地鐵車輛變頻空調系統節能方案探討

摘 要： 為了實現節能，在地鐵車輛上開展了基于不同節能技術應用的新型空調機組節能效果對比測試與分析，在保證同等客室舒適度前提下驗證變頻空調的技術優勢性，是當今地鐵車輛空調節能技術發展的新方向。本文首先介紹了地鐵車輛空調系統的技術發展現狀，然后概述了地鐵車輛變頻空調機組系統的組成、發展應用現狀及存在的主要問題，重點介紹了地鐵車輛變頻空調系統的三種常用的節能方案。最后，在上述分析的基礎上，對比分析了地鐵車輛變頻空調系統節能技術方案的優勢。以期通過本文的探討期望為今后關于地鐵車輛變頻空調系統節能方案的探究提供一定的理論借鑒和實踐指導。

關鍵詞： 地鐵車輛；變頻空調；節能；探討

0.引言

為促進經濟社會可持續發展，國家制定了二氧化碳減排的長遠發展目標。在軌道交通環境調節系統中，風扇，泵和空氣壓縮機等大功率設備滿足運行中的最高功率要求。輸出功率通常具有較大的設計冗余，容易造成巨大的能源浪費。研究如何使用變頻器控制這些設備來調節電機速度，以根據實際負載要求調整輸出功率。有效利用電動機的輸出能量在節能和減排方面具有重要意義。

在城市軌道交通車輛的能耗中，車輛空調的能耗約占車輛總能耗的20%至30%。如果將新的節能技術應用于地鐵車輛的空調通風系統，則可以有效降低車輛運行的能耗。它可以突出城市軌道交通節能減排和低碳運營的綠色特征。因此，地鐵車輛的空調系統在節能方面具有很大的潛力。

1.地鐵車輛空調系統的技術現狀

頂置單元式空調機組，通風系統和空調控制系統是地鐵空調系統的主要組成部分。頂置單元式空調機組一般采用一體化結構。也就是說，壓縮機，冷凝器，節流裝置，蒸發器，風扇和電氣部件都安裝在一個盒子中，形成一個完整的空調裝置。然后，通過設置在出風口上的回風口，電源連接器和室內通風系統以及空調控制系統無縫連接，形成集冷卻，通風和控制于一體的空調系統。空調機組有獨立的制冷循環，采用熱力膨脹閥節流，壓縮機采用谷輪逆變器臥式渦旋壓縮機。冷凝器和蒸發器由管翅式熱交換器制成，該管翅式熱交換器由具有高導熱率的銅管和親水性薄膜涂覆的鋁翅片組成。

目前，全國地鐵空調系統運行中節能降耗的局限性可歸納如下：①當空調機組正常工作時，制冷系統只進行兩級調節；②空調機組減震器的調節范圍有限，無法根據客流量有效調節新風量；③目前使用的空調系統的能效比略低，存在很大的能源浪費問題。

2.地鐵車輛變頻空調機組系統簡述

變頻控制機制主要基于實際環境的溫度，濕度，散熱量和人員情況，變頻器處理工頻。可以根據需要改變壓縮機的電源頻率，使得壓縮機的速度也改變，壓縮機的排量受到控制，并且空調系統處于合理的運行狀態。為了達到最舒適的乘坐環境，節省能源。

變頻空調是一種基于定速空調的變頻專用壓縮機。增加了變頻控制系統，采用了變頻原理。由二次逆變器獲得的變速AC電源用于調節壓縮機速度。從而改變管道中的制冷劑循環量并控制壓縮機的輸出容量。

當變頻空調器以額定頻率運行時，逆變器本身需要消耗少量電能，能效比略低于定速空調器。當空調在低冷負荷條件下運行時，定速空調需要啟動和停止壓縮機以實現冷卻能力調節，并且壓縮機的頻繁啟動和停止導致能量消耗的增加。變頻空調通過自動調節適當的壓縮機工作頻率實現高效節能，實現不間斷運行。

3.地鐵變頻空調系統節能技術方案的設定

本文在地鐵變頻空調的節能方案設定中，擬采用以下三種設計方案進行對比分析：

①兩壓縮機定頻空調

采用傳統的雙壓縮機固定頻率空調系統。每輛車配備兩個相同的架空單元集中空調單元，每個單元由兩個渦旋壓縮機組成。由于供電頻率恒定，傳統固定頻率空調的壓縮機轉速基本不變，壓縮機連續“開、關”調節室內溫度。

