上海軌道交通列車空調系統節能方法探討

馬 文 程祖國

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，200331，上海∥第一作者，碩士研究生）

上海軌道交通列車空調系統節能方法探討

馬 文 程祖國

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，200331，上海∥第一作者，碩士研究生）

從空調系統的優化設計、節能節材和能效比方面對空調系統節能技術在上海軌道交通中的應用進行了重點研究，以提高空調機組能源利用率。研究表明：作為車輛空調節能，既要從空調的角度分析，采用變頻、熱泵等技術提高空調系統能效比，也要從車輛的角度分析，提高車輛保溫性能，降低車體傳熱系數，最終全方位實現軌道交通節能降耗的目的。

地鐵；空調；節能

First-author'saddressResearch Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，200331，Shanghai，China

根據國家《國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》對節能的宏觀戰略政策，上海軌道交通將節能放到重要位置，并于2008年開展了對軌道交通列車空調系統節能技術的試驗研究。

軌道交通列車空調系統屬于特種空調，其工作環境相對惡劣，具有使用環境冷熱負荷和電源容量變化大等特點，因此，在空調系統的優化設計、節能節材、提高空調系統的額定制冷量和能效比方面進行了重點研究。本文主要介紹了節能技術在上海軌道交通列車空調系統的應用研究情況和節能效果驗證。

1 上海軌道交通列車空調系統的技術現狀

現有上海軌道交通車輛均配有車載空調系統，以調節客室內空氣的溫度、濕度、氣流速度和潔凈度，滿足乘客舒適性的需求。每列車的每節車廂客室均構成一個完整獨立的空調系統。該系統一般由頂置空調機組（其中每臺空調機組制冷量約在35～44 kW之間）、電氣控制系統（包括溫度傳感器等）和風道系統（如靜壓式送風管道、送/回風口等）組成。

車載空調系統一般在每節客室的頂部安裝2臺空調（制冷）機組，分散地向客室內各部位送風。夏季，通過制冷機組和送風風道向內送冷風；冬季，通風機僅向客室內送風（新風與回風混合后的混合風）或是經空氣預熱器預熱后的混合風，另由安裝在客室內的輔助電熱設備（空氣加熱器）對客室加熱?？照{系統的啟動、工作與監控都是由其自身的自動控制系統來實現自動控制、自動調節。

隨著上海軌道交通的發展及客流量的逐年增加，對車輛空調系統也提出了更高要求。在適應軌道交通振動、沖擊等惡劣的運行條件下，空調機組不僅要具有較高的可靠性，還應具有良好的性能和效率。目前上海軌道交通在線運營列車空調系統存在的節能降耗方面的局限性可大致歸納為：①空調機組正常工作時制冷能力僅為兩級（兩檔）調節；②空調機組風門的調節范圍有限，不能根據客流量進行新風量的有效調節；③目前使用的空調系統的能效比（EER）略低，最高為2.3左右（A型車），而最小為1.7左右（C型車）。

2 上海軌道交通列車空調系統節能試驗研究

一般來說，在車廂負荷中，照明、設備負荷等可認為是個定值，人員負荷、人員所需最小新風的負荷以及開關門造成侵入負荷等可看成是個變值，總負荷的變化主要產生于頻繁的開關門和客流量的變化。而負荷的變化直接對制冷（制熱）量的需求產生影響。因此，在優化空調系統設計、提高能效比的基礎上，如何通過變容量的控制方式使空調根據負荷的變化進行調整以及優化制冷（制熱）量的需求，是現階段研究空調節能的主要方向。

2.1 調節控制新風量

所謂調節控制新風量就是利用新風控制，調節新風量大小，減少新風負荷，即減少新風部分的焓值和客室內廢排風的焓值之差。國外的研究機構曾做過新風控制的有關試驗，進行了控制新風的3個方案的對比試驗：①把新風閥門固定在設計新風量的開度上；②平時手動半開新風閥，客流量最大時全開；③根據客流量的多少，用CO2的體積分數來自動控制新風閥的開度。試驗結果表明：在夏季溫度最高月份，手動控制比固定控制節約能耗11.8%，自動控制比固定控制節約能耗24.9%。

因此，立足于上海軌道交通列車現有的情況，研究如何利用新風控制的方式，調節新風量大小，在不影響乘車環境舒適性的前提下降低新風帶來的熱負荷。在前期的調研與分析的基礎上，選取運營情況比較有代表性的4號線一列車上進行了新風門控制方案試驗研究：通過客室內載荷的變化，以及回風口布置的CO2的體積分數傳感器（作為CO2的體積分數上限安全保護），調節新風門的開度，以尋找到最佳的新風門開度，在滿足舒適性的前提下，實現最大限度的節能。

