鄭州地鐵車輛定頻與變頻空調能耗對比研究

王自鑫?馮俊杰?李冰

摘 要：本研究介紹了鄭州地鐵定頻和變頻空調機組試驗列車配置情況，并對車輛定頻和變頻空調控制原理進行了闡述。空調系統是與車輛整車性能密切相關的重要部件，夏季能耗占比較大。因此，對比分析了夏季制冷月份定頻空調和變頻空調的能耗。結果表明：試驗條件下，變頻空調機組較定頻空調機組更加節能，在7—8月節電率約為10%。

關鍵詞：車輛空調系統;定頻;變頻;能耗

中圖分類號：U270.383 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）34-00-04

Comparative Research on Energy Consumption of Fixed Frequency and Inverter Air Conditioner in Zhengzhou Metro Vehicle

WANG Zixin FENG Junjie LI Bing

（Zhengzhou Metro Group Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： This study introduces the configuration of test train of constant frequency and variable frequency air conditioning unit in Zhengzhou metro， and expounds the control principle of vehicle constant frequency and variable frequency air conditioning. Air conditioning system is an important component closely related to the performance of the whole vehicle， and its energy consumption accounts for a large proportion in summer. At the same time， the energy consumption of fixed frequency air conditioning and variable frequency air conditioning in summer refrigeration month is compared. The results show that under the test conditions， the variable frequency air conditioning unit saves energy compared with the constant frequency air conditioning unit， and the power saving rate is about 10% from July to August.

Keywords： vehicle air conditioning system;fixed frequency;frequency conversion;energy consumption

隨著鄭州市經濟的快速發展和國家中心城市建設步伐的加快，城市軌道交通建設力度不斷加大。地鐵電客車電能消耗主要由牽引和空調兩個系統產生，其中空調系統能耗占車輛總能耗的20%～30%[1]。因此，研究地鐵電客車空調系統的節能具有重大意義。

鄭州地鐵根據夏季城市氣候特點和車輛運營實際情況，選定城郊線電客車作為定、變頻空調能耗試驗列車，變頻機組安裝在列車1單元，定頻機組安裝在列車2單元。為了準確研究城郊線電客車變頻空調的節能性，本試驗通過實測手段，利用空調控制柜中的電能表記錄列車兩種空調在相同運營工況下的單元能耗，結合電客車走行千米數進行對比分析，以期為后續新車采購時空調選型提供科學的依據。

1 定頻和變頻空調控制原理

1.1 定頻控制原理

定頻空調主要由空調控制器和空調機組組成。1臺控制器控制一節車的2臺空調機組，如圖1所示。空調控制器由主控制器、斷路器、接觸器、馬達保護器及中間繼電器等控制器件組成。空調機組由通風機、冷凝風機、壓縮機、電磁閥、冷凝器、蒸發器及毛細管等部件構成。

定頻空調機組控制邏輯較為簡單，通過壓縮機的啟停來控制客室內溫度[2]。在壓縮機運行期間，空調機組持續輸出最大制冷量。當溫度達到設定點時，機組內兩臺壓縮機逐臺關閉，可進行兩擋制冷量調節。

1.2 變頻控制原理

變頻空調是指空調機組根據負荷大小，其制冷能力在一定范圍內進行連續變化的空調。在結構上，變頻空調和定頻空調的主要區別是前者配套了可變速的變頻壓縮機、變頻控制板和改變制冷劑節流性能的電子膨脹閥。

變頻壓縮機的電動機轉速是根據客室內空調負荷而成比例變化的。當室內溫度和設定點溫度差值較大，需要急速降溫或升溫時，空調負荷加大，壓縮機轉速加快，制冷量就按比例增加;當客室內溫度達到設定點溫度時，壓縮機處于低速運轉，從而保持客室內溫度不變。

定頻空調機組制冷量分擋控制，所以客室內溫度波動范圍相對較大。變頻空調機組制冷量在一定范圍內可以無極調節，在所需制冷負荷不發生劇烈變化時，可以更精準地調節室內溫度[3]。圖2為定頻空調和變頻空調相對目標設定溫度的變化曲線。

2 空調能耗試驗方案

在新車設計建造之初，通過技術方案設計、論證、裝車及功能測試驗證，最終在鄭州地鐵城郊線選取兩列同一平臺車型分別完成了一個單元的變頻空調安裝調試工作，同時完成了能耗數據、走行千米數監測計量設備的安裝和核準工作，具備了能耗對比測試的技術條件。另外，測試過程中，保證兩列安裝變頻空調機組的地鐵列車客室溫度設定一致和在一個相對長的測試周期內基本一致的運用工況。

2.1 空調機組裝車

在鄭州地鐵城郊線兩列試驗車（0926車、0927車）的Tc1車、Mp1車、M1車上分別安裝KLR-35V型變頻空調機組，而在Tc2車、Mp2車、M2車上均保留原來的KLD-35型定頻空調機組不變，空調安裝示意圖見圖3。

2.2 能耗及千米數監控

在客室空調控制柜內為每臺空調機組安裝1臺iEM3150系列綜合監控電能表，通過監控空調機組對應的三相380 V電纜每一相的電壓和電流，以及RS485與主控制板的通信，準確記錄并顯示出每臺空調機組的總用電能耗。監控電能表接線原理見圖4。

