地铁列车空调温度控制策略研究

王志文 韩晓辉 陈林泉 郑 磊

(广州地铁集团有限公司 广东 广州 510380)

0 引言

随着乘客对地铁列车舒适性要求的提高，空调系统作为地铁车辆中不可缺少的部分显得极为重要。尽管国内外不同车辆及空调厂家对地铁列车空调系统控制策略有诸多研究，但由于国内尚没有地铁列车空调温度控制的相关标准，目前仍主要借鉴国外标准UIC 553—2004[1]。广州地铁基于大载客量的实际运用情况，近年来已引入载客量作为空调控制策略的变量，但因不同地理、气候环境、人体感受的差异，乘客对客室温度不满的投诉时有发生。

常规的隧道线路，列车处于阴凉的环境下，环境温度较稳定，客室空调目标温度保持在一个舒适的状态下。对于广州地铁14号线这种高架区段占比高的线路(线路全长54.4 km，高架线路32.6 km，高架车站7座)，一般制冷季晴朗天气下高架区段的环境温度高于隧道区段1 ℃，相应的客室空调目标温度也会升高，另列车客室玻璃受太阳直射也容易导致客室乘客有闷热感。

传统的降低闷热感的方法主要有增加新风及降低目标温度两种方法，该两种方法均会增加空调能耗[2]，间接增加整车能耗。根据测算，空调系统能耗约占列车辅助系统能耗的80%，占列车总能耗的21%左右[3]。

因此，需要对空调的控制策略进行优化，以适应外界环境的变化，确保客室内乘客的舒适性，同时尽可能降低空调系统的能耗。

1 现有目标温度控制策略

广州地铁14号线使用的B7型车，采用单冷空调，设计时在UIC 553标准特性曲线的基础上，加入了载荷控制，使得空调机组制冷量能够根据不同的负荷条件自动减少或增加[4]，具体温度控制曲线如图1所示。曲线中设置温度Tin,即为客室目标温度；曲线中新风温度Tou,即为平均室外温度。

图1 B7型车客室温度控制曲线

2 现有压缩机启动控制策略

2.1 整车空调机组压缩机启动策略

空调启动时间窗口时序图如图2所示，准备开启制冷或降级制冷工况时，首先以系统区分，判断空调机组中所有压缩机累计运行时间的长短。在启动制冷或要求制冷升级过程中，遵循的原则是先启动系统中运行时间短的压缩机，再启动运行时间长的压缩机；反之，在停止制冷或要求制冷降级过程中，先停止系统中运行时间长的压缩机，再停止运行时间短的压缩机。

图2 压缩机启动时序图

为避免交流负载启动冲击，每台压缩机遵循顺序启动原则(18 s为一个周期，一个周期内有1 s的启动窗口)。压缩机启动2 min后才允许停止；当压缩机停止时，需停止2 min后才允许重新启动。

2.2 单个空调机组压缩机启动策略

B7型车单个空调机组配置4台压缩机，分成独立的两组，每组制冷回路由2台压缩机并联。当空调控制器检测到室内温度高于目标温度时立即启动压缩机运行进行制冷：

高于目标温度0.5 ℃内，启动1个压缩机；

高于目标温度0.5 ℃～1 ℃，启动2个压缩机；

高于目标温度1 ℃～1.5 ℃，启动3个压缩机；

高于目标温度1.5 ℃以上，启动4个压缩机。

3 现有目标温度、压缩机启动策略运用情况

3.1 乘客舒适度

根据实际运营反馈，每年5月开始随着气温的上升，乘客投诉客室闷热情况时有发生，且以高架段闷热投诉为主，经统计广州地铁14号线仅2020年5～6月就有5起闷热投诉，且全部在高架段。

3.2 压缩机工作效率

根据理论计算，空调系统压缩机从启动到建立压力制冷约需1 min，如果一台压缩机启动2 min后停机，压缩机工作损耗将占50%。结合实时监测数据，在低峰期(室外温度约30～35 ℃，下同)，每个制冷回路的压缩机启动4 min后停机，若按此计算，压缩机工作损耗占25%。

4 目标温度、压缩机启动控制策略优化

4.1 总体思路

4.1.1目标温度控制策略总体思路

为提高乘客舒适度，消除高架区段与隧道区段室外温度对空调系统控制的影响，本文提出了高架模式的温度控制，即在室外温度达到一定阈值时，高架区段目标温度在现有控制策略基础上降低1 ℃(即-1 ℃) 。

