單元式空調機組在長春輕軌的應用

張燕萍

（長春軌道交通集團有限責任公司，吉林長春 130000）

0 引言

長春輕軌三期車輛自2009 年采購并陸續投入運行，共計40 列電客車，車型為70%低地板C 型輕軌車輛（以下稱為“C 型三期車輛”）。車輛空調系統均采用車頂單元式空調機組，其中30 列CK30d/DBPE-A03 變頻車輛空調機組，10 列KLR30YTH熱泵空調機組。

單元式空調機組主要由壓縮機、冷凝風機、冷凝器、氣液分離器、干燥過濾器、毛細管（或膨脹閥）、通風機、蒸發器等組成，機組成單元安裝于列車車頂。此類空調系統采用機電一體化、模塊化設計，機組體積小，機組部件或整體可實現互換，便于日常維修維護。同時，由于輕軌電客車結構特點，空調機組與車輛其他電氣設備均安裝于車頂，這樣減少了系統管路，可以在一定程度上降低制冷劑泄漏的概率，同時也方便機組電氣布線。

C 型三期車輛目前已在長春軌道交通3 號線和4 號線運營近10 年時間，車輛已進入廠修修程。下面就C 型三期車輛采用的單元式空調機組在長春軌道交通的應用情況作系統分析。

1 兩種單元式空調機組的對比

長春C 型三期車輛采用的兩種形式的單元式空調機組在結構形式上基本一致，但在具體的控制原理及機組個別器件上存在一定差異，以下對兩種空調機組做簡單介紹。

1.1 機組結構特點及控制原理

1.1.1 CK30d/DBPE-A03 變頻輕軌電客車空調機組

該空調系統的結構型式為頂置單元式機組，出風、回風均在下部，即電客車車廂內部。空調系統的車內主風道與出風口相連接，空調系統車頂進風口與機組回風口之間通過密封膠條連接。空調系統處理后的空氣從車內主風道經過送風口送入輕軌車廂內，空調機組采用先進的一體化設計、冷暖變頻設計、模糊控制技術以及智能監測技術。空調系統輸入電源、指令控制信號由車頂2 個連接器與機組連接。空調系統壓縮機采用全封閉變頻渦旋壓縮機，制冷劑為R410A 環保制冷劑，節流元件為電子膨脹閥。每列輕軌車輛動車模塊安裝一組空調機組，每臺機組具有兩個獨立的制冷循環系統，控制操作在司機室實現，可根據車內負荷大小、溫濕度情況分別進行變頻控制，實現能量自動控制調節，功能部件由機組內部的電控模塊進行并接收車輛的控制指令，手動控制指令主要有通風、半冷、全冷、半暖及全暖，以達到節能的效果。

空調機組裝有電動新風風閥及外環境溫度傳感器、客室內回風溫度傳感器等。新風量的大小由電動新風風閥的開度控制，電動新風風閥由機組內部電控系統自動控制，通過控制電動新風風閥的通電時間來控制新風風閥的開度。

空調機組的混和風過濾網安裝于蒸發器前側；新風通過電動新風風閥和風柵進入機組內部，在機組設置有新風過濾網，清洗濾網時不需打開機組的頂蓋，即可方便地拆下新風過濾網。

1.1.2 KLR30YTH 熱泵空調機組

該型號空調系統的結構型式亦為車頂單元式，底部出風、回風，安裝在客車的頂部，空調機組通過電氣連接器（插頭、插座）與車內連接。空調系統的出風口通過過渡接口與車內風道連接、車頂進風口與回風口之間通過密封膠條連接，處理后的空氣由車內主風道經送風口送入輕軌車車廂內。

該空調機組是熱泵式空調機組，空調系統可根據需要調節車內的空氣參數，機組結構簡單，機電一體化設計，使用環保型制冷劑R407C。采用全封閉渦旋壓縮機，毛細管（制冷）、節流元件為膨脹閥（制熱）。每列車4 組空調機組，每臺機組有兩個獨立的制冷循環系統，空調系統由PLC 控制，可實現通風、制冷、制暖等工況的自動控制。

機組的蒸發器前設回風過濾網新風從機組端經氣水分離裝置、通過電動新風調節門和新風道進入機組內部，機組內部設有新風過濾網，對進入的空氣進行過濾，新風與回風在蒸發器前混合（表1）。

1.2 工作原理

1.2.1 制冷原理

空調機組每個制冷回路由壓縮機、冷凝器、電子膨脹閥、蒸發器、四通閥等主要部件組成，每臺空調系統具有兩個獨立的制冷回路。在制冷循環過程中，壓縮機首先將低溫低壓的氣態制冷劑壓縮成為高溫高壓的過熱氣體進入冷凝器，冷凝風機將外界空氣與冷凝器進行強制對流熱交換，處理成高壓液體。冷凝器內的高壓液體通過空調機組電子膨脹閥進行節流降壓后進入到蒸發器，通風機使外界新風與客室內組成的混合空氣與換熱器進行強制對流換熱，蒸發器內的低壓液體蒸發成為低壓氣體，會被壓縮機吸入，完成一個制冷循環。

表1 空調機組基本技術參數

輕軌車車廂內空氣被通風機從回風口吸入與空調機組新風混合后經過蒸發器除濕降溫，由出風口吹出，向車內提供冷氣，在制冷系統不斷工作下使車內溫度持續降低，達到設定溫度要求。