②四壓縮機定頻空調

采用四壓縮機定頻空調系統，相比傳統的兩壓縮機空調機組，可以根據制冷需求將制冷能力由傳統的“0，50%，100%”三檔調節進一步增加到“0，25%，50%，75%，100%”五檔調節，更加有利于節能控制。但是，每臺壓縮機的供電頻率保持不變，運行速度基本不變。

③兩壓縮機變頻空調

變頻空調和定頻空調在空調的工作原理上基本相同，但變頻空調系統通過變頻器改變壓縮機的供電頻率。調節壓縮機轉速，相對于傳統的兩壓縮機定頻和四壓縮機定頻空調機組方案，實現了根據不同負荷進行“無級變速”，它可以大大降低空調壓縮機頻繁啟停的能耗。根據冷卻需求，可以通過空調控制系統調節壓縮機的速度，以實現更好的經濟匹配。

4.地鐵車輛變頻空調系統節能技術方案的優勢

（1）冷暖兩用的優勢

變頻空調是用于加熱和冷卻車輛的熱泵式空調，可以彌補當前車輛空調不能實現加熱功能的技術缺點。

（2）性能優勢

通常地鐵里會有很多乘客，所以車輛的門開關頻繁，車內溫度調節范圍很廣。高頻快速冷卻，低頻維護舒適，適合空調需要全年運行，節能，低噪音，精確控制，高舒適度。

（3）節能效果優勢

人性化的變頻控制技術是變頻式壓縮機具備的主要技術優勢，這種變頻模式可以確保夏季制冷更節能；即使在冬季，也可以通過空調熱泵加熱和輔助電加熱相關的加熱設備進行溫度控制，空調機組自動調節加熱準備方案。與客房內的電加熱相比，可以實現高效節能，提高冬季取暖的節能效果；啟動可變頻率零電流以避免高電流啟動對輔助電源的影響。

與固定頻率空調機組相比，變頻空調機組增加了變頻調節功能。以最大化空調的制冷能力，使室內溫度以最快的時間達到預設的目標溫度值；當熱負荷小時，壓縮機的工作頻率降低，以降低空調單元的冷卻能力，以維持乘客艙的溫度。由于變頻空調在35～75Hz頻率范圍內可調，不像定頻空調需頻繁啟停，壓縮機損耗也大大減小。與帶有R407C制冷劑的變頻空調機組相比，帶R410A制冷劑的變頻空調機組具有節能優勢。但是，由于R410A制冷劑空調的設計壓力較高，整個系統必須使用具有耐壓性的相應部件。

雙壓縮機變頻空調機組和四壓縮機定頻空調機組比雙壓縮機定頻空調機組具有更好的節能效果；變頻空調機組比四壓縮機固定頻率空調機組具有更好的節能效果。在特定硬件技術平臺的選擇上，采用R410A制冷劑，具有更好的蒸發換熱系數，冷凝換熱系數和制冷劑壓縮效率。總體節能性能比R407C高10%以上，在節能方面更有優勢；變頻壓縮機的工作頻率范圍越寬，特別是頻率越低，頻率越低的壓縮機，溫度控制越精確。性能更優，在節能降耗方面具有更大的優勢，同時可以開闊維修人員的檢修思路，提高檢修效率，確保機車正常運行，使機車設備始終處于良好運行狀態。

5.結語

本文首先介紹了地鐵車輛空調系統的技術發展現狀，然后概述了地鐵車輛變頻空調機組系統的組成、發展應用現狀及存在的主要問題，重點介紹了地鐵車輛變頻空調系統的三種常用的節能方案。最后，在上述分析的基礎上，對比分析了地鐵車輛變頻空調系統節能技術方案的優勢。從以上分析可以看出，地鐵車輛變頻單元的乘客艙溫度的控制優于固定頻率空調單元的乘客艙溫度，這提高了地鐵車輛乘客艙的舒適度。同時，采用變頻調控式的地鐵空調機組可以在實現高效節能的前提下，大大降低地鐵車輛的運行成本。

參考文獻

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作者簡介：姓名：劉海文（1990；12；09，）；性別：男，籍貫：遼寧省大連市，學歷：本科，畢業于大連交通大學；現有職稱：初級工程師；研究方向：機械。