4.1.2压缩机启动控制策略总体思路

对单台空调压缩机而言，当压缩机开启数量为2台时，能效比最高，为2.62。为实现节能降耗，需充分利用2台压缩机能效比高的节能潜力，减少压缩机短暂启动带来的建立压力损耗。

4.2 控制原理

4.2.1目标温度控制策略优化原理

信号系统将列车区段号及偏移量发送给车辆列控系统，车辆列控系统通过运行距离换算进行列车位置定位，区分出高架区段与隧道区段，当列车在高架运行且检测到室外温度达到28 ℃时，启动高架区段客室目标温度“-1 ℃”策略，即“高架模式”，控制原理图如图3所示。此外，为实现高架区段与隧道区段客室空调温度平滑过渡，对列车控制系统软件进行修改，在软件中增加过渡区域，也即当列车由隧道段进入高架段的前500 m，提前启动空调系统“高架模式”，当列车由高架段进入隧道段的前500 m，提前关闭“高架模式”。

图3 空调“高架模式”控制原理图

4.2.2压缩机启动控制策略优化原理

对压缩机的启动条件进行调整，将2台及以上压缩机启动的条件整体上调，通过修改空调控制系统程序，实现压缩机启动的数量控制(见表1)。

表1 压缩机启动条件变化表

4.3 阈值参数设定

4.3.1启动高架模式控制的阈值设定

根据近两年14号线乘客投诉客室闷热、过冷时实际目标温度值的统计，乘客投诉闷热时目标温度在25.5 ℃以上的占比达87%，乘客投诉过冷时目标温度低于24.4 ℃的占比达92%，也即目标温度24.4 ℃～25.5 ℃之间的投诉率最低，可认为该目标温度范围为乘客舒适区间。

根据B7型车客室温度控制曲线，载客人数低于40人/节时，目标温度Tc=21.54+Tou×0.14，当室外温度Tou=28 ℃时，目标温度为25.46 ℃，此时执行目标温度-1 ℃，则目标温度为24.46 ℃，处于舒适区间。一旦室外温度低于28 ℃，目标温度将跳出乘客舒适区间，故将启动高架目标温度-1 ℃控制的阈值设置为室外温度大于28 ℃。

4.3.2高架模式目标温度降低度数阈值设定

因地铁列车运营期间进、出站会开、关车门，在设定车内温度为25 ℃、室外平均温度为35.32 ℃、车外平均湿度为72.29%的工况下，列车频繁开关门时，客室内平均温度将上升0.91 ℃，且室外温度越高，开、关门时平均温度上升得越高。根据B7型车客室温度控制曲线，室内温度依靠目标温度来调节，故将高架模式目标温度降低数值的阈值设置为-1 ℃。

4.3.3压缩机启动温差调整范围阈值设定

对单台空调压缩机而言，当压缩机开启数量为2台时，能效比最高，为2.62。为实现压缩机最大限度地工作在能效比最高的状态，将启动2台压缩机的条件从客室温度小于目标温度1 ℃放宽到1.5 ℃，同时对启动3台、4台压缩机的条件同步调高了0.5 ℃。

5 策略优化后的使用效果

5.1 舒适性

14号线于2020年8月完成列车空调系统软件升级，升级后高架区段在室外温度高于28 ℃时目标温度自动-1 ℃，目标温度在高架区段处于舒适区，具体温度跟踪情况如图4所示，且自投用以来实现零投诉。

5.2 节能

为对比优化前后的控制策略对能耗的影响，分别在同一列车的2个单元车，配置上述两种控制策略的程序，并连续多日进行对比跟踪。优化后的控制策略相对于优化前的控制策略，压缩机平均负荷率、平均运行时间均有所降低，其中B车降低幅度最大，具体结果如表2所示。

图4 空调“高架模式”目标温度对比图

表2 控制策略跟踪对比记录

综上所述，优化后的控制策略相对优化前的控制策略，节电约200度/天/列，按照14号线17列车上线运营来计算，全天可节约3 400度。

6 结束语

空调系统不仅直接关系到乘客体验，还影响到整车的能耗，空调系统的控制策略应考虑所在地区的气候特点和环境条件因地制宜进行设计。本文基于广州地铁14号线高架区段的特点，介绍了地铁列车空调客室目标温度及压缩机启动的控制策略，在分析原有控制模式弊端的基础上，提出一种基于高架线路的新型目标温度控制方案及压缩机启动控制方案，并运用于实际列车，在提升乘客舒适度的同时，降低了空调能耗。