上海地鐵車輛空調機組的變工況分析

高 洋

上海地鐵車輛空調機組的變工況分析

高 洋

（上海軌道交通設備發展有限公司 上海 200245）

分析了室內外環境變化對上海地鐵某線空調機組的制冷性能的影響，結果顯示室內溫、濕度較大時對制冷量幾乎沒影響，冷凝器和蒸發器的傳熱惡化；室內溫度小于30℃，濕度小于65%時，才正相關于制冷量。制冷量隨著室外溫度的增加而不斷減小，變化過程分為兩段下降，溫度較低時制冷量隨室外溫度下降斜率約為溫度較高時的1/5。增加冷凝器或蒸發器的面積對制冷量的增加只在換熱面積較小時有效，要防止換熱面積過小致使制冷量損失過大。

空調機組；室內溫、濕度；室外溫度；對數平均溫差；最小傳熱溫差

0 引言

由于地鐵車輛空調機組的運行環境的復雜多變性，給車輛空調系統的控制帶來了巨大的挑戰。目前列車空調機組主要是在設計工況下進行實驗測試滿足性能指標。然而在非設計工況下的性能很難去分析驗證，主要靠經驗或者PID自動控制等，對于整個空調系統的調節機理認識還比較模糊。

本文以上海地鐵某線成熟的空調機組的設計工況為參考點來分析。選取室內空氣溫度、室內空氣濕度、室外冷凝空氣溫度、冷凝器對數平均溫差、蒸發器對數平均溫差五個代表的參數來模擬空調機組制冷循環的變工況，以制冷量、壓縮機進出口溫度、制冷劑摩爾流量、冷凝器和蒸發器的最小傳熱溫差六個參數為輸出變量，來綜合表征空調機組的制冷循環的綜合性能指標，在考慮制冷量大小的同時還要分析當前冷凝器和蒸發器的傳熱狀況是否惡化（對數平均溫差一定的情況下，最小傳熱溫差能大致反映傳熱工況惡化程度），是否壓縮機處于帶液工況，發展趨勢以及工況的穩定性和適用性。對設計和指定地鐵車輛空調系統的控制策略提供很好的借鑒。

1 問題描述和分析

1.1 問題描述

上海地鐵某線空調機組選用R407C作制冷劑，蒸發器和冷凝器為銅管鋁翅片換熱器，電子膨脹閥，壓縮機選用渦旋壓縮機。制冷循環的系統原理圖如圖1所示，表1為空調機組的主要設計指標。

表1 制冷循環主要設計參數

圖1 制冷循環的系統原理圖

1.2 模型參數的確定

依照空調機組的計算書確定以上制冷循環的理論分析模型的參數為：

（1）制冷壓縮機模型：功率為15kW，等熵壓縮效率為60%，進、出口壓力分別為729kPa和2352kPa。進出口溫度隨著制冷劑流量的變化而變化；

（2）冷凝器模型：冷凝器為對數平均溫差為17℃，制冷劑的流動阻力為20kPa的換熱器，室外空氣側溫度35℃，相對濕度70%，流量18000Nm3/h，忽略空氣側阻力的影響；

（3）蒸發器模型：蒸發器為對數平均溫差為9℃，制冷劑的流動阻力為18kPa，室內空氣入口溫度29.54℃，相對濕度70%，流量5000Nm3/h，忽略空氣側阻力的影響；

（4）節流閥模型：就是一個等焓過程，已知入口溫度和進出口壓力，可以得出口溫度和氣液分率。

1.3 分析過程

先假設壓縮機入口溫度為某一個值（取15℃），根據壓縮機模型，可以求出出口溫度和制冷劑流量，這樣代入冷凝器模型中可以求出空氣出口溫度和制冷劑出口溫度，這樣依次可以求出蒸發器的制冷劑入口溫度和氣液分率，室內空氣出口溫度和冷凝水流量，和制冷劑出口溫度，代替先前的假設溫度重新計算直至假設溫度和計算出的溫度一致，計算結束，得到了整個制冷循環各個部件的進出口參數。

2 空調機組的變工況分析

2.1 室外冷凝空氣溫度的影響

圖2 室外溫度對制冷量和進出口溫度的影響

圖2反映了隨著室外冷凝入口溫度的變化對制冷量、壓縮機進出口溫度的影響。隨著室外溫度的上升制冷量先是緩慢下降，然后過渡到五倍多的下降斜率，室外溫度小于35℃時，下降的斜率為-0.7kW/℃，室外溫度大于38℃時，下降的斜率為-3.6kW/℃。壓縮機進出口溫度基本隨著室外溫度的上升而上升，然后趨于穩定值，再微弱下降，在較低室外溫度時，壓縮機入口會帶液，維持溫度不變，室外溫度大于46℃時，壓縮機進出口溫度有微弱下降的趨勢。

