高速列車熱回收技術(shù)可行性研究

王 升 畢海權(quán) 李 盎

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高速列車熱回收技術(shù)可行性研究

王 升 畢海權(quán) 李 盎

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

以我國(guó)武廣客運(yùn)專線G1117次高速列車為研究對(duì)象，采用TRNSYS軟件對(duì)列車空調(diào)系統(tǒng)安裝熱回收裝置節(jié)能效果進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)熱回收裝置的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：高速列車空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)采用全熱回收夏季的總節(jié)能量為1573.637kWh，節(jié)能率為34.6%；冬季全熱回收總節(jié)能量為1152.780kWh，節(jié)能率為30%。安裝熱回收器的靜態(tài)回收期為3.5年，因此，武廣客運(yùn)專線采用熱回收裝置的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性較為顯著。

高速列車；空調(diào)系統(tǒng)；熱回收裝置；模擬計(jì)算

0 引言

近年來(lái)我國(guó)高速鐵路發(fā)展迅速，但隨著高速列車運(yùn)行速度的提高、運(yùn)量的增加、運(yùn)行距離的延長(zhǎng)，對(duì)鐵路運(yùn)輸行業(yè)的節(jié)能和環(huán)保提出了新的挑戰(zhàn)。根據(jù)目前統(tǒng)計(jì)可知，高速列車輔助系統(tǒng)能耗約占總運(yùn)行能耗的20%[1]，而空調(diào)系統(tǒng)能耗占輔助系統(tǒng)能耗70%左右，因此，對(duì)高速列車空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減排的研究具有重大意義。

在空調(diào)系統(tǒng)中，由于客室內(nèi)外空氣參數(shù)存在差異，新風(fēng)送入車廂之前需要經(jīng)過(guò)空調(diào)系統(tǒng)的處理，勢(shì)必要消耗能量。在不同室溫下，新風(fēng)帶來(lái)的顯熱和潛熱負(fù)荷占冷熱負(fù)荷的百分比為22.3%-36.0%[2]。由此可見(jiàn)，新風(fēng)負(fù)荷占了冷熱負(fù)荷的很大一部分。另一方面，為保持室內(nèi)壓力，需要將車廂內(nèi)空氣排入大氣，如果直接排出，將會(huì)造成排風(fēng)中能量的浪費(fèi)。因此，在空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置熱回收系統(tǒng)中，使新風(fēng)與排風(fēng)進(jìn)行熱量的交換，將排風(fēng)帶走的能量盡可能地轉(zhuǎn)移給新風(fēng)，以減少新風(fēng)負(fù)荷，將是一種有效的節(jié)能措施。

本文以我國(guó)武廣客運(yùn)專線的G1117次高速列車為研究對(duì)象，采用TRNSYS對(duì)高速列車空調(diào)系統(tǒng)熱回收技術(shù)的可行性進(jìn)行仿真分析，并計(jì)算了其經(jīng)濟(jì)性。

1 熱回收利用原理

1.1 熱回收系統(tǒng)概述

目前主要研究的高速列車熱回收系統(tǒng)是指在列車空調(diào)排風(fēng)通道和新風(fēng)通道加裝熱回收裝置，利用交叉流（或?qū)α鳎┓绞綄?shí)現(xiàn)室外新風(fēng)與車廂內(nèi)排風(fēng)的能量交換，利用排風(fēng)中的能量對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷或預(yù)熱處理。這一舉措不僅能節(jié)約能耗，而且有利于新風(fēng)比的提高，從而改善車內(nèi)空氣品質(zhì)。由于列車的使用環(huán)境的特殊性，目前研究表明[3,4]，板式熱交換器、熱管式換熱器、及盤管熱環(huán)式換熱器等熱回收系統(tǒng)形式在列車上使用有較大的潛力。圖1、2為列車采用熱回收系統(tǒng)原理圖及示意圖。

圖1 列車熱回收系統(tǒng)原理

圖2 列車熱回收系統(tǒng)示意圖

熱回收通風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備有送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、熱回收器、過(guò)濾器、電動(dòng)風(fēng)閥及旁通裝置，當(dāng)熱回收器不運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)從旁通裝置直接送向客室內(nèi)。