改造前在客室（B車）內的兩端回風口和客室中部站立區布置3個CO2的體積分數采樣點，同時在新風門也設有采樣點，監測外界環境的CO2的體積分數值，實現對4號線列車（AC05型車輛）客室內全天CO2的體積分數的監測。測試結果表明：當外界環境（地面和隧道內）的CO2的體積分數為400× 10-6～500×10-6時，客室內最大的CO2的體積分數值為1 823×10-6。該值出現在早高峰8點左右（根據原額定荷載（AW2）設計條件，乘客數為310人、新風量為3 200 m3/h、外界空氣CO2的體積分數為450×10-6條件下計算得出的CO2的體積分數標準值為2 100×10-6）。圖1所示的早高峰時段客室內CO2的體積分數監測情況，符合相關衛生標準，可見新風量的設計滿足正線的運行情況。

圖1 早高峰時段客室內CO2體積分數的監測情況

根據試驗項目的可靠性、安全性、可操作性、可恢復性的要求，在保持新風口原有的外形尺寸和安裝尺寸不變，以及核實新風量滿足設計要求的前提下，將原有的新風門改造為可調電動風門；同時通過現有的空調控制器FPC24（其數字輸入輸出端口有空余），用于控制風門的開關及接收風門位置反饋信號；并從風門調整檔位的設定、CO2的體積分數的信號采樣、電器部分改造、功能和故障控制理念以及功耗的監測等多個方面研究部署。在硬件改造和控制軟件修編的基礎上，充分考慮故障模式、自檢功能，以及控制邏輯的可調要求，在不影響原有功能的基礎上增加了新風門可調功能；當新風門位置反饋發生故障或CO2的體積分數傳感器發生故障時，通過MVB（列車控制總線）發送風門故障，同時將新風門開至最大。改造后，對列車空調機組新風量進行了測量，結果基本滿足實際要求；在線路運行試驗中，通過采用Mona軟件實時記錄了空調運行過程中的CO2的體積分數、新風量（風門開度）、新風溫度及壓縮機運行情況等。經過一段時間的跟蹤，選取CO2的體積分數采樣較高的一天數據進行分析（見圖2）得知，客室內CO2的體積分數控制在了安全衛生的要求內，風門檔位的調整也較好地覆蓋了全天低峰客流的情況。

圖2 客室內CO2的體積分數和新風門開度隨運營時間的變化情況

同時對列車運營公里數和空調機組的實際功耗進行了定期的跟蹤和記錄。根據9、10月間對新風量調節后列車節電情況的跟蹤試驗結果可知，9月份節能達13%左右。當然上述節電效果是依據試驗時的客流量（CO2的體積分數）為依據的。由于列車的運行和保養是一個動態的過程，如果試驗線總體客流量發生明顯且長期的變化，則會對實際節能效果產生影響：主要是因為該節電方式是通過減少新風負荷來實現的，乘客數量如果一直維持較高的水平，新風量供給則無法減小，相應節電量也會減少。

通過上述的試驗情況以及對客室內CO2的體積分數的監測情況，檢驗了列車在實際運營過程中客室內CO2的體積分數是否符合原設計要求，驗證了在不影響舒適性前提下的節能效果。根據本次改造試驗情況，下一步還需在以下幾個方面進一步完善：

（1）綜合考慮風門控制方式數據采樣的準確性和及時性，以及前期試驗過程中客室內CO2的體積分數的檢測情況。新風門的調節控制可以根據車輛網絡發送給新風門控制器的乘客負載信息，當車輛關門時，空調控制器接受此信號，風門可以在最短時間內將新風量調節到需要的水平。同時在客室回風口可加裝CO2的體積分數傳感器作為上限安全保護。若線路總體客流量發生明顯且長期的變化，或實際運行中舒適度需要調整，也可通過正線的CO2的體積分數取樣數據，判斷新風量大小是否需要進行調整。

