軌道車輛變頻空調性能試驗研究

王 釗

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軌道車輛變頻空調性能試驗研究

王 釗

（廣州鼎漢軌道交通車輛裝備有限公司 廣州 510260）

對雙制冷系統變頻空調進行不同工況條件下的性能試驗，試驗結果表明變頻空調全冷運行時能效比遠大于半冷運行時的能效比，應盡量避免出現只啟動一臺壓縮機運行的情況。在較低的環境溫度條件下，適當降低冷凝風量，能夠提升空調的能效比。上述試驗研究結果，對變頻空調的系統設計和邏輯控制具有指導意義。

軌道車輛；變頻空調；能效比；性能試驗

0 引言

軌道車輛變頻空調是在定頻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，利用可變化交/直流電源來調節壓縮機轉速[1]，從而改變制冷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頻空調完全相同。

目前國內變頻空調在軌道車輛上已經有部分的使用，如CRH2型動車組[2]、重慶單軌車輛、深圳地鐵部分線路[3,4]等。但目前對軌道車輛變頻空調的性能[5-7]與頻率控制邏輯還未有較深入的研究。本項目結合國內外軌道車輛空調系統的需求和特點，對應用于地鐵車輛的變頻空調機組測試不同頻率和工況條件下空調的性能參數，得到相應的變化曲線，用以優化變頻空調的設計和控制。

1 變頻空調制冷原理

圖1為車輛變頻空調的制冷系統原理圖。制冷系統主要由變頻壓縮機、冷凝器、外平衡式熱力膨脹閥、蒸發器等部件用管路連接起來形成密閉系統；使用液管電磁閥、單向閥等部件控制和保護壓縮機的使用。

圖1 制冷系統原理圖

1—熱力膨脹閥；2—汽液分離器；3—液管電磁閥；4—視液鏡；5—干燥過濾器；6—變頻壓縮機；7—單向閥；8—冷凝器；9—冷凝風機；10—蒸發器；11—蒸發風機

2 試驗裝置和方法

空調機組制冷量測量采用空氣焓差法，通過測量空調機組蒸發器前后進風、出風的干球溫度、濕球溫度和空氣流量來計算制冷量。

按照TB/T 1804—2009《鐵道客車空調機組》[8]標準試驗方法進行試驗。測量在不同的室內外側進氣參數條件下，壓縮機工作在不同頻率時的空調制冷量、功率、能效比等參數。

變頻空調機組額定制冷量為42kW，送風量 為5000m3/h，新風量為1600m3/h，使用谷輪ZRHV72KJE—TFD型臥式變頻渦旋壓縮機，使用具有MOP功能的外平衡式熱力膨脹閥作為節流裝置，壓縮機變頻調節范圍為35～75Hz，制冷劑為R407C。通過切換冷凝風機電機極數實現高低速冷凝風量功能。

3 試驗結果與分析

3.1 壓縮機頻率對吸排氣壓力的影響

試驗工況為室外側進氣干球溫度32.5±0.5℃；室內側進氣干球溫度28.9±0.25℃，進氣濕球溫度23.1±0.25℃，空調機組兩臺壓縮機均運行。圖2為不同頻率下壓縮機的吸排氣壓力變化曲線。

圖2 吸排氣壓力隨壓縮機頻率的變化曲線

如圖2所示，壓縮機頻率增大，壓縮機的排氣壓力增大，吸氣壓力減小。對于渦旋壓縮機，其排氣量與轉速成正比，而轉速與電機頻率成正比。頻率升高，壓縮機排氣量隨之增大，進入冷凝器的制冷劑循環流量同樣增大，壓縮機排氣壓力升高。

壓縮機排氣量增大，相應的從蒸發器吸入的制冷劑量增加，蒸發器的蒸發壓力和蒸發溫度下降，使得吸氣壓力也同樣下降。

3.2 壓縮機頻率對制冷量和能效比的影響

試驗工況分為5組，如下表1所示，室內側進氣參數按照室外新風和室內回風混合后計算得到，并以車內溫濕度經驗值作為參照進行設定。空調機組全冷運行，壓縮機運行頻率范圍為38～60Hz。

表1 試驗工況

圖4為在5種工況條件下制冷量和能效比隨壓縮機頻率的變化曲線。

從圖3可知，隨著壓縮機頻率的增大，空調制冷量隨之近似線性增大，能效比初始緩慢增大，達到最大值后再逐漸降低。

制冷量和能效比與壓縮機頻率的變化曲線相交于一點，該點的性能參數同時兼顧了空調制冷量和能效比，因此該點的頻率可以作為空調在此工況下的最佳工作頻率點。在5種工況條件下，該點頻率分別為46.18 Hz、48.43Hz、51.05Hz、52.86Hz、55.73Hz。

圖4 最佳工作頻率隨室外側進氣干球溫度的變化曲線

在不同的室外側進氣條件下，對上述數據進行擬合計算，得到壓縮機最佳工作頻率與室外側進氣干球溫度的線性擬合公式：

=76.733-0.9412T

式中，為最佳工作頻率，T為室外側進氣干球溫度。

3.3 全冷與半冷運行時制冷量與能效比的變化

試驗工況為室外側進氣干球溫度27.5±0.5℃；室內側進氣干球溫度25.3±0.25℃，進氣濕球溫度20.6±0.25℃。空調機組分為全冷和半冷運行，全冷運行時2臺壓縮機以相同頻率工作；半冷運行時只啟動1臺壓縮機工作，所有蒸發風機和冷凝風機全部運行。壓縮機運行頻率范圍為38～60Hz。圖5為全冷和半冷運行條件下，壓縮機工作在不同頻率時空調制冷量和能效比的變化曲線。