圖3 室外溫度對制冷劑流量和最小傳熱溫差的影響

圖3給出了制冷劑摩爾流量隨室外溫度的變化規律，隨著室外溫度的增加，制冷劑摩爾流量先勻速下降（斜率為-7.2Nm3/h/℃），然后趨于穩定值260Nm3/h。冷凝器的最小傳熱溫差隨著室外溫度的上升先上升，然后從35℃時開始進入跳躍式上升到最大值13.9℃，此時室外溫度為40℃，然后再以-0.5℃/℃的斜率下降。蒸發器的最小傳熱溫差在室外溫度較小時微弱上升達最大6.8℃（室外溫度小于36℃，上升斜率約0.08），然后跳躍式下降到最低值2℃（室外溫度43℃），維持一段后緩慢回升。

2.2 室內空氣溫度的影響

圖4、5給出了蒸發入口溫度對整個制冷循環的影響，隨著蒸發入口溫度從25℃增加至35℃，制冷負荷先勻速增加，增加的斜率為2.4kW/℃，到參照工況點29.54℃時趨于不變。壓縮機進口溫度的變化趨勢是蒸發入口溫度小于29℃時，先基本不變（壓縮機入口處于帶液狀態），然后快速上升，斜率6.7，大于30℃時變為以1.5的斜率緩慢上升；壓縮機的出口溫度的變化趨勢是蒸發入口溫度小于27℃時，先基本不變（或者上升十分微弱），然后快速上升，斜率14.5，蒸發入口溫度大于31℃變為以1.5的斜率緩慢上升。

制冷劑摩爾流量隨著蒸發入口溫度的增加先是以-35Nm3/h/℃的斜率勻速下降，然后趨于微弱的下降（斜率約1.7Nm3/h/℃）；冷凝最小傳熱溫差在蒸發入口溫度小于27℃時，先以-0.9的斜率下降；然后轉入-3的斜率加速下降，再以-0.1的斜率緩慢下降；蒸發器最小傳熱溫差在蒸發入口溫度小于30℃時，基本維持在6.6℃最大值不變，然后以-2.3的斜率加速下降，最后以-0.2的斜率下降到零。

圖4 室內溫度對制冷量和進出口溫度的影響

圖5 室內溫度對制冷劑流量和最小傳熱溫差的影響

2.3 室內空氣濕度的影響

室內空氣濕度反應了室內潛熱負荷的大小，在溫度和流量不變的情況下，空氣濕度越大，含濕量也越大，出口冷凝水就越多。

圖6 室內濕度對制冷量和進出口溫度的影響

從圖6可以得知，隨著室內空氣濕度的增加，壓縮機進出口溫度以及制冷量的變化規律。室內空氣濕度小于70%時，壓縮機入口溫度隨著室內空氣濕度的增加先增加，然后趨于29℃維持不變。這主要是受室內空氣入口溫度29.5℃的傳熱限制。出口溫度也是先增加，然后趨于104℃不變。制冷量（即蒸發負荷）的變化趨勢也是先增加，在室內空氣濕度達到70%時，制冷量達到48.6kW，然后趨于48.7kW維持不變。

圖7 室內濕度對制冷劑流量和最小傳熱溫差的影響

圖7顯示了冷凝器和蒸發器的最小傳熱溫差、制冷劑的摩爾流量隨室內空氣濕度的變化趨勢。除了蒸發器的最小傳熱溫差先小幅上漲，都是迅速下降然后趨于某一固定值。蒸發器最小傳熱溫差趨于0℃，冷凝器最小傳熱溫差趨于2℃，制冷劑摩爾流量趨于259Nm3/h。

2.4 冷凝器對數平均溫差的影響

對數平均溫差反應了換熱器換熱面積的大小，在一定的換熱量的情況下，對數平均溫差越大，需要的換熱面積也越大，換熱器的體積和重量就越大。選擇合理的對數平均溫差對整個制冷循環運行的經濟性有重要影響。參照設計工況點可知，整個單元式制冷機組中冷凝器的換熱量為59kW，重量約49kg，對數平均溫差17℃，而蒸發器換熱量約為46kW，重量23kg，對數平均溫差為9℃。單純的從傳熱學角度分析，冷凝器傳熱的緊湊性不如蒸發器，冷凝器的對數平均溫差選取還受制冷循環實際的工況特性影響。

