air conditioning system;fixed frequency;frequency conversion;energy consumption

隨着郑州市经济的快速发展和国家中心城市建设步伐的加快，城市轨道交通建设力度不断加大。地铁电客车电能消耗主要由牵引和空调两个系统产生，其中空调系统能耗占车辆总能耗的20%～30%[1]。因此，研究地铁电客车空调系统的节能具有重大意义。

郑州地铁根据夏季城市气候特点和车辆运营实际情况，选定城郊线电客车作为定、变频空调能耗试验列车，变频机组安装在列车1单元，定频机组安装在列车2单元。为了准确研究城郊线电客车变频空调的节能性，本试验通过实测手段，利用空调控制柜中的电能表记录列车两种空调在相同运营工况下的单元能耗，结合电客车走行千米数进行对比分析，以期为后续新车采购时空调选型提供科学的依据。

1 定频和变频空调控制原理

1.1 定频控制原理

定频空调主要由空调控制器和空调机组组成。1台控制器控制一节车的2台空调机组，如图1所示。空调控制器由主控制器、断路器、接触器、马达保护器及中间继电器等控制器件组成。空调机组由通风机、冷凝风机、压缩机、电磁阀、冷凝器、蒸发器及毛细管等部件构成。

定频空调机组控制逻辑较为简单，通过压缩机的启停来控制客室内温度[2]。在压缩机运行期间，空调机组持续输出最大制冷量。当温度达到设定点时，机组内两台压缩机逐台关闭，可进行两挡制冷量调节。

1.2 变频控制原理

变频空调是指空调机组根据负荷大小，其制冷能力在一定范围内进行连续变化的空调。在结构上，变频空调和定频空调的主要区别是前者配套了可变速的变频压缩机、变频控制板和改变制冷剂节流性能的电子膨胀阀。

变频压缩机的电动机转速是根据客室内空调负荷而成比例变化的。当室内温度和设定点温度差值较大，需要急速降温或升温时，空调负荷加大，压缩机转速加快，制冷量就按比例增加;当客室内温度达到设定点温度时，压缩机处于低速运转，从而保持客室内温度不变。

定频空调机组制冷量分挡控制，所以客室内温度波动范围相对较大。变频空调机组制冷量在一定范围内可以无极调节，在所需制冷负荷不发生剧烈变化时，可以更精准地调节室内温度[3]。图2为定频空调和变频空调相对目标设定温度的变化曲线。

2 空调能耗试验方案

在新车设计建造之初，通过技术方案设计、论证、装车及功能测试验证，最终在郑州地铁城郊线选取两列同一平台车型分别完成了一个单元的变频空调安装调试工作，同时完成了能耗数据、走行千米数监测计量设备的安装和核准工作，具备了能耗对比测试的技术条件。另外，测试过程中，保证两列安装变频空调机组的地铁列车客室温度设定一致和在一个相对长的测试周期内基本一致的运用工况。

2.1 空调机组装车

在郑州地铁城郊线两列试验车（0926车、0927车）的Tc1车、Mp1车、M1车上分别安装KLR-35V型变频空调机组，而在Tc2车、Mp2车、M2车上均保留原来的KLD-35型定频空调机组不变，空调安装示意图见图3。

2.2 能耗及千米数监控

在客室空调控制柜内为每台空调机组安装1台iEM3150系列综合监控电能表，通过监控空调机组对应的三相380 V电缆每一相的电压和电流，以及RS485与主控制板的通信，准确记录并显示出每台空调机组的总用电能耗。监控电能表接线原理见图4。

在两端司机室电气柜内分别安装1台记录列车走行千米数的里程计，见图5。为减少记录千米数数值误差，每次记录数据以1车的里程计数值为统计依据。

2.3 試验机组参数

在空调机组硬件配置方面，试验用变频空调和定频空调除压缩机电机形式、节流元件、控制方式外，其余性能参数基本保持一致：制冷剂R407C，制冷量35 kW，送风量4 500 m/h，新风量1 468 m/h，额定制冷功率

