基于地铁车辆定频和变频空调能耗及舒适性研究

章贺磊， 薛世城

（郑州地铁集团有限公司， 河南 郑州 450000）

0 引言

随着地球能源越来越紧缺，如何节能已经成为一个国家经济运行所面临的重要问题。地铁列车的电能消耗主要由牵引、空调、照明、控制系统组成，而空调的能耗占1/4 左右，仅低于牵引系统[1]。因此，对地铁列车空调系统节能的研究具有很重要的意义。

目前，地铁列车使用的空调有定频和变频两种，变频空调利用变频控制器来控制压缩机和冷凝风机运转速度的快慢，低负荷时压缩机以低速运转，不需要反复启停控制，很大程度上节省了空调的耗电量。为了研究列车变频空调在节能和舒适方面的可靠性，主要对地铁列车定频和变频空调的能耗以及乘坐时客室温度舒适性进行了试验对比。

1 定频、变频空调工作原理

目前，城市轨道交通车辆使用的空调分为定频和变频两种形式，列车空调系统主要包括空调控制器和空调机组，空调机组主要包括压缩机、冷凝风机、蒸发器、干燥过滤器、离心风机、温度传感器、新风和回风阀门等部件。空调系统的制冷原理：低温低压的制冷剂液体吸收混合风的热量对空气进行冷凝，制冷剂本身变为低温低压的气体，该气体通过管路进入压缩机，通过压缩机变为高温高压的气体进入冷凝器，冷凝风机对冷凝器中的冷凝剂和空气进行热交换，将冷凝剂变为常温高压的液体进入毛细管变为低温低压的液体输送到蒸发器，进而实现制冷循环[2]。

1.1 定频空调

定频空调机组采用交流电机，在自动控制方式下，其电源的电压和频率是固定的，压缩机转速基本不变，依靠压缩机的启动和停止来实现其运动过程中制冷量的调节[3]。这种控制方式一方面降低了空调机组使用寿命，另一方面导致车厢内环境温度波动比较大，形成闷热潮湿环境，很大程度上降低了乘客的舒适性。

1.2 变频空调

变频空调机组在内部增加了变频装置，在自动控制调节下，压缩机自动进行无机变速，通过改变其电源工作频率、转速和排气量的方式来进行制冷量的调节[4]。这种方式当环境温度达到设定温度时，通过压缩机低功率运作实现不停机运转，从而实现恒温控制，可提高乘客舒适度。

2 空调能耗试验和数据分析

2.1 实验车型及机组参数

本次实验选择郑州地铁9 号线0927 车，该车为6 节编组，每个车厢安装有2 台空调机组和1 个控制柜，每个控制柜单独控制本节车厢的2 台空调机组。其中1 车、2 车、3 车安装变频空调，4 车、5 车、6 车安装定频空调，车辆编组和空调安装方式如图1 所示。

图1 空调安装示意图

定频和变频空调均采用顶置单元式机组，均使用艾默生ZRH87KTE-TFD 型压缩机，制冷剂采用R407C，空调具体参数见表1。在空调机组尺寸及安装方面，空调机组外观尺寸、安装位置、线插接口均相同；在空调软件方面，空调机组根据环境温度和载荷量变化对客室温度进行智能调节，其调节变化量及目标温度设置完全相同；在空调控制方面，变频和定频空调除压缩机启动和停止控制逻辑不同外，其他功能均无差别，根据车内外温度状态分别自动控制压缩机的运行频率和启停。在每个空调电器柜安装电能表，实时记录每台空调的能耗数据。列车两端电器柜内分别安装一台里程计，统计列车实际运行公里数。

表1 空调机组参数

2.2 定频和变频空调能耗数据分析

根据2021 年正线运行数据，每月对0927 车的每台空调的用电量和列车运行公里数进行统计（见表2），实验周期为2021 年1 月1 日—12 月31 日，经历春夏秋冬四个季节，更有利于记录空调机组的耗电量。

表2 空调用电量数据

根据表2 数据可以，看出0927 车变频空调全年总用电量33 684.9 kWh，单机组平均用电量5 614.2 kWh；定频空调全年总用电量34 960.8 kWh，单机组平均用电量5 826.8 kWh；变频空调相比定频空调全年节省电量1 275.9 kWh，年度总的节能率为3.6%。