（2）CO2的體積分數傳感器易被污染，需要定期維護。

（3）完善非制冷工況的新風量控制方式。

2.2 變頻控制調節負荷

分級調節是目前國內通用的變容量控制方式，主要依靠控制壓縮機的運行數量，或者控制壓縮機的運行時間來實現?，F階段上海軌道交通的在線運營列車空調系統主要通過壓縮機自身的卸載功能或采用多套制冷回路控制壓縮機的運行數量來實現容量的分級調節。而變頻空調是通過控制壓縮機電機的轉速實現容量連續調節。隨著變頻調速技術的發展，目前變頻調速技術在國內工業與民用自動控制系統中已推廣應用了十多年，在其他領域的環控系統中也有應用，但在地鐵車輛中的應用還處于初期階段。

變頻空調與普通空調或稱定轉速空調的主要區別是前者增加了變頻器。變頻器能使壓縮機電機的轉速無級連續可調，其轉速是根據室內空調負荷而成比例變化的。因此變頻制冷系統可以隨室內熱負荷的變化而調整壓縮機轉速，使制冷量與熱負荷達到平衡。在初始運行階段，變頻空調處于高頻工作狀態，壓縮機以最大轉速運轉，使室溫迅速地降低；當室溫接近到設定值時，控制程序控制壓縮機轉速降低，制冷量減少，以平衡室內的熱負荷。

傳統的定頻系統在額定頻率下運轉，面對負荷變化只能采用開停控制。當壓縮機開機后，排氣壓力迅速增加，同時壓縮機吸氣壓力迅速下降，蒸發器液態工質閃蒸，引起蒸發器內部溫度迅速下降；大量的液態工質轉移到氣液分離器中，并在其內氣化，而以液態形式離開蒸發器的工質未能起到制冷作用，使開機階段冷量反而下降。停機時，系統高溫高壓區的液態工質通過節流裝置轉移到低溫低壓區，這個節流過程是高度不可逆的自發過程，伴隨著可用能的損失。下次開機時重新建立冷凝壓力和溫度分布，多消耗的壓縮功在下一次停機時再一次耗散。可見，相比于低轉速連續工作的變頻制冷系統而言，定頻制冷系統功耗要多。

多年來，上海軌道交通在運行過程中體現的特點是：①夏季空調制冷時間較長（每年一般從4月底到10月底），每天的運營時間也相對較長；②軌道交通運行方式多樣，部分線路同時有地上和地下2種軌道運行方式，在同一時段多種工況中運行的車輛其冷負荷需求存在差別；③上下班高峰期客流量較為集中，列車運力在忙時及閑時載客量存在差距。

考慮到上述特點，變頻空調在上海軌道交通中的運用具有一定的適用性。因此，在3號線選取一節車廂進行變頻空調改造試驗。通過在原有空調系統中加裝變頻器，在一定范圍內改變壓縮機供電頻率，調節壓縮機轉速，滿足不同負荷變化下的冷量需求，解決壓縮機的頻繁啟停（啟、停之間容易造成室溫的波動和電能消耗）。

加裝變頻空調的車輛經9、10月間在線路上的運行試驗，取得了一定的節能效果：在AW2模式下，外界溫度約25℃時，壓縮機在30～50 Hz范圍內調速，節電約為11%左右；但從可靠性、能效等方面綜合考慮還存在如下幾方面問題。

（1）變頻空調處于高頻工作時相比定頻空調電耗要多，其節能優勢主要體現在可以在低頻、低制冷量的情況下運行來使供冷量與熱負荷維持平衡。由于實際制冷系統通常是在設計的額定負荷以下工作的，面對溫室效應、隧道溫升、客流增大、車門的頻繁開關等因數，特別是在高溫季節空調機組時常處于滿負荷工作狀態，這就影響到變頻空調的優點能否更好發揮。

（2）變頻空調系統中采用的變頻壓縮機與定頻壓縮機不同：①要求變頻壓縮機在整個調速范圍內確保其性能穩定和可靠；②保證變頻壓縮機潤滑面供油量的適度；③變頻壓縮機在一個寬的頻率范圍內工作，需考慮低頻共振和高頻噪聲的問題。因此對變頻壓縮機的可靠性要求更高。

