智能型变频空调在北京新机场线的应用

王 磊,孙 琳,孙靖飞,张晓伟,蒋政言

(山东朗进科技股份有限公司,山东 青岛 266071)

随着国内轨道交通的飞速发展,以及国家“十四五”规划的推出,轨道车辆部件的智能控制、绿色低碳已成为了新的发展方向[1]。智能型变频空调作为在商用空调和家用空调领域已经得到广泛验证的技术,拥有能耗低、舒适性高、维护成本低等优势[2]。而该技术在轨道交通车辆空调领域的应用,也已得到了各大城市运营商、车辆厂以及空调制造商的研究、实施和推广[3-5]。

北京轨道交通新机场线车辆以CRH6F型城际动车组技术平台为基础打造,搭载了山东朗进科技股份有限公司研发的智能型变频空调系统,结合了地铁空调和国铁空调的先进技术。本文针对该空调系统的方案进行解析,分析其技术原理及特点。

1 北京新机场线线路概况

北京市处于华北平原北端,属于中纬度暖温带气候,冬夏季温差较大。同时新机场线是目前中国首个市域全自动无人驾驶快速轨道交通线,列车最高运行时速160 km,全线长41.365 km,其中高架长17.67 km、U 型槽和地下长23.695 km,单节车厢定员(AW2)约140人。

综合新机场线复杂多变的线路环境条件,车辆空调需要根据不断变化的外界和车内环境,对制冷量进行实时的调节,才能满足乘客的舒适性需求。因此,搭载智能型变频空调系统,成为该线路车辆的首选方案。

2 智能型变频空调方案

北京新机场线客室空调机组采用机电一体化设计,变频器与空调机组实现了一体化组装,使设备布置简单,安装简易、操作安全。同时空调机组集成了压力波保护装置和空气净化装置,在实现空调通风、环境控制功能的同时,达到了空间的最大化利用。

每台空调机组配备有2套相互独立的制冷循坏系统,配备有压力传感器、电子膨胀阀等智能检测设备,实时对空调机组的运行状态进行监控和调节。空调机组的制冷系统原理图如图1所示。

图1 北京新机场线智能型变频空调系统原理图

2.1 空调机组智能变频控制

空调机组采用智能控制器,结合机组内部的多个传感器及智能检测设备,对空调机组的运行状态进行实时监控及调节。压缩机变频器采用智能控制,可根据车内外温度的变化,自动调节压缩机的运转频率,以适应不同的制冷量需求,达到舒适和节能的目标。同时空调机组的新风阀可根据车辆的载客量,进行自动调节,以在满足乘客新风量要求的前提下,减小新风负荷,进一步实现能源节约。

2.1.1 变频空调制冷原理

变频空调采用变频压缩机,通过变频器调节压缩机的运转频率,以实现空调制冷量的实时调节。北京新机场线车辆的客室空调为变频单冷型,即空调具备制冷功能,同时配备有电加热功能,制冷季节运行压缩机进行制冷,制热季节运行电加热进行制热。每台空调由2个独立的空调系统组成,额定制冷量为29 kW。该系统可以实现在30～126 Hz(2台压缩机各运转63 Hz)之间的连续调整,以此来满足车辆内不同载荷、环境温度变化时的制冷量需求,实现对车内温度的精确控制。表1和表2分别为北京新机场线车辆客室空调的额定制冷工况,以及额定制冷工况下不同压缩机运转频率时测定的制冷量。

表2 北京新机场线智能型变频空调在不同压缩机运转频率下的制冷量和功率

由表2可以看出,单台压缩机运转频率在30 Hz时,制冷量为11.2 kW,2台压缩机运转频率在63 Hz时制冷量为31.1 kW。运转频率可从30～126 Hz(2台压缩机各运转63 Hz)以1 Hz为单位连续调节,制冷量可从11.2～31.1 kW连续变化,相较于定频空调无法进行制冷量连续调节的缺点,变频空调可以更好地适应车辆内外不断变化的环境,进而提高乘客的舒适性。

2.1.2 变频空调和定频空调的控制方案对比

定频空调主要依靠开启和关闭压缩机来调节其本身的制冷量输出,进而调节车辆内的温度。考虑到压缩机的润滑,在其开启之后,必须令压缩机运转足够的时间,润滑油才能正常回流到压缩机;同时压缩机停机后,必须停止足够的时间,才能保证下一次开启之前,空调系统的高压压力和低压压力达到平衡,避免压缩机带载启动造成的异常磨损。定频空调通常在程序中设定,每次压缩机开启后,必须运转2 min以上才能停机,每次压缩机停机后,必须停止2 min以上才能再次开启[6]。当车内热负荷急剧变化时,如果压缩机的运转时间正处在上述的延时时间内,压缩机无法及时跟踪车内温度的变化而开启或关闭,就会造成车内温度的波动,影响乘客的舒适性。且压缩机每次停机而后启动的过程都会产生开关损耗,停机时将制冷系统的压力释放,在下次开机时,又需要重新建立压力,在此期间,消耗了能量,却无法提供制冷量,造成能源的浪费。