1.2 能耗分析模型

為了研究熱回收系統(tǒng)在高速列車中的可行性，需建立列車空調(diào)熱回收系統(tǒng)能耗計(jì)算模型。具體分析如下所示：

（1）列車空調(diào)逐時(shí)新風(fēng)負(fù)荷

Q=G(h-h) （1）

式中：Q為室外新風(fēng)負(fù)荷，kJ/h；G為新風(fēng)量，kg/h；h為室外空氣的焓值，kJ/kg；h為室內(nèi)空氣的焓值，kJ/kg。

（2）余熱回收的能量

（3）將回收的能量換算為消耗的電能

（4）排風(fēng)側(cè)與新風(fēng)側(cè)風(fēng)機(jī)能耗的增加量

式中：N為風(fēng)機(jī)所消耗的軸功率，kW；為風(fēng)機(jī)輸送風(fēng)量，m3/s；為熱回收增加的阻力，Pa；ηη為風(fēng)機(jī)和電機(jī)的綜合效率。

（6）增加熱回收裝置后某時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)節(jié)能量E

式中：1，2為根據(jù)熱回收控制模式取0或1。

（7）熱回收系統(tǒng)控制模式

當(dāng)運(yùn)行旁通裝置時(shí)則根據(jù)全熱交換器能效比（）和空調(diào)系統(tǒng)綜合能效比（）的相對(duì)關(guān)系來(lái)確定是否啟用旁通裝置，＞時(shí)1=1，反之1=0。本文風(fēng)機(jī)開(kāi)啟情況與熱回收器一致，因此，2=1。

全熱交換器能效比（）[5]表征全熱交換器回收的能量與自身消耗的能量之間的關(guān)系，其值越大，全熱交換器節(jié)能性越好。其定義為：

=Q/E（7）

式中：為某一時(shí)刻下全熱交換器的能效比；Q為某一時(shí)刻全熱交換器回收的冷量（熱量），W；E為某一時(shí)刻因全熱交換器而增加的運(yùn)行能耗，W。

空調(diào)系統(tǒng)綜合能效比（）：

式中：為輸入到房間的制冷量（制熱量），kW；E為冷源（熱源）主機(jī)耗電量，kW；E為所有通風(fēng)耗電量，kW。

若＞，則在相同能耗下，全熱交換器相對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)可提供更多的冷量（熱量），此時(shí)應(yīng)開(kāi)啟全熱交換器；相反≤時(shí)，此時(shí)全熱交換器起不到節(jié)能的作用，應(yīng)關(guān)閉并由空調(diào)系統(tǒng)提供全部冷量（熱量）。

2 仿真計(jì)算

2.1 氣象參數(shù)確定

由于動(dòng)車組客室外的氣象參數(shù)不僅是時(shí)間的變量也是空間的變量，若需精確計(jì)算動(dòng)車組全年沿途逐時(shí)氣象參數(shù)變化，其過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜繁瑣。本次研究的列車主要運(yùn)行在湖南境內(nèi)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在TRNSYS仿真計(jì)算中采用長(zhǎng)沙地區(qū)的氣象參數(shù)。

鐵路旅客列車空調(diào)參數(shù)要求為：夏季室外氣溫35℃時(shí)，車內(nèi)應(yīng)為23～27℃，最高不超過(guò)29℃，相對(duì)濕度為60%～70%，一般取車內(nèi)計(jì)算溫度為26℃，相對(duì)濕度為60%。冬季室外計(jì)算溫度為 -14℃時(shí)，客室溫度取18～20℃，相對(duì)濕度不低于30%，在此取計(jì)算溫度20℃，相對(duì)濕度為40%。在TRNSYS中計(jì)算的長(zhǎng)沙地區(qū)全年逐時(shí)焓值如圖3所示。

圖3 長(zhǎng)沙地區(qū)全年逐時(shí)焓值

2.2 仿真條件設(shè)置

仿真采用G1117次列車的中間車為研究對(duì)象，定員量為88人。由列車時(shí)刻表可知，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為每天12:00～16:00。

仿真模型的計(jì)算工況分為夏季和冬季兩個(gè)工況。夏季工況為6月～9月，即TRNSYS中3624h～6552h；冬季工況為12月～2月，即8016h～8760h與0h～1416h。

