地铁车辆空调系统能耗影响因素研究

王彦鲁,刘忠庆,孙德世,阴启明,李子建

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

随着城市经济的不断发展，城市内的交通问题日趋严重，越来越多的城市开始考虑将发展地铁、轻轨或有轨电车等不同轨道交通方式作为解决城市交通问题的策略和措施.但是在城市轨道交通中，无论是在市内和市郊地铁、轻轨等轨道车辆上，还是有轨电车上，空调系统的能源消耗问题都日渐突出.

国内外学者虽然对空调系统能耗做了很多研究，但主要是以数值计算的方式进行[1-3].本文以整车热工试验为主，整车热工试验不方便进行时，采用数值计算的方式，研究各个因素对地铁车辆空调能耗的影响，为地铁车辆空调系统的节能提供依据.

1 研究对象

本文选取青岛某地铁中间车作为研究对象，车上共安装2台变频热泵空调机组.单台机组额定制冷量为35 kW.文中载客均以AW2为定员，AW2定员为250人.

空调机组新风阀的工作位置可以通过控制系统进行设定，根据网络提供的载荷信息提供三种工作位置:

(1)当载荷<80人时，新风阀开度为1/3状态；

(2)当80≤载荷<160人时，新风阀开度为2/3状态；

(3)当载荷≥160人时，新风阀开度为全开状态.

2 研究思路和方法

车外环境温湿度、太阳辐射强度、载客量、新风量、车体K值、车内设定温度、地铁车辆运行速度以及运行过程中车门开关都能影响空调系统的能耗，各个因素对空调系统能耗影响的大小不同.

本文采用整车热工试验为主，数值计算为辅的方式，研究各个因素对空调系统能耗的影响.由于地铁车辆制热主要以电采暖为主，因此本文只针对制冷季空调系统能耗进行分析和研究. 整车热工试验是在热工试验室进行的.试验参照EN 14750-1-2006和EN 14750-2-2006进行.

地铁车辆车外的新鲜空气与车内的回风混合后会经过空调系统进行加热或者冷却，处理后的空气通过风道送到车内，车内的部分空气排至车外，更多的车内空气通过回风口与新风混合.与此同时，车内的空气会与车内外环境进行热交换.如图1所示.

图1 地铁车辆空气循环示意图

制冷剂、空气等在各个流动环节均遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒，在此基础上本文采用微元化进行数值计算.

为了验证模型的准确性，对被试车按照EN 14750进行了整车热工试验和能耗测试，结果对比如表1所示.

表1 计算结果与试验结果对比

由表1对比结果可知，计算模型具有较高的精度，可以用来计算制冷季地铁车辆空调系统能耗.

3 各因素影响分析

3.1 车外环境温湿度和设定温度

由EN 14750可知,在制冷工况中,当车外环境温度变化时,车内设定温度也是随之适应和变化的.因此把这两个因素首先综合起来研究,然后再分别讨论.

同样由EN 14750可知，在各制冷工况中，车外环境相对湿度与车外环境温度是相互对应的.因此，本文不再单独研究车外相对湿度对空调系统能耗的影响，把两个变量合并起来，仅以车外温度表示，车外相对湿度与之相对应.

表2为无载客和有载客不同车外温时空调系统平均功率变化，设定温度是参照EN 14750选取的，数据是通过整车热工试验获得的，其中设定温度参照EN 14750选取.

表2 不同外温时空调系统平均功率变化

由表2可知，虽然设定温度在提高，但随着车外空气温度的增加，地铁车辆空调系统能耗也增加.这是因为车外空气温度增加后，从车外经过车体壁面传入车内的热量增加，而且新风温度升高也会导致新风热负荷增加，在这双重因素的影响下空调系统能耗增加.并且增加幅度较大.可知车外环境温度对空调系统能耗影响大.

设定温度也对空调系统能耗有影响，理论上同样条件下，设定温度越高，空调系统能耗值越小.表3为不同设定温度时，被试车空调系统平均功率对比，表中的数据是通过数值计算获得.其中，选取的环境温度为28℃，载客为50%定员,车外无太阳辐射.

表3 不同设定温度时空调系统平均功率变化

由表3可知，车内温度设定值的减小会使得空调系统能耗大幅度增大，车内设定温度对空调系统能耗影响大.

3.2 载客量和新风量

载客量变化时，新风量也会相适应.载客量是自变量，新风量是因变量.因此把这两个因素首先综合起来研究,然后再分别讨论.本文把载客量划分为5档：0%、25%、50%、75%和100%.表4为外温28℃、31.5℃和35℃时，不同载客量空调系统平均功率对比情况，表中数据是通过整车热工试验获取的.

表4 不同外温、载客量时空调系统平均功率对比

由表4可知，随着载客量的增加，地铁车辆空调系统能耗也增加.载客负荷和新风负荷的双重增大，使得空调系统能耗增幅较大.在被试车控制逻辑中，空载和25%定员时新风量是相同的，75%定员和100%定员时新风量是相同的.由表4中可知，仅在载客量增大时，空调系统能耗增大并且增大幅度大，可知载客量对空调系统能耗影响大.