在兩端司機室電氣柜內分別安裝1臺記錄列車走行千米數的里程計，見圖5。為減少記錄千米數數值誤差，每次記錄數據以1車的里程計數值為統計依據。

2.3 試驗機組參數

在空調機組硬件配置方面，試驗用變頻空調和定頻空調除壓縮機電機形式、節流元件、控制方式外，其余性能參數基本保持一致：制冷劑R407C，制冷量35 kW，送風量4 500 m/h，新風量1 468 m/h，額定制冷功率

18 kW;兩組空調機組的尺寸、對外接口、質量也基本一致。排除機組型式不同對試驗數據的影響外，保證數據準確性。試驗空調機組參數見表1。

3 空調能耗對比分析

鄭州市屬北溫帶大陸性季風氣候，冷暖氣團交替頻繁，春夏秋冬四季分明。夏季比較炎熱，降水高度集中;秋季氣候涼爽，時間短促。全年平均氣溫為15.6 ℃;8月份最熱，月平均氣溫為25.9 ℃。地鐵車輛空調會在6—7月進入制冷狀態。進入8月，高溫持久穩定，晝夜溫差小，此時的空調機組基本都處于全負荷運轉狀態。隨著時間的推移，到10月份，晝夜溫差開始增大，地鐵車輛空調的運轉從夏秋過渡季節逐漸轉為通風狀態[4]。

3.1 能耗評價指標

為準確反映列車上線載客運營與空調能耗的關系，研究者使用空調節電率K衡量列車空調機組每千米的用電量[5]，公式為：

式中：Q為定頻空調列車單元每千米耗電量;Qb為變頻空調列車單元每千米耗電量。兩個參量的計算方法分別見式（2）和式（3）。

式中：P表示每節車2個空調機組的總能耗，這里X指Tc、Tc、Mp、Mp、M、M;S表示列車在該記錄時間段內的走行千米數。

3.2 能耗試驗結果

根據試驗電客車空調運營現狀，對智能變頻空調與定頻空調5—10月共6個月的能耗數據進行統計，并記錄走行千米數。經過計算后，得到庫內和正線不同工況下電客車定頻空調和變頻空調的能耗數據，如表2所示。

由表2可知，試驗用的6臺變頻空調與6臺定頻空調相比，6—10月份，在相同工況下，變頻空調比定頻空調節能，節電率為1.67%～10.9%。綜合考慮庫內與正線情況的不同，車輛載客率和外界環境溫度也是動態變化的。上述變頻空調節能只適用于該工況下的試驗列車。

3.3 試驗對比分析

考慮到鄭州市夏季高溫分布時段，圖6為試驗車輛單元機組每千米的總能耗量對比。從圖6可知，5月份兩種空調機組能耗相同，空調未進入制冷模式，僅進行空調通風，因此能耗相同。6—10月，變頻空調每月每千米能耗均小于定頻空調，總體上變頻空調比定頻空調節能。其中，5—8月定頻、變頻空調機組每千米耗電量均不斷上升，分別從0.419 kW·h上升至1.166 kW·h和

1.063 kW·h，8月份達到最高峰，9月和10月又呈現出下降趨勢。綜上，空調能耗大小與月份密切相關，8月份平均溫度最高，制冷需求量大，因此兩種空調能耗均表現為最高。

為研究變頻空調相比定頻空調在不同制冷月份的節電表現，綜合了兩列試驗列車的實測數據。圖7為試驗車輛變頻空調在不同月份的節電率走勢。5月份因無制冷需求，通風模式下兩種空調機組無節電差別。在氣溫較高的7月和8月，變頻空調節電率達到最高，平均值約為10%，因此制冷需求強烈，空調機組滿載運營時間長，壓縮機能耗在整個空調機組用電量中的占比高，變頻壓縮機會比定頻壓縮機更省電。其他月份，空調機組制冷不能全負荷運營，定頻空調機組會出現半載或變頻空調機組降頻甚至通風的工況。減載模式下，變頻空調的節電率

會下降。

4 結論

通過對鄭州地鐵電客車定頻空調與變頻空調能耗進行對比試驗，可以得出以下結論。

①夏季制冷月份，變頻空調機組與定頻空調機組相比，在減少電能消耗方面具有一定的優勢。氣溫較高的7月和8月，變頻空調節電率約為10%，在節能降耗、減少二氧化碳排放方面具有重大意義。可見，軌道交通車輛采用變頻空調技術是軌道交通發展的必然趨勢。

②車輛變頻空調技術在軌道交通行業內的發展處于應用起步階段，在車輛30年壽命周期中運營檢修、成本核算等方面，應重點關注車輛變頻空調在后續運營檢修中的實際表現。

參考文獻：

[1]肖滋洪，匡美娟，鄭永騰.車輛變頻空調節能技術探索與實踐[J].電力機車與城軌車輛，2017（6）：64-66.

[2]張永利，孟勝軍.軌道車輛變頻空調機組在軌道交通中的節能分析[J].現代城市軌道交通，2012（6）：9-22.

[3]崔軍勝，王佳.城市軌道車輛定頻空調機組與變頻空調機組對比分析[J].學術研討，2019（3）：211-214.

[4]朱洪磊，鄔春暉，李琦.地鐵車輛智能變頻空調全制冷季運行節能試驗研究[J].電子質量，2020（10）：85-90.

[5]黃萍，代秀秀.廣州地鐵二號線A5型車空調能耗及客室舒適性調查與分析[J].機電信息，2017（12）：145-146.