1.2.2 制暖原理

空調系統制暖過程中制冷劑在制冷回路中的流動方向通過四通閥的換向與制冷時相反，室外冷凝器和室內蒸發器的相反。由壓縮機將制冷劑壓縮成高溫高壓的過熱氣體，經過空調系統四通閥切換進入蒸發器內，再由通風機進行強制對流熱交換進行冷凝，機組內冷空氣經過蒸發器加熱后送到輕軌車廂內，從而達到制熱作用。

空調機組蒸發器中的熱蒸汽經過室內冷空氣的冷凝作用后，變成高壓液體，進入電子膨脹閥降壓為低壓低溫的液體，進入冷凝器進行蒸發作用。當外界溫度較低時，室外側冷凝器翅片會產生結霜情況，空調會自動判斷并進行除霜，以提高提供制熱能力。

為了提高空調機組在特別低溫的環境下能使輕軌車廂內部的溫度快速升高到使乘客較為舒適的溫度，空調機組啟動時輔助電加熱將自動打開，參與空調機組的供暖。

1.3 空調機組制冷劑、制暖效果

根據《城市軌道交通車輛空調、采暖及通風裝置技術條件》（CJT 354—2010）要求，軌道交通空調制冷能力為：當環境溫度為33 ℃時，車輛空調的制冷能力應能保障定員條件下車內溫度不高于28±1 ℃，相對濕度不超過65%；車輛采暖能力為應維持室溫不低于14 ℃。長春軌道交通C 型列車采用的CK30d/DBPE-A03 變頻車輛空調機組車內溫度可在22～28 ℃范圍內調節，KLR30YTH 長春熱泵空調機組熱泵空調系統PLC 控制器自動控制車內溫度，夏季車內溫度可調節在24～28 ℃，冬季車內溫度可調節在18～20 ℃。

2 單元式空調機組在長春軌道交通的使用情況

兩種型號空調機組在長春軌道交通投入使用近10 時間，下面從使用效果和故障率兩個方面對兩種機組的使用情況進行分析。

2.1 使用效果

（1）CK30d/DBPE-A03 變頻車輛空調機組。該空調機組最大的特點就是采用變頻技術。變頻空調最大的優勢在于節能環保，并可以根據相應的壞境溫度自主的調節功率，滿足不同工況下的使用要求。目前的軌道交通客流量大，但是部分時間段（如高峰及平峰時間）或者是不同線其客流量也存在差異，這種情況下變頻技術的優勢就會顯現出來，使人體感受比較舒適。

（2）KLR30YTH 熱泵空調機組。該空調系統由下位機PLC和車載上位機組成控制系統。空調機組配備有功能選擇開關，通過功能選擇開關來選擇空調機組控制模式。控制邏輯是：當功能選擇開關打到“制冷”/制暖狀態，系統進入自動冷/暖，下位機以遠程的設定制冷/暖溫度（Td）及客室溫度進行比較，根據圖1、圖2 自動選擇制暖運行模式進行自動選擇運行模式。當功能選擇開關打到“自動”狀態，系統根據遠程的預設制冷、制暖及客室溫度進行自動調節運行。運行模式等同于遠程控制的“自動模式”。

圖1 制冷模式自動工況

圖2 制暖模式自動工況

一般情況下上線運營的車輛，空調的控制模式一般要求為“集控”，司機只需要設置好溫度即可，變頻空調系統可根據情況調節其系統部件的運行情況，使客室溫度始終保持在適宜的溫度。長春輕軌2013 年夏季為例，空調機組的投訴率所有投訴的比例高達38%，其中有一部分投訴是因為客室溫度過低，但該類投訴在CK30d/DBPE-A03 變頻車輛空調機組沒有出現。

2.2 存在的問題

2.2.1 故障頻繁出現

因為兩家制造廠商均未充分考慮到長春的空氣環境，所以以下3 種故障出現較為頻繁。

（1）空調濾網堵塞，出風量小。長春輕軌是地上軌道交通，空氣質量受季節影響較大。長春輕軌三期車輛在春季柳絮紛飛的季節陸續出現過出風量小、制冷效果不好，乘客投訴增多。其中CK30d/DBPE-A03 變頻車輛空調機組較為明顯，按照維護說明書的要求按月清洗空調濾網的頻次已不能滿足需求，后期根據實際運營經驗將濾網的清洗頻次改為1 次/周。

（2）空調機組漏雨。該故障兩種機組均有發生，主要原因是對環境因素考慮不夠，進入車頂空調機組的異物較多，致使空調機組排水口堵塞，從而導致冷凝器結冰、風道漏雨現象。

（3）空調機組由輔助電源的匹配問題。由于車輛輔助電源輸出電壓諧波較大，致使空調機組控制器件燒損較多。

2.2.2 制暖效果不太理想

長春冬季溫度較低，空調機組冬季溫度較低時無法啟動或制暖效果不佳。部分能啟動的空調機組，由于處理后的壓縮氣體經風道進入客室已經溫度不高，很難達到預想效果。經過與車輛設計人員溝通，發現其在設計時并未充分考慮室外溫度對空調制暖效果的影響，所以長春軌道交通集團有限責任公司每年冬季都會將空調機組關閉，完全依靠客室電加熱設備供暖。

3 小結

在長春輕軌的日常運營中，CK30d/DBPE-A03 變頻空調機組與KLR30YTH 熱泵空調機組均基本能穩定工作，為長春市民的正常出行提供了良好的乘車環境，但是存在的問題也不少。問題的根源不在空調系統本身，而是設計時未對空調系統實際使用情況做充分評估以及與相關系統的接口問題。