圖8、9顯示了冷凝器的對數平均溫差的變化對參考工況下的空調機組制冷循環的綜合性能的影響。冷凝器的對數平均溫差從9℃到35℃，相當于換熱器的面積大約從2倍減小到原來的一半，制冷量從最大值50kW先是緩慢下降，然后過渡到加速下降（冷凝器對數傳熱溫差在21℃至28℃時，制冷量從42kW下降到16kW，斜率為-3.7kW/℃）；相應的壓縮機進口溫度先基本維持不變，然后16℃至22℃間以2的斜率上升至最大值維持不變，最后緩慢下降，壓縮機出口溫度在蒸發器對數平均溫差小于12℃時基本維持不變，然后過渡到以2.5的斜率的上升到最大值維持不變，最后緩慢下降。

圖8 對數平均溫差對制冷量和進出口溫度的影響

圖9 對數平均溫差對制冷劑流量和最小傳熱溫差的影響

從圖9可以看出，在冷凝器對數平均溫差小于13℃時，制冷劑摩爾流量先維持不變然后緩慢的下降，對數平均溫差在13℃至21℃時，以-4.5Nm3/h/℃的速度下降，然后過渡到最小值262Nm3/h維持不變，大于32℃，在緩慢回升。冷凝器的最小傳熱溫差從0℃先是緩慢上升，然后平滑過渡到斜率為3的上升過程，在冷凝器對數平均溫差大于22℃時上升斜率變為0.4。蒸發器的最小傳熱溫差在冷凝器對數平均溫差小于20℃時基本維持不變，然后迅速下降到最低點2.2℃，維持一段后緩慢回升。

2.5 蒸發器對數平均溫差的影響

圖10 對數平均溫差對制冷量和進出口溫度的影響

圖11 對數平均溫差對制冷劑流量和最小傳熱溫差的影響

圖10、11給出了蒸發器對數平均溫差對整個制冷循環主要系統參數的變化規律。制冷量在對數平均溫差小于9℃基本維持不變，然后以-5.9kW/℃的斜率勻速下降。蒸發器對數平均溫差在較小（即換熱面積較大）時，壓縮機的進出口溫度都是穩定的微弱下降，從對數平均溫差8℃開始轉入快速下降，最后又變為平緩的下降過程。壓縮機入口溫度比出口先轉入平穩（入口：蒸發器對數平均溫差大于9.5℃時，出口：蒸發器對數平均溫差大于10℃時）。

從圖11中可知，制冷劑摩爾流量隨著蒸發器對數平均溫差的增加先是基本維持不變，在大于9℃時以99Nm3/h/℃的斜率上升；冷凝器的最小傳熱溫差在蒸發器對數平均溫差小于8℃時基本維持2℃不變，然后過渡到迅速以5.5的平均斜率上升，最后緩慢上升趨于14℃；蒸發器的最小傳熱溫差從0℃先是緩慢上升，然后平滑過渡到斜率為6的上升過程，在參考工況點時上升斜率下降為0.9。

3 結論

通過以上上海地鐵某線空調機組的變工況分析可知：

（1）室內溫、濕度較大時對制冷量幾乎沒影響，冷凝器和蒸發器的傳熱惡化，室內溫度小于30℃，濕度小于65%時，才正相關于制冷量。

（2）制冷量隨著室外溫度的增加而不斷減小，分為兩段下降，溫度較低時制冷量隨室外溫度下降斜率約為溫度較高時的1/5，室外溫度的轉折點約在36℃。

（3）增加冷凝器或蒸發器的面積對制冷量的影響十分有限，過大的換熱面積會使傳熱惡化，制冷量幾乎不變，即制冷量的增加只在換熱面積較小時有效，因此，要防止冷凝器或蒸發器的面積過小致使制冷量損失過大。

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Analysis of Variable Working Condition of Air Conditioning Units in Metro Vehicles

Gao Yang

( Shanghai Rail Transit Equipment Development Co., Ltd, Shanghai, 200245 )

This paper analyzes the influence of indoor and outdoor environmental changes on the cooling performance of the air-conditioning units in Shanghai Metro. The results show that when the indoor temperature and humidity are large, they have little effect on the cooling capacity, heat transfer in the condenser and the evaporator is deteriorating; when the indoor temperature is less than 30 ℃, and the humidity is less than 65%, they are related to the cooling capacity. The cooling capacity decreases with the increase of the outdoor temperature, and the process is divided into two sections. When the temperature is low, the slope of the cooling capacity decreasing with the outdoor temperature is about 1/5 of the high temperature. Increasing the heat transfer area of the condenser or evaporator increases the cooling capacity only when the heat transfer area is small. To prevent the heat exchange area from being too small, the cooling capacity loss is too large.

air conditioning unit; indoor temperature and humidity; outdoor temperature; logarithmic mean temperature difference; minimum heat transfer temperature difference

TB657.2

A

1671-6612（2019）04-380-05

高 洋（1983.2-），男，碩士，工程師，E-mail：gshliush@163.com

2019-04-08