经过计算得出，0927 车定频和变频空调机组月度的百公里能耗值，如图2 所示。定频空调的耗电量比变频空调相对较高，在6—9 月定频空调百公里能耗均明显高于变频空调，最高为9 kWh；在其他月份定频和变频空调压缩机大部分时间不启动，空调能耗基本相同；在1—2 月份天气较冷，定频和变频空调均开启制热模式，空调能耗相对偏高。通过对比，变频空调年度平均百公里节省电量为1.5 kWh，在6—9 月份平均百公里节省电量为4.9 kWh。

图2 定频和变频空调月度百公里耗电量

为提高数据的可靠性，针对有效数据进行筛选，主要考虑制冷量需求高的夏季作为参考，在6—10 月份，变频空调与定频空调相比平均百公里节电量为3.913 kWh ，本次选取的列车次时间段有效公里数4.286 6 万km，则节省电量约为1 677.73 kWh，采用变频空调能节约一定的经济效益。

2.3 变频空调节电率计算

空调能耗实验共连续采集12 个月的数据，由采集到的数据计算出变频空调的节电率，如图3 所示。

图3 变频空调月度节能率

空调节电率K 计算如下：

式中：Q2为定频空调列车每公里用电量；Q1为变频空调列车每公里用电量。

由图3 可以看出，在6—9 月份单月节电率最为突出，其中最大为8 月份11.66%，最小为6 月份3.76%，平均节电率为6.48%；在1—5 月、10—12 月，变频空调节电率基本为0 或负数，此时所在地区环境温度低，新风热需求量较小，车厢内部的制冷需求不大，空调制冷使用率较低。在外界环境温度较低的情况下，客室内部有制热需求，而空调自身需要冷凝换热，定频空调和变频空调能耗都比较高，导致变频空调节和定频空调能耗基本无差异[5]。

3 客室温度及舒适性分析

车辆空调机组内部安装温度传感器，实时记录客室内部的温度值，通过对比变频空调和定频空调车辆内部的实际温度设定值，采用国际铁路联盟标准规范UIC553 曲线自动调整空调的运行参数，使整列车空调机组工作状态一致，实验结果更加准确有效，其中载荷忽略不计。

UIC553 温度控制逻辑如下：

式中：Tic为目标温度；Te为外界环境温度。

列车在运行期间，考虑变频空调在炎热时间段节能效果更为明显，因此选取时间在夏季温度在30 ℃左右更具有代表性，节能实验也更加准确有效。抽选夏季某日14：00—16：00 时间段列车空调运行数据进行分析，其中室外温度在27～36 ℃，定频空调与变频空调机组的列车客室温度对比曲线，如图4 所示。

图4 车内温度数据变化曲线

由温度波动曲线可以看出，变频空调最高温度25.3 ℃，最低为23.5 ℃，平均值为24.62 ℃，温度波动范围24.4 ℃±0.9 ℃；定频空调最高温度为25.6 ℃，最低为23 ℃，平均温度为24.72 ℃，温度波动范围24.3 ℃±1.3 ℃。安装变频空调和定频空调的车厢内部温度变化趋势基本一致，车厢温度围绕系统设定温度上下波动。安装变频空调的车厢平均温度比安装定频空调的车厢低1 ℃，安装定频空调和变频空调温度波动差值分别为2.6 ℃和1.8 ℃。由此可知，变频空调的车厢内温度波动幅度小，趋近于系统设定温度，控温能力较好，且乘坐舒适性更高。

4 结论

在郑州地铁0927 车2021 年全年运行期间，通过定频和变频空调能耗和舒适性的对比，可以得出以下结论：

1）变频空调在夏季的节能率较高，最高节能率为11.66%，平均为6.48%；在春秋冬季节节能量较低，因为夏季外界温度较高，压缩机处于满负荷运行状态，因此，变频空调在夏季整体节能效果较为明显，在地铁列车上经济效益更高。

2）在舒适性方面，当外界温度较高时，变频空调可通过改变压缩机的运行频率控制空调制冷效果，进而控制车厢温度趋近于设定温度，其温度控制能力较好。安装变频空调的车厢温度波动小，波动范围在±0.9 ℃，乘坐舒适性更高。