圖5 全冷運行和半冷運行時制冷量和能效比隨壓縮機頻率的變化曲線

在相同的制冷工況條件下，半冷時單臺壓縮機的制冷量比全冷時單臺壓縮機制冷量略大，主要是因為半冷運行時，交叉排布的蒸發器的換熱效果更好，提高了單個制冷循環的制冷量。而在能效比方面，全冷時能效比變化范圍為2.48～2.71；而半冷時能效比只有2.09～2.19。因此，無論壓縮機運行在哪些頻率，雙系統變頻空調應盡量避免出現只啟動一臺壓縮機運行的情況，這樣能夠保證空調獲得更高的能效比，實現節能的效果。

3.4 不同冷凝風量條件下制冷量與能效比的變化

試驗工況為室外側進氣干球溫度27.5±0.5℃；室內側進氣干球溫度25.3±0.25℃，進氣濕球溫度20.6±0.25℃，空調機組冷凝風機分為高速檔和低速檔運行。高速檔時電機為4極，單臺冷凝風機風量約為9000m3/h，功率1.1kW；低速檔電機切換為6極，單臺冷凝風機風量為約6000m3/h，功率0.55kW。制冷運行時所有蒸發風機和壓縮機全部運行。壓縮機運行頻率范圍為38～60Hz。圖6為冷凝風機在高速檔和低速檔條件下，壓縮機工作在不同頻率時空調制冷量和能效比的變化曲線。

圖6 不同冷凝風量下制冷量和能效比隨壓縮機頻率的變化曲線

在高速檔時，隨著壓縮機頻率的增大，空調機組制冷量由30.36kW迅速增加到39kW，能效比略微增大后逐步下降；在低速檔時，隨著壓縮機頻率的增大，空調機組制冷量由28.54kW迅速增加到40.73kW，能效比由最大值2.81逐漸降低至2.69，然后略有提升。

對比不同冷凝風量下的兩條能效比曲線，低速檔時能效比均大于高速檔時的能效比，雖然減少了冷凝風量，壓縮機吸排氣壓力均有不同程度提升，壓縮機功率變大，但冷凝風機電機極數的變化降低了冷凝風機的功率。同時由于冷凝風量不同，在較低的壓縮機運行頻率時，高速檔風量能夠強化換熱，空調制冷量相比于低速條件下略大。而當壓縮機頻率逐步升高后，由于冷凝效果過好，過冷度相比于低速檔大很多，熱力膨脹閥的開度達到最大后不再自動調整，系統制冷劑循環量無法繼續增加，液態制冷劑積存在冷凝器內反而阻礙了冷凝換熱效果，此時空調制冷量增加幅度比低速檔時小。

當壓縮機運行頻率增加時，在較少的冷凝風量條件下，冷凝器內的循環制冷劑同樣能夠完全冷凝成液體，而過冷度相比于高速檔時小。在提高壓縮機運行頻率時，系統內的制冷劑循環量能夠進一步增大，空調機組制冷量能夠繼續增大。

上述試驗表明，在較低的室外側進氣干球溫度條件下，冷凝風機低速檔運行能效比更高，更加節能。

4 結論

通過對軌道車輛變頻空調進行性能試驗研究，得到如下結論：

（1）變頻空調的壓縮機運行頻率增大時，排氣壓力增大，吸氣壓力減小，制冷量增大，能效比初始緩慢增大，達到最大值后再逐漸降低。壓縮機最佳工作頻率與室外側干球溫度成線性關系。

（2）雙系統變頻空調全冷運行時能效比遠大于半冷運行時的能效比，應盡量避免出現只啟動一臺壓縮機運行的情況。

（3）在較低的室外側進氣干球溫度條件下，適當降低冷凝風量時，能夠提升空調的能效比。

上述試驗研究結果，對變頻空調的系統設計和邏輯控制具有指導意義。

[1] 繆道平,吳業正.制冷壓縮機[M].北京:機械工業出版社,2001.

[2] 滕廣武,歐陽仲志.鐵路高速動車組空調試驗和舒適性要求[J].鐵道車輛,2009,47(10):30-32.

[3] 王永鏢,歐陽仲志,劉忠慶,等.城軌車輛采用變頻空調的節能試驗研究[J].鐵道車輛,2017,55(3):5-10.

[4] 王釗,魏婉娜.軌道車輛變頻空調節能試驗及舒適性研究[J].制冷與空調,2016,30(1):99-103.

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[8] TB/T 1804—2009,鐵道客車空調機組[S].北京:中國鐵道出版社,2010.

Performance Test Research on Inverter Air-conditioning for Railway Vehicles

Wang Zhao

( Guangzhou Dinghan Railway Vehicles Equipment Co., Ltd, Guangzhou, 510260 )

The performance test of double cooling systems in inverter air-conditioning under different working conditions is carried out. The test results show that the energy efficiency ratio of full cooling operation is much larger than half cooling operation. The half cooling operation should be avoided as far as possible. The energy efficiency ratio can be improved when the condensing air flow rate is reduced properly at low ambient temperature. The experimental results are guiding significance to the system design and logic control of inverter air-conditioning.

railway vehicles; inverter air-conditioning; EER; performance test

1671-6612（2018）06-651-05

U270.38+3

A

王 釗（1986-），男，碩士研究生，工程師，從事軌道車輛空調設計研發工作，E-mail：wangzhao@ dinghantech.com

2018-02-24