智能型变频空调通过实时监测车内温度及其变化速率,采用模糊智能PID(比例、积分、微分)控制计算,快速改变压缩机的运转频率,令空调系统输出的制冷量与车辆内的负荷相匹配,以达到迅速降低车内温度的目的[7]。当车内温度降低至设定温度后,再控制压缩机维持在适当的运转频率上,以维持车内温度的恒定。当车内的热负荷或者温度急剧变化时,可以实现压缩机运转频率的快速调整,以迅速匹配当前的制冷量需求,从而实现对车内温度的快速跟踪与调节。

2.1.3 变频空调节能原理

变频空调采用智能控制,在车内热负荷恒定、温度达到设定温度时,压缩机通常在低频状态下运转。而压缩机在低频状态下运转时,由于压缩机的排量减小,冷凝器和蒸发器的面积不变,则相对换热面积变大,此时空调的制冷效率提高,单位制冷量的能耗降低,即空调的制冷能效比提高。

同时,变频空调的制冷量输出可以在较大的范围内连续调整,从而适应不同的车内负荷,减少了压缩机停机的次数,因而减少了压缩机的开关损耗。因此在长期运行的情况下,变频空调更加节能[8]。压缩机低频运转时,容积效率提高,相应的能耗降低,也是变频空调节能的主要原因之一[9]。

2.1.4 变频空调节能数据

因新机场线全线使用变频空调,故未对本线路空调机组进行定频空调和变频空调的耗电量对比,调取北京其他地铁线路的节能数据如表3所示。从以上数据可看出,使用变频空调相较于定频空调可实现20%以上的节电率。

表3 北京某线路轨道车辆空调节能对比数据

2.2 压力波动保护技术

列车高速行驶时,当出现列车交会或者进出隧道的情况,车辆之间或者车辆和隧道之间的气体瞬间产生的剧烈压缩或者膨胀,会产生压力的波动,如不采取措施,这种压力的波动将通过废排装置出风口或者空调机组新风口传入车内,造成乘客耳部的不适[10]。

为避免空气压力波动对车厢内造成影响,提高客室的舒适性,北京新机场线列车在头车安装压力保护控制装置,通过检测车厢内外空气压力变化,输出控制信号驱动控制板上继电器动作,继电器的触点控制外部器件动作,从而实现对相应阀门的控制。通过控制废排装置压力保护阀和客室空调机组压力保护阀的开启和关闭来避免空气压力波动对车厢内造成影响,同时可以将反馈信号传递给相应的控制器来确定压力保护阀的工作状态。

在客室空调机组和废排装置中设置压力波保护阀,沿用了城际动车组和高速动车组的设计,试验数据表明,在使用了压力波保护阀后,车辆交会时车内的最大压力变化仅为车外的1.6%,远小于压力变化环境下人体舒适性标准(1 250 Pa/3 s)[11],确保了列车在160 km/h高速行驶时车内乘客的舒适性。

2.3 低温等离子空气净化技术

北京新机场线智能型变频空调系统还搭载了新型的低温等离子空气净化装置。低温等离子空气净化技术是通过低温等离子体制造臭氧进行空气净化的技术。“低温等离子体”是继固态、液态、气态之后的物质的第四态,当外加电压达到气体的放电电压时,气体被击穿,产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高,但重粒子温度很低,使整个体系呈现低温状态,所以称为“低温等离子体”[12]。低温等离子技术是电子、化学、催化等综合作用下的电化学过程,是一种全新的技术。

等离子体场中含有大量的高能自由基,能直接与微生物内蛋白质和核酸物质发生反应,导致微生物的死亡。等离子体产生的激发态高速粒子,直接对细菌、病毒体进行高速射击,致其死亡,而且具有广谱性。等离子导电流中含有大量活性氧原子、氢原子、高能自由基等活性物质,能使各种污物得到快速分解消除,同时空气中的有害气体和有机物在电子网的冲击下,被分解成水分子和二氧化碳[13]。

针对空气净化装置的净化效果,委托在试验室中做了相应的试验验证,净化前后的撞击菌落数据如表4所示。

表4 开启空气净化装置前后菌落数量对比 CFU/m3

低温等离子空气净化装置兼具杀菌消毒、除甲醛等芳香族化合物、除烯烃类化合物、除异味的功能,对车辆内的空气实现了更加全面的净化,是北京新机场线智能型变频空调系统的又一大技术改进。

3 结束语

通过对北京新机场线所应用的智能型变频空调系统进行方案解析,可以看出,智能型变频空调系统有以下几点优势:

(1) 空调机组智能控制,实现运行状态实时监测及调节;

(2) 压缩机变频控制,更加舒适且节能;

(3) 搭载压力波保护装置,确保列车提速后乘客的舒适性;

(4) 搭载新型的低温等离子空气净化装置,可全面净化车内空气。

综合以上的优势,智能型变频空调系统方案已成为轨道交通领域的发展趋势。目前,我国自主研发的“复兴号”标准动车组已经采用了智能型变频空调系统,而本次在北京新机场线车辆上的应用,有助于智能型变频空调系统在市域列车空调领域的推广。