新风量增大时，空调系统负荷会增加，能耗也会相应增加.表5为不同新风量时，被试车空调系统平均功率对比.表中数据是通过数值计算获得的.其中，选取的环境温度为28℃，载客为50%定员，车外无太阳辐射.

表5 不同新风量时空调系统平均功率变化

由表5可知，新风量增大时，空调系统能耗增大.新风阀开度增大1/3时，新风量增加约867 m3/h，空调系统能耗增加20%以上，增加幅度大，可知新风量对空调系统能耗影响大.

3.3 太阳辐射强度

本文对比了不同环境温度条件下有无太阳辐射时空调系统平均功率的变化，其中不同环境温度下的太阳辐射强度参照EN14750选取.对比结果如表6所示.表中数据是通过整车热工试验获取的.

表6 有无太阳辐射时空调系统平均功率变化

由表6可知，车外有太阳辐射时，地铁车辆空调系统能耗增加.这是因为车外有太阳辐射强度增加后，车体壁面温度增高，导致从车体壁面进入车内的热量增加，并且透过车窗进入车内的辐射热增加，进而导致空调系统能耗增加.从增加幅度来看，有无太阳辐射对空调系统能耗影响大.

3.4 车门开关

地铁车辆运行过程中，车门开关比较频繁.文中开关门试验参照EN14750进行，开20 s、关2 min.开关门试验时载客量50%，无太阳辐射，连续开关门40次.有无开关门试验时空调系统平均功率对比结果如表7所示.

由表7可知，开关门试验时空调系统平均功率相比关门时地铁车辆空调系统平均功率增大，并且随着车内外温差的增大，空调系统功率增加值增大.但即使在35℃外温时，开关时空调系统功率也仅增大10%，在28℃外温和22℃外温时，空调系统功率增大幅度不足5%.

表7 有无开关门试验时空调系统平均功率及对比

地铁车辆在露天站台时，制冷季车内外温差相对非露天站台时偏大，开关门时会明显增大空调负荷，进而增加空调系统能耗，即功率增大，但增大幅度小.地铁车辆在非露天站台时，由于站台有空调，开关门时车内外温差很小，开关门时对空调系统能耗没有明显的影响.

综上可知，开关门时对空调系统能耗影响小.

3.5 车体K值

车体K值亦称车体传热系数，为单位面积的热流密度与穿过相关车辆隔热壁的车内平均温度和车外平均温度的温差值的比值.代表着车辆的保温效果.

分别取地铁车辆车体K值为实测值的50%、100%、150%进行计算.外温取28℃和35℃，载客取50%定员，无太阳辐射.得到地铁车辆空调系统能耗模拟计算结果，如图2所示.

图2 车体K值对地铁车辆空调系统能耗影响

由图2可知，随着车体K增加，空调系统功率也增加.这是因为车辆车体K值增大导致经车体壁面从车外传入车内的热量增大，进而导致地铁车辆空调系统能耗增加.从增加幅度来看，车体K值对地铁车辆空调系统能耗影响小，这是因为在制冷季，车内外温差小，由车体K值增加导致的热负荷增加幅度较小.

3.6 运行速度

运行速度变化时，车体气密性、新风量以及空调冷凝风量等都在变化.运行速度是个综合影响因素.新风量以及空调冷凝风量变化与运行线路有关，不在本文研究范围之内，故不再讨论.在不考虑车体气密性的前提下，分别取地铁车辆运行速度为30、60、90和120 km/h进行计算，外温取28℃和35℃，载客取50%定员，无太阳辐射.得到了地铁车辆空调系统能耗模拟计算结果，如图3所示.车体外表面对流换热系数取自标准TB1951-87.

图3 列车运行速度对地铁车辆空调系统能耗影响

地铁车辆运行速度提高后车体外表面对流换热系数小幅增大，从车外通过车体壁面传入车内热量增大，从而导致空调系统能耗增大.由图3可知，随着运行速度的增加，地铁车辆空调系统能耗增大幅度非常小，由此可知，在不考虑气密性的前提下，运行速度对地铁车辆空调系统能耗影响小.这是因为运行速度增大引起的车体K值增加幅度有限，并且制冷季时，车内外空气温差较小.

4 结论

车体K值增大导致经车体壁面从车外传入车内的热量增大，但由于制冷季时，地铁车辆车内外温差小，因而K值增大时，空调系统能耗增加幅度小.地铁车辆开关时会影响空调系统的能耗，但由于车内外温差小，频繁开关门引起的空调系统能耗增加幅度不大，尤其是地铁站台为封闭空间时，这部分能耗差值很小.地铁车辆运行速度提高后车外表面对流换热系数增大，从车外通过车体壁面传入车内热量增大，进而会增大空调系统能耗，但由于地铁车运辆运行速度不高，对空调系统能耗的影响很小.载客量、新风量、车外环境温湿度对空调系统的能耗影响大.当地铁车辆车外有太阳辐射时，会明显增加空调系统能耗.