高溫高濕環境下軌道交通車輛空調機組設計要點

劉況釔

【摘?要】隨著城市軌道交通的快速發展，節能減排、提倡低碳生活已經成為當今一個熱門話題，如何降低軌道交通能耗同時提高乘客對車內環境的舒適性體驗，成為城軌運營公司重點關注的問題。

【關鍵詞】高溫高濕;軌道交通車輛;空調機組設計

前言

空調機組作為城市軌道交通車輛的重要設備之一，主要負責對車輛內部的空氣溫度、濕度、微風速等舒適性指標進行控制，其需要具備高適應性和可靠性，方便維護等特點。

1設計要點

1.1適合高溫環境的空調機組設計

1.1.1設計原理

根據冷凝器的特性，當制冷劑流量一定、室外環境溫度升高時，冷凝器的換熱量會相應降低，從而導致空調機組制冷系統的冷凝溫度、系統壓力和排氣溫度升高等。同時根據空調機組制冷理論的循環原理，冷凝溫度升高會引起空調機組的制冷量降低、功率升高。綜上，在高溫環境下空調機組的換熱能力下降，空調機組制冷系統的壓力、排氣溫度、功率均會相應升高，可能會導致空調機組出現高壓保護和過流保護故障。因此，在空調機組設計和日常運行中應對影響制冷系統換熱量的問題充分研究。

1.1.2耐高溫措施

冷凝器的換熱計算公式如下：

φ=KAΔt（1）

式中：φ———冷凝器的換熱量，kW;

K———冷凝器的傳熱系數，W/（m2·K）;

A———冷凝器的換熱面積，m2;

Δt———對數平均傳熱溫差，K。

根據公式（1），增大冷凝器的換熱面積可以增加冷凝器的換熱量，在高溫環境下可以使冷凝器的冷凝溫度相對降低，從而降低空調機組制冷系統的壓力、排氣溫度和功率等。所以針對高溫地區，為確保城軌空調機組長時間在高溫環境下運行不出現故障，在設計時需要充分考慮高溫環境下冷凝器的換熱量，并預留一定的裕量。例如，可在原基礎上適當加大換熱器尺寸，增大冷凝風量等，保證在高溫環境下空調機組制冷系統壓力和功率均在合理范圍內，避免頻繁出現高壓或過流保護故障。

1.1.3試驗驗證

針對高溫高濕地區，在進行耐高溫設計時，除按照TB/T1804—2017《鐵道客車空調機組》進行最大負荷制冷試驗外，還可進行極限高溫制冷試驗，避免高負荷時出現空調機組無法制冷或高壓頻繁保護現象。在高溫地區應用的空調機組，在試驗室驗證時要求至少在50℃環境溫度下能正常工作。

1.2適合高濕環境的空調機組設計

高溫地區夏季濕度大，空調機組蒸發器產生的冷凝水較多，需要對排水孔的大小和數量、接水盤翻邊高度等進行詳細的設計計算。設計時需要適當增大排水孔或者增加排水孔數量，留有一定的設計裕量，使冷凝水能及時排出;并在排水孔上部設計防冷凝水飛濺裝置，避免空調剛啟動時，蒸發腔內產生負壓，室外大氣通過排水孔進入蒸發腔內部，帶動少量液滴產生飛濺;接水盤翻邊高度需要考慮列車實際運行時的坡度、轉彎半徑、加速度以及積水面高度等，避免冷凝水從接水盤濺出。

1.3耐腐蝕設計

在設計時除殼體采用不銹鋼材質以外，空調機組外露的冷凝器也需要重點保護，可以采用耐腐蝕性更好的銅翅片替代鋁翅片，但是銅翅片價格較高且總質量是鋁翅片的3倍，所以不采用此方式?？蓪︿X翅片表面進行電泳處理，在提高防腐性能的同時，換熱性能也不會降低。根據以上原則優化設計的高溫地區某城軌空調機組，在外溫45℃時能達到額定工況制冷量的90%以上，外溫52℃也能正常工作，實際裝車運營情況良好。

2基于列車載荷的客室目標溫度控制優化研究

城軌某線路電客車每輛車空調系統設一個PLC控制單元，其制冷控制方式分為“自動制冷”和“手動制冷”兩種模式。在自動制冷模式下，空調系統目標溫度的設置根據國際標準UIC553溫度控制曲線，空調系統目標溫度按外部環境溫度進行自動調節控制。在手動制冷模式下，空調系統目標溫度的設置有列車司機手動設置，通常設定溫度范圍為22℃-28℃由于城軌車輛在實際運營時，高低峰時期的乘客量變化劇烈，會引起列車客室熱負荷的劇烈變化，若將載荷變化這一因素加入到空調目標溫度控制中，對車廂空調目標溫度根據載荷變化進行微調，當載客量少的時刻適當增大空調設置溫度，載客量大的時刻減小空調設置溫度，加快空調制冷效率，迅速將車廂溫度調整至舒適的環境，從而提高乘客乘車舒適性。

3空調系統變頻壓縮機控制邏輯優化研究

城軌某線路空調機組采用的是谷輪全封閉臥式渦旋變頻壓縮機，由日立變頻器為壓縮機提供頻率可調的AC380V電源。在不同頻率下，壓縮機制冷效率將不同。頻率越高，制冷效果越好。當車廂內溫度高，需要增加變頻器頻率;當室內溫度低，則需要減少變頻器頻率。通過優化壓縮機的控制邏輯，可以實現對客室內的溫度更精確的控制。優化前空調機組壓縮機的控制邏輯如下：

（1）車廂內溫度上升階段（-0.5℃～1.0℃）：當內客室內的溫度每升高0.5℃時，壓縮機運行頻率依次在45Hz、50Hz、55Hz、60Hz間變化。

（2）車廂內溫度下降階段（1.0℃～-0.5℃）：當內客室內的溫度每降低0.5℃時，壓縮機運行頻率依次在60Hz、55Hz、50Hz、45Hz間變化。

綜上為進一步提高車廂溫度控制的精確性，對空調壓縮機控制邏輯進行優化，優化后空調機組壓縮機的控制邏輯如下：

（1）車廂內溫度上升階段（-1.0℃～1.0℃）：在原控制基礎上，當客室內的溫度低于目標溫度1℃時，增加壓縮機運行頻率為40Hz的工作工況。

（2）車廂內溫度下降階段（1.0℃～-1.0℃）：在原控制基礎上，當客室內的溫度下降至低于目標溫度1℃時，增加壓縮機運行頻率為40Hz的工作工況。

結束語

在高溫高濕的氣候條件下，對軌道交通車輛空調機組有著更高的要求，需要充分考慮高溫高濕環境對空調機組的影響，進行詳細的設計計算，冷凝器的換熱面積、排水孔等需要預留足夠的設計裕量，提高軌道交通車輛空調機組在高溫高濕環境下的適應性、可靠性和舒適性。

參考文獻：

[1]彥啟森，石文星，田長青.空氣調節用制冷技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[2]葛黨朝，李小平.城市軌道交通車輛空調系統[M].重慶：重慶大學出版社，2002.

（作者單位：貴陽市城市軌道交通集團有限公司運營分公司）