列車空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)冷模式，制熱方式采用電加熱。全熱交換器單獨(dú)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間與空調(diào)系統(tǒng)相同。為簡(jiǎn)化模型，全熱交換器處理后的新風(fēng)不經(jīng)過(guò)新風(fēng)機(jī)組處理而直接送入客室，由客室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管承擔(dān)全部空調(diào)負(fù)荷，排風(fēng)排出客室外，此方法不影響逐時(shí)能耗與節(jié)能量的計(jì)算。全熱交換器上設(shè)旁通管，用于在運(yùn)行期間全熱交換器關(guān)閉時(shí)直接將新風(fēng)通入客室。

在仿真模型POWERCONSUME模塊中自動(dòng)計(jì)算與，并對(duì)比兩者的大小確定全熱交換器的啟閉狀態(tài)。若＞時(shí)，則開(kāi)啟全熱交換器，進(jìn)行排風(fēng)熱回收；若≤時(shí)，關(guān)閉全熱交換器，采用全熱交換器的旁通管道引入新風(fēng)，空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)所有負(fù)荷。

2.3 模擬計(jì)算

在對(duì)列車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬前，首先需要對(duì)列車自身的冷熱負(fù)荷進(jìn)行分析。圖4為TRNSYS列車?yán)錈嶝?fù)荷計(jì)算模型。

圖4 列車負(fù)荷計(jì)算模型

（1）夏季工況客室冷負(fù)荷特性

夏季客室逐時(shí)負(fù)荷如圖5所示。客室最大顯熱負(fù)荷為16362W，最大潛熱負(fù)荷為21707W，最大全熱負(fù)荷為37814W。

圖5 客室冷負(fù)荷

空調(diào)系統(tǒng)在6月～9月中，客室總顯熱負(fù)荷與總潛熱負(fù)荷分別為5118344W和5115923W。

（2）夏季工況新風(fēng)冷負(fù)荷特性

從圖6可知，新風(fēng)負(fù)荷中顯熱負(fù)荷比潛熱負(fù)荷稍小，且常出現(xiàn)負(fù)值，新風(fēng)總顯熱負(fù)荷與潛熱負(fù)荷分別為929861W和1299454W，新風(fēng)潛熱負(fù)荷占總潛熱負(fù)荷的25.4%，顯熱負(fù)荷占總顯熱負(fù)荷的18.2%，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[6]研究結(jié)果結(jié)論一致。因此，使用全熱回收在武廣客運(yùn)專線列車空調(diào)系統(tǒng)中具有較大節(jié)能潛力。

圖6 夏季工況新風(fēng)負(fù)荷

（3）全熱回收系統(tǒng)冷負(fù)荷的影響

在現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上加入熱回收模塊，構(gòu)建夏季工況動(dòng)態(tài)仿真模型如圖7所示。

圖7 高速列車空調(diào)系統(tǒng)模型

根據(jù)動(dòng)態(tài)仿真模型計(jì)算結(jié)果，增加全熱回收后，空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)的最大負(fù)荷為35425W，若在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，制冷機(jī)組選型容量可相對(duì)降低18%左右，可減少空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)的初投資。

對(duì)比圖6與圖8可以得出，采用全熱回收技術(shù)可有效降低空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)的客室空調(diào)負(fù)荷，尤其是對(duì)降低潛熱負(fù)荷效果更顯著。增加全熱回收系統(tǒng)后，空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)的客室顯熱負(fù)荷量與潛熱負(fù)荷量分別為213509W和920558W，相對(duì)于未進(jìn)行全熱回收時(shí)分別降低了77.0%和29.2%。

通過(guò)對(duì)比與的大小可以控制全熱交換器的啟停，與變化如圖9所示。若空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，全熱交換器保持開(kāi)啟狀態(tài)，一些時(shí)刻是小于的，甚至為負(fù)值，這些時(shí)刻全熱回收是不節(jié)能的，全熱交換器應(yīng)關(guān)閉，并通過(guò)旁通管直接向室內(nèi)引入新風(fēng)。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，空調(diào)系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間為488h，其中大于的時(shí)間共有405h，即共有405h全熱交換器應(yīng)處于開(kāi)啟狀態(tài)，并以這種控制方式運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真模型并計(jì)算全熱回收逐時(shí)節(jié)能量。

圖8 經(jīng)熱回收系統(tǒng)處理后的新風(fēng)負(fù)荷

圖9 TCOP與RECOP的比較

（4）節(jié)能量計(jì)算

由于全熱交換器廠家一般不提供逐時(shí)焓效率數(shù)據(jù)，在節(jié)能量的計(jì)算中一般取全熱交換器的額定焓效率。計(jì)算按照焓效率約60%定值算（熱效率70%，濕效率70%），實(shí)際上額定焓效率波動(dòng)較大，原因在于室外氣象參數(shù)的不穩(wěn)定。根據(jù)動(dòng)態(tài)仿真模型計(jì)算結(jié)果，采用逐時(shí)焓效率計(jì)算方法所得逐時(shí)節(jié)能量如圖10所示。

