城軌車輛變頻熱泵空調舒適性及節能研究

劉忠慶 王彥魯

摘要：依據有關標準制定了對比試驗程序，對上海地鐵16號線的變頻熱泵空調列車與定速電加熱空調列車進行了冬季靜止采暖測試，分析了變頻熱泵空調機組在地鐵車輛上使用的舒適性與節能效果，可為我國城市軌道交通車輛空調機組的運用提供參考。

關鍵詞：熱泵空調;控溫原理;舒適性;節能

0? ? 引言

我國城市軌道交通行業發展迅速，城軌車輛逐漸成為人們通勤的重要工具。據統計，軌道交通車輛用電量占運營線路總用電量比重較大，其中以空調為主的輔助系統能耗約占車輛總能耗的一半[1]，因此，研究軌道交通車輛空調機組能耗試驗方法并制定空調機組能效指標符合我國節能減排的可持續發展戰略[2]。目前，城軌車輛冬季采暖應用較多的是電加熱空調系統，應用熱泵空調機組占比較小，為了研究城市軌道交通車輛應用變頻熱泵空調機組的效果，對變頻熱泵空調列車與定速電加熱空調列車的冬季采暖性能進行了測試，分析了變頻熱泵空調在軌道車輛上使用的舒適性與節能效果，可以為我國城市軌道交通車輛空調機組的運用提供參考。

1? ? 變頻熱泵空調控溫原理及節能分析

變頻熱泵型空調機組處于采暖模式時，通過四通換向閥改變制冷劑流向實現制冷模式和制熱模式切換，制熱時，制冷劑依次流過壓縮機、蒸發器、節流裝置、冷凝器、壓縮機[3]，冷凝器從車外空氣吸收熱量，蒸發器向流入車內空氣釋放熱量。當車內溫度低于目標溫度下限值時，壓縮機就會升頻，制冷劑流量變大，制熱量也隨之變大，車內溫度就會升高;當車內溫度高于目標溫度上限值時，壓縮機就會降頻，制冷劑流量變小，制熱量也隨之變小，車內溫度就會降低;當車內溫度與設定溫度偏差小于限值時，壓縮機就維持當前頻率繼續運行。變頻熱泵型空調機組能量分級比定速電加熱型空調機組更細致，因此，其控溫準確性更高、舒適性更好。制熱時，電加熱型空調機組能效比為1，熱泵型空調機組名義工況能效比能達到2以上，雖然熱泵型空調機組隨著室外側溫度降低制熱能效比也會降低，但即使在室外溫度-20 ℃條件下制熱能效比也能達到1.3以上[4]，因此，熱泵型空調機組更具有節能優勢。

2? ? 試驗車輛及試驗程序

本文選取了上海地鐵16號線的兩列車進行對比試驗研究，其中一列車安裝變頻熱泵空調機組，另一列車安裝定速電加熱空調機組，選擇兩列車的1號車和2號車進行靜止升溫測試、微風速測試、開關門測試[5]，被試車的主要性能參數如表1所示，兩列車除空調機組不同之外，其他視為相同。

裝用變頻熱泵空調機組車輛與裝用定速電加熱空調機組車輛的1號車和2號車車內布點方式相同，均參考標準EN 14750-2：2006進行溫、濕度測點以及微風速測點布置[6]。兩列車進行同步試驗，車輛及內部設備處于正常狀態，通風機正常運轉，新風門處于同樣開度位置。車輛靜止時，進行空車升溫試驗，測定空調制熱升溫性能及耗電量，車內溫度穩定后測試車內微風速，然后保持空調控制器設定溫度不變，繼續進行開關門試驗，記錄車內溫度及開關門狀態。

3? ? 測試結果及分析

在上海地鐵公司16號線庫內進行了靜止升溫測試、微風速測試、開關門測試，并用電表記錄了靜止升溫時的空調機組制熱能耗值。

3.1? ? 靜止升溫測試

試驗時庫內平均溫度為7.22 ℃，兩列車同時進行靜止升溫試驗，升溫曲線如圖1～4所示。

由圖1～4可知，在同一外部溫度條件下，變頻熱泵空調列車溫升速率要大于定速電加熱空調列車，由升溫階段到穩定階段時，變頻熱泵空調列車車內溫度過渡平穩，而定速電加熱空調列車車內溫度出現了過高回調的過程，溫度波動相對較大，在整個升溫到穩定過程中，變頻熱泵空調列車車內溫差比定速電加熱空調列車要小。兩種類型空調機組能耗變化曲線如圖5所示。

從圖5可知，在整個靜止升溫過程中，變頻熱泵空調機組比定速電加熱空調機組耗電量少。升溫60 min內，實測定速電加熱空調機組耗電39.24 kWh，變頻熱泵空調機組耗電26.62 kWh，變頻熱泵空調機組節電32.16%。

3.2? ? 微風速測試

車內微風速測試結果如表2所示。

從表2測試結果可以看出，變頻熱泵空調列車1號車與2號車微風速變化范圍基本相同，而定速電加熱空調列車1號車與2號車微風速變化范圍相差較大，變頻熱泵空調列車綜合微風速變化范圍比定速電加熱空調列車要小，說明變頻熱泵空調列車送風均勻性較好。

3.3? ? 開關門測試

依據EN 14750-1：2006對兩類空調列車進行10次開關門測試，開門時間為20 s，關門時間為2 min，測試溫度曲線如圖6～9所示。

由圖6～9分析可知，變頻熱泵空調列車能夠較快平衡開門給車內降溫帶來的影響，保持車內溫度的穩定性;此外，變頻熱泵空調列車車內溫差較定速電加熱空調列車更小，說明溫度均勻性較好。

4? ? 結語

通過對上海地鐵16號線選定的兩列車進行靜止升溫測試、微風速測試、開關門測試這三方面比較，說明變頻熱泵空調機組對車內舒適性的調控效果要優于定速電加熱空調機組，且具有一定的節電潛能?？紤]到熱泵空調機組隨著外溫降低能效比會變小且需要除霜的問題，建議對于冬季氣溫較高的南方地區，可以選擇熱泵空調機組進行供暖;對于冬季氣溫較低的北方地區，可以選擇熱泵空調機組與電加熱混合供暖，這樣有利于提高車輛舒適性以及節能效果。

[參考文獻]

[1] 李瑞振.地鐵車輛應用變頻空調的節能分析[J].節能，2014，33（1）：33-36.

[2] 劉忠慶，歐陽仲志，王彥魯，等.軌道交通車輛空調機組能耗試驗方法研究[J].鐵道車輛，2019，57（8）：5-8.

[3] 李穎明，李躍中.熱泵技術在地鐵車輛空調系統中應用可行性分析[J].電力機車與城軌車輛，2009，32（3）：45-47.

[4] 王興江.低溫熱泵技術在軌道車輛空調上的應用[J].機電工程技術，2011，40（7）：165-168.

[5] 鐵路應用 城市和郊區鐵路車輛用空調 第1部分：舒適度參數：EN 14750-1：2006[S].

[6] 鐵路應用 城市和郊區鐵路車輛用空調 第2部分：型式試驗：EN 14750-2：2006[S].

收稿日期：2020-01-02

作者簡介：劉忠慶（1985—），男，黑龍江克東人，工程師，研究方向：軌道交通車輛空調機組能耗。