地鐵車輛變頻空調的探究

陳耀瑩

摘要：隨著全球經濟的發展，節約能源與環境保護逐漸成為可持續發展的主題，軌道車輛用空調是主要耗電裝備，應是節能減排重點之一，具有變頻技術的節能型地鐵車輛空調將是未來主要的市場需求。本文對地鐵車輛變頻空調進行了探究，以供參考。

關鍵詞：變頻空調；地鐵車輛

1 地鐵車輛變頻空調機組系統概述

變頻空調是在定速空調的基礎上選用了變頻專用壓縮機，增加了變頻控制系統，采用變頻原理，利用二次逆變得到的可變化交流電源來調節壓縮機轉速，從而改變管路中制冷劑循環量，控制壓縮機輸出能力。它的基本結構和制冷原理與普通的定速空調完全相同。

變頻空調在額定頻率運行時，由于變頻器本身需要消耗少量功率，與定速空調相比能效比稍低，此時節能性不突出，但其舒適性高。當空調運行在低制冷負荷工況時，定速空調需要通過開停壓縮機來實現制冷能力調節，頻繁啟停壓縮機導致能耗增加。而變頻空調通過自動調整合適的壓縮機運行頻率，實現不停機運轉，從而達到高效節能的目的。

1.1空調機組構成

空調機組由變頻器、全封閉渦旋變頻壓縮機、蒸發器、冷凝器、干燥過濾器、節流裝置、連接管路、蒸發通風機、冷凝風機等組成。機組設置了壓力保護開關保護，以保證制冷系統安全可靠的運行。空調機組內的系統管路和接線完好，并進行了隔熱保溫處理，制冷系統進行檢查及干燥，充注足夠量的制冷劑。

1.2制冷系統

空調機組具有2套獨立的制冷循環，采用熱力膨脹閥節流，制冷劑R407 C，壓縮機采用谷輪變頻臥式渦旋壓縮機，冷凝器和蒸發器采用導熱性高的銅管套帶親水膜涂層的鋁翅片組成的管翅式換熱器，制冷系統原理圖如圖1所示。

注：1一蒸發風機；2一蒸發器；3一熱力膨脹閥；4-視液鏡；

5-干燥過濾器；6一冷凝器；7-壓縮機；8-高壓開關；

9-低壓開關10一冷凝風機；11一電磁閥

圖1 制冷循環原理示意圖

1.3變頻空調的節能控制設定

1）利用變頻器提高空調能效比。

傳統空調的溫度控制是由不同的工況來控制的，也就是控制壓縮機的啟停；制冷工況主要有通風、半冷、全冷；變頻器的優點是能控制著壓縮機在一定范圍不同功率輸出，使空調能效比提高，從而達到節能效果。定頻與變頻控制運行示意圖如圖2所示。

定頻

（b）變頻

圖2定頻與變頻控制運行示意

2）初始化并計算運行頻率頻率控制邏輯空調機組內變頻器得電后，初始化處理（用于變頻器啟動延時和檢測是否正常運行信號生效），根據獲得的新風溫度和回風溫度，計算出當前運行頻率頻率控制邏輯圖如圖3所示。

圖3 頻率控制邏輯圖

3）變頻器運行曲線。

為了減少車廂內的溫度波動和快速達到溫控目的，變頻器根據新風溫度計算出UIC553目標溫度溫度Td為：

Td =22+0.25×（Tf -19） （1）

式中：Tf一新風溫度。

變頻器獲取UIC553目標溫度后，變頻器按PID運算法則靠近目標溫度和回風反饋趨勢，輸出不同頻率，使壓縮機在不同頻率運行，使空調機組實現恒溫溫度控制。

2 某地鐵線的車輛變頻空調模擬運行的節能試驗

本模擬試驗在試驗中心內進行，采用某地鐵線的車輛定頻空調機組以及在其基礎上改進的變頻空調機組，為了驗證變頻空調機組的節能率，通過模擬不同負載，對比定頻空調機組和變頻空調機組的能耗，驗證變頻機組實際能效果UIC553溫度曲線和變頻器PID控制曲線如圖4所示。

2.1試驗前提條件

1）試驗條件選取

按地區各月的氣溫看，有制冷需求的月份主要在3月～11月（氣溫超過19℃）。6月～9月相對氣溫較高，一般空調處于全冷狀態；；3月、4月、5月、10月、11月的平均溫度在18 ～25℃其間空調處于啟停或半載半冷狀態。