通過(guò)計(jì)算可知：高速列車空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)采用全熱回收的總節(jié)能量為1573.637kWh，不采用全熱回收空調(diào)系統(tǒng)總能耗為4536.121kWh，節(jié)能率為34.6%。

圖10 夏季工況逐時(shí)節(jié)能量

同理，根據(jù)冬季模型仿真計(jì)算結(jié)果，冬季全熱回收總節(jié)能量為1152.780kWh，不采用全熱回收空調(diào)系統(tǒng)總能耗為3836.121kWh，節(jié)能率為30%。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

投資回收期是表征空調(diào)系統(tǒng)采用全熱回收經(jīng)濟(jì)性的常用指標(biāo)。考慮是在現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)上增加全熱回收設(shè)備，增加的初投資為全熱交換器的投資。

對(duì)于以節(jié)能為目的的熱交換器，當(dāng)不考慮資金的時(shí)間價(jià)值時(shí)，其靜態(tài)回收年限可用下式表 示[7,8]：

式中：P為熱交換器的初投資；P為系統(tǒng)冷熱源減少的初投資；Q為系統(tǒng)使用熱回收裝置節(jié)省的能源費(fèi)和維護(hù)管理費(fèi)用；Q為熱交換器的年運(yùn)行費(fèi)用和增加的風(fēng)機(jī)能耗費(fèi)用以及維護(hù)管理費(fèi)用。

表1 投資費(fèi)用

計(jì)算投資回收期還要考慮年節(jié)省的費(fèi)用，電價(jià)每kWh按1元計(jì)算。

表2 節(jié)省費(fèi)用

按照動(dòng)車組每天運(yùn)行8小時(shí)，通過(guò)式（9）的計(jì)算，得出安裝熱回收器的靜態(tài)回收期為3.5年，3.5年回收期是一個(gè)比較理想的時(shí)間。按照熱回收裝置預(yù)期的15年使用期，在余下的近11.5年時(shí)間為節(jié)能的收益期，從投資回收期的角度可以看出，武廣客運(yùn)專線采用熱回收裝置的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性非常顯著。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)武廣客運(yùn)專線高速列車熱回收利用技術(shù)的仿真計(jì)算，本文得出的主要結(jié)論包括以下幾個(gè)方面：

（1）武廣客運(yùn)專線高速列車的新風(fēng)潛熱負(fù)荷占總潛熱負(fù)荷的25.4%，顯熱負(fù)荷總顯熱負(fù)荷的18.2%，采用全熱回收的方式節(jié)能更為顯著。

（2）高速列車空調(diào)系統(tǒng)夏季通過(guò)采用全熱回收的總節(jié)能量為1573.637kWh，節(jié)能率為34.6%。冬季全熱回收總節(jié)能量為1152.780kWh，節(jié)能率為30%。

（3）安裝熱回收器的靜態(tài)回收期為3.5年，從投資回收期的角度可以看出，武廣客運(yùn)專線采用熱回收裝置的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性非常顯著。

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Feasibility Study on Heat Recovery Technology of High-speed Train

Wang Sheng Bi Haiquan Li Ang

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

In this paper, the energy saving effect of the heat reclaimer of train air conditioning system is simulated by TRNSYS software, and the economic analysis of the heat recovery unit is carried out by using the calculation results of the G1117 high speed train. The results show that the total energy saving of the high - speed train air-conditioning system is 1573.637 kWh, and the energy saving rate is 34.6%. The total energy saving in winter is 1152.780 kWh and the energy saving rate is 30%. The static payback period for the installation of the heat recovery unit is 3.5 years. Therefore, the energy saving and economy of the heat recovery unit of Wuhan-Guangzhou Passenger Dedicated Line are more significant.

High-speed trains; Air Conditioning System; heat reclaimer; Simulation calculation

1671-6612（2017）06-647-06

TK09

B

王 升（1989-），男，在讀碩士研究生，E-mail：361638221@qq.com

畢海權(quán)（1974-），男，教授，E-mail：bhquan@163.com

2017-05-10