18 kW;两组空调机组的尺寸、对外接口、质量也基本一致。排除机组型式不同对试验数据的影响外，保证数据准确性。试验空调机组参数见表1。

3 空调能耗对比分析

郑州市属北温带大陆性季风气候，冷暖气团交替频繁，春夏秋冬四季分明。夏季比较炎热，降水高度集中;秋季气候凉爽，时间短促。全年平均气温为15.6 ℃;8月份最热，月平均气温为25.9 ℃。地铁车辆空调会在6—7月进入制冷状态。进入8月，高温持久稳定，昼夜温差小，此时的空调机组基本都处于全负荷运转状态。随着时间的推移，到10月份，昼夜温差开始增大，地铁车辆空调的运转从夏秋过渡季节逐渐转为通风状态[4]。

3.1 能耗评价指标

为准确反映列车上线载客运营与空调能耗的关系，研究者使用空调节电率K衡量列车空调机组每千米的用电量[5]，公式为：

式中：Q为定频空调列车单元每千米耗电量;Qb为变频空调列车单元每千米耗电量。两个参量的计算方法分别见式（2）和式（3）。

式中：P表示每节车2个空调机组的总能耗，这里X指Tc、Tc、Mp、Mp、M、M;S表示列车在该记录时间段内的走行千米数。

3.2 能耗试验结果

根据试验电客车空调运营现状，对智能变频空调与定频空调5—10月共6个月的能耗数据进行统计，并记录走行千米数。经过计算后，得到库内和正线不同工况下电客车定频空调和变频空调的能耗数据，如表2所示。

由表2可知，试验用的6台变频空调与6台定频空调相比，6—10月份，在相同工况下，变频空调比定频空调节能，节电率为1.67%～10.9%。综合考虑库内与正线情况的不同，车辆载客率和外界环境温度也是动态变化的。上述变频空调节能只适用于该工况下的试验列车。

3.3 试验对比分析

考虑到郑州市夏季高温分布时段，图6为试验车辆单元机组每千米的总能耗量对比。从图6可知，5月份两种空调机组能耗相同，空调未进入制冷模式，仅进行空调通风，因此能耗相同。6—10月，变频空调每月每千米能耗均小于定频空调，总体上变频空调比定频空调节能。其中，5—8月定频、变频空调机组每千米耗电量均不断上升，分别从0.419 kW·h上升至1.166 kW·h和

1.063 kW·h，8月份达到最高峰，9月和10月又呈现出下降趋势。综上，空调能耗大小与月份密切相关，8月份平均温度最高，制冷需求量大，因此两种空调能耗均表现为最高。

为研究变频空调相比定频空调在不同制冷月份的节电表现，综合了两列试验列车的实测数据。图7为试验车辆变频空调在不同月份的节电率走势。5月份因无制冷需求，通风模式下两种空调机组无节电差别。在气温较高的7月和8月，变频空调节电率达到最高，平均值约为10%，因此制冷需求强烈，空调机组满载运营时间长，压缩机能耗在整个空调机组用电量中的占比高，变频压缩机会比定频压缩机更省电。其他月份，空调机组制冷不能全负荷运营，定频空调机组会出现半载或变频空调机组降频甚至通风的工况。减载模式下，变频空调的节电率

会下降。

4 结论

通过对郑州地铁电客车定频空调与变频空调能耗进行对比试验，可以得出以下结论。

①夏季制冷月份，变频空调机组与定频空调机组相比，在减少电能消耗方面具有一定的优势。气温较高的7月和8月，变频空调节电率约为10%，在节能降耗、减少二氧化碳排放方面具有重大意义。可见，轨道交通车辆采用变频空调技术是轨道交通发展的必然趋势。

②车辆变频空调技术在轨道交通行业内的发展处于应用起步阶段，在车辆30年寿命周期中运营检修、成本核算等方面，应重点关注车辆变频空调在后续运营检修中的实际表现。

参考文献：

[1]肖滋洪，匡美娟，郑永腾.车辆变频空调节能技术探索与实践[J].电力机车与城轨车辆，2017（6）：64-66.

[2]张永利，孟胜军.轨道车辆变频空调机组在轨道交通中的节能分析[J].现代城市轨道交通，2012（6）：9-22.

[3]崔军胜，王佳.城市轨道车辆定频空调机组与变频空调机组对比分析[J].学术研讨，2019（3）：211-214.

[4]朱洪磊，邬春晖，李琦.地铁车辆智能变频空调全制冷季运行节能试验研究[J].电子质量，2020（10）：85-90.

[5]黄萍，代秀秀.广州地铁二号线A5型车空调能耗及客室舒适性调查与分析[J].机电信息，2017（12）：145-146.