（a）溫度曲線

（b）控制曲線

圖4 UIC553溫度曲線和變頻器PID控制曲線

1月、2月、12月空調主要是通風，6月—9月空調基本處于全冷，這兩個階段變頻較于定頻沒有較大的節能性，變頻的節能性主要體現在3，4，5，10，11這幾個月（暫時忽略6月—9月階段承載人員變動方面的節能性）。由此選取的外溫范圍21—29℃。

2）制冷目標溫度值。

根據國際通用標準，制冷目標溫度按UIG553曲線得出，該目標溫度值限制在22—27℃，是一個舒適的范圍區。空調控制柜通過感應室外溫度和回風溫度，根據目標溫度，自動調節機組的的運行。

3）車輛載員情況。

將車輛載客量分為低峰、平峰、高峰3個時段，不同時段每輛車的載客量分別為80，220，320。

為了保證試驗結果的有效性，試驗過程模擬車廂內在過渡季節中的散熱量和散濕量，通過計算得出過渡季節中車廂的散熱量和和散濕量，即試驗過程中，為空調機組提供一個等同的加熱量和加濕量。

該模擬試驗在空調機組性能試驗室進行，試驗過程中保持室外側環境溫度不變，試驗開始時，室內側與室外側溫度相同，即為27℃。根據計算所得的車廂的散熱量和和散濕量，按時間為室內側加人加熱量和加濕量，模擬測試工況如表1所示。

表1 模擬測試工況

首先進行變頻空調機組能耗測試，在表2條件下讓機組按設計變頻功能自主運行，采用電度表測量器能耗值，同時監測機組運行情況和室內側的環境。然后進行定頻空調機組測試，為確保試驗的嚴謹，將變頻機組中的變頻器控制斷開，壓縮機定頻運行，測試條件與變頻機組測試環境一致，讓機組自主運行，記錄其能耗值，同時監測機組運行情況和室內側的環境。

2.2試驗結果

1）室內溫度變化曲線（見圖5）。

圖5室內溫度變化曲線

系列1為定頻機組運行的室內溫度變化曲線，系列2為變頻機組運行的室內溫度變化曲線。從圖5可知，變頻機組可有效控制室溫溫度的波動，保持室內的舒適性。

2）節能率。

定頻機組總能耗68.6kWh，變頻機組總能耗51.9kWh。

變頻機組的節能率=（68.6一51.9）/68.6×100%=24.3 %。

從本模擬節能試驗數據來看，變頻機組的節能率在20%以上，證明了變頻機組的節能且具有較好的舒適性。

3 另地鐵線的車輛變頻空調機組實際裝車運行的節能對比試驗

3.1實際裝車試驗改造

本地鐵線列車為6輛編組，各車輛之間采用貫通道方式聯通，O1和06車為帶司機室的頭車。列車車輛編組方式如圖6所示：

圖6地鐵車輛編組方式

將某公司所研制地鐵車輛變頻空調在本地鐵線上安裝半列車，并與相應的半列原裝車進行對比，以驗證變頻空調的實際節能效果。

在控制柜中加裝電能表、車廂中加裝溫濕度儀，通過記錄定頻空調和變頻空調機組溫度、濕度、電流、電壓及消耗電能等相關數據，并對相關數據進行整理及對比，驗證變頻空調機組的節能效果，形成最終的節能試驗報告。

試驗測試時間在5，6月的過渡性季節期間進行，以體現變頻空調機組的最大節能效益。變頻空調機組經過前期調試后開始穩定運行，從5月16日起開始記錄能耗數據，試驗時間具體從5月16日開始至6月25日為止，試驗時間約為40d。

3.2地鐵線某列車空調用電量數據分析

5月16日開始記錄的數據，6月25日為最后一次記錄的數據。由于3車和4車的相互影響，增加一項剔除相互影響的3和4車的節能結果，具體如表2、表3所示。

從表2、表3的數據分析結果可知，變頻空調總節能比率可達35%以上。

表2 地鐵線某列車空調用電量數據

表3 變頻空調與定頻空調相比節能率%

4 結論

從以上模擬運行和實際裝車運行試驗可知，在過渡性季節（主要在3，4，5，10，11月），地鐵車輛變頻空調的節能效益可達到20%一35 %。由于試驗存有一定的局限性，節能效果不一定很準確，且在實際營運中，隨載客量的不同，節能效率也會有一定波動。但試驗結果依然能夠證明：地鐵車輛變頻機組對客室溫度的控制優于定頻空調機組，提高了地鐵車輛客室的舒適性。同時變頻空調機組能可靠有效地實現較大的節能，可極大降低地鐵車輛的營運成本。