（3）由于變頻空調的控制系統和變頻系統較為復雜，對元器件可靠性要求較高，因此變頻空調在軌道交通相對惡劣的運行環境下，其全壽命周期、可靠性的研究有待深化。

（4）變頻系統的電磁兼容性問題。高次諧波會降低空調系統的功率因數，造成配電系統的容量增大。

（5）目前變頻空調系統特別是針對軌道交通變頻空調系統的試驗體系存在空白，因此試驗考核標準有待進一步研究。

2.3 熱泵制熱

目前國內已裝車運營的列車空調系統絕大部分為單冷型，冬季一般僅進行通風模式工作，部分設有制熱功能的系統，則由客室內部電加熱器（部分空調機組內部還配有空氣預熱器）來實現。上海軌道交通列車空調系統的電加熱元件采用外殼為不銹鋼制成的電加熱管，管內有發熱元件電阻絲，當電阻絲通電時，會發熱并通過內部填充材料及鋼管向外界傳熱；當風量不足時，電加熱管溫度會急劇上升，使電加熱管過熱，并造成隔熱空間溫升超過隔熱材料的允許溫度，以及隔熱材料的過熱、老化。因此，需特別考慮溫度保護的可靠性。

所謂熱泵，就是一種利用人工技術將低溫熱能轉換為高溫熱能而達到供熱效果的機械裝置。熱泵機組的能量轉換，是利用其壓縮機的運轉做功，通過消耗一定的輔助能量（如電能），在壓縮機和換熱系統內循環制冷劑的共同作用下，從環境熱源（如空氣）中吸取較低溫熱能，然后轉換為較高溫熱能。簡而言之，常用的熱泵空調機組即在其空調制冷系統中裝上電磁四通閥（又稱換向閥），通過四通閥的切換方向，改變制冷劑的流動方向，空調就能實現制熱功能。

電加熱屬于阻性負載，產生的熱量就是消耗的電量，因此，利用電加熱器制熱消耗1 k W的電能，只能產生1 k W的熱量。而熱泵空調機組制熱是通過制冷劑流向切換改變工作模式，制熱時能有效利用壓縮機的功耗，制熱時間短。熱泵空調的能效比相對電加熱較高，輸入的電量僅用于給壓縮機提供動力，用于推動制冷劑的流動；而制冷劑相態的變化則產生了更大的熱量變化。

通過對電加熱和熱泵空調工作原理的分析可知，熱泵空調的能效比相對較高，符合車輛空調節能降耗的需求，所以通過優化熱泵結構的方式實現節能是比較適用的方法。但現階段熱泵空調從節能效果、可靠性等方面還存在著有待研究的方面：①熱泵空調在外界溫度低于-5℃后，制熱效果很差；此外，空調機組在低溫情況下能否正常啟動也影響空調的正常工作以及節能降耗的效果。②熱泵制熱過程中存在的換熱器結霜問題。會使機組的供熱能力下降，從而增加系統的能耗；同時，空調機組在除霜過程中，無法正常供風。③針對軌道交通熱泵型空調系統的試驗體系尚存在空白，試驗考核標準有待進一步研究。④目前熱泵空調中使用的四通換向閥是專門適用一般民用空調的，能否適應軌道交通等惡劣環境，其可靠性還有待驗證。⑤熱泵機組的能量轉換是利用壓縮機做功來實現的，因此對壓縮機使用壽命的影響是不可避免的，這無形中增加了列車空調的維護成本。

3 結語

本文探討了軌道交通列車空調系統的節能技術，研究如何提高空調機組能源利用率。但作為車輛空調的節能技術，既要從空調的角度分析以提高空調系統能效比，也可從車輛的角度分析，以提高車輛保溫性能，降低車體傳熱系數。由于空調工作時，車內外存在溫差，因此車輛的保溫性能直接關系到空調的能耗。目前，不同車輛廠生產的車輛其傳熱系數參差不齊，有的廠家為2.4 W/m2·K，有的廠家為1.8 W/m2·K左右。對于上海軌道交通目前的A型車來說，兩者會帶來每車3 k W左右的能耗差距。因此，必須從空調性能以及車輛保溫性能兩方面共同考慮，才能實現軌道交通節能降耗的目的。

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Energy-saving Method for Vehicle Air Conditioning System in Shanghai Metro

Ma Wen，Cheng Zuguo

By focusing on the optimal design of air conditioning syste，the energy-saving materials and energy efficiency technologies adopted in Shanghai urban rail transit，the improvementof energy efficiency of the vehicle air conditioning system are mainly studied.The resultsshow that either the adoption of both converter and heat pump technologies to improve the energy efficiency of air conditioning system from the perspective of vehicle air conditioners，or the improvement of vehicle insulation performance and reduction of car-body heat transfer coefficient from the viewpoint of vehicle itself，are needed for the ultimate goal of the full range of energy conservation in rail transist system.

metro；air conditioning；energy conservation

U 270.38+3；TK 018

2013-03-05）