城市軌道車輛空調機組原理及發展方向

張星　王宏宇　徐楊非

摘要：本文主要介紹了軌道空調機組的制冷原理和系統構成，以及各主要器件的作用;同時也介紹了未來可在軌道空調上得到廣泛應用的變頻技術、微通道換熱器、空氣凈化技術等。

關鍵詞：軌道車輛空調;制冷原理;變頻技術;微通道換熱器;空氣凈化

隨著國民經濟的不斷發展，城市人口的增多，緩解城市擁堵最好的辦法之一是建設城市軌道交通，這已成為共識;而軌道車輛空調系統是城市軌道交通中的重要設備之一，主要擔負著對城市軌道車輛內部空間的空氣溫度、濕度、微風速等舒適性指標進行控制，并參與車內空氣品質控制的任務。

1.空調機組運行的原理

制冷原理;壓縮機將制冷劑壓縮成高溫高壓蒸氣，排到室外側換熱器（做冷凝器用），在軸流風機作用下，室外空氣流經室外側換熱器將制冷劑放出的熱量排走，使高壓蒸氣冷凝成高壓液態制冷劑，經節流裝置節流降壓后，進入室內側換熱器（做蒸發器用）蒸發吸收室內空氣熱量，在離心風機作用下，將低溫空氣吹入室內。然后氣態制冷劑又被吸入壓縮機，不斷重復上述過程進行制冷循環。

熱泵制熱原理;通過四通閥改變制冷劑的流向，從壓縮機排出的制冷劑先流向室內側熱交換器（做冷凝器用），再經節流裝置節流后后進入室外側熱交換器（做蒸發器用），最后經吸氣管返回壓縮機。如此循環，室內不斷吸收熱量達到升溫目的。

2.城市軌道空調機組系統特點及構成

軌道交通空調具備小型輕量化、可靠性高、免維護程度高等特點，系統構成及器件選擇需要充分考慮這幾方面的因素。

以某一款熱泵空調為例，整個空調機組布置兩個獨立的制冷系統，兩個系統的壓縮機和室外側換熱器分開，室內側換熱器在一個換熱器上交錯布置，通過四通換向閥來切換制冷、制熱狀態，一個系統故障另外一個系統可正常運行。系統除壓縮機、換熱器、節流裝置、四通閥、風機等主要部件外，還需增加一些增強系統可靠性的部件，如氣液分離器、干燥過濾器、壓力開關、液管電磁閥、止逆閥、檢修閥等。

2.1.壓縮機

壓縮機從吸氣管吸入低溫低壓的制冷劑氣體，利用電機帶動內部機構運動，實現內部容積的改變，來實現對制冷劑氣體壓縮，向排氣管排出高溫高壓的制冷劑氣體，為制冷循環提供動力。因軌道交通對零部件可靠性要求高、空調機組制冷量需求較大等因素，現在軌道空調上應用最多的為全封閉渦旋壓縮機。

2.2.換熱器

換熱器是空調機組用來使制冷劑與空氣進行熱交換的裝置，換熱器是將肋片串在紫銅管上脹緊而成。增加換熱面積可增加換熱量，若肋片碰扁或氧化、臟時，將增大風阻減小換熱面積，所以生產中應保證肋片清潔平整。肋片材料為鋁箔、銅箔，其形狀有平片、波紋片和沖縫片;采用親水膜涂層的鋁箔或銅箔作翅片，使空氣中水分在換熱器表面冷凝成水膜狀流下，不會形成“水橋”，從而加大循環風量，并有較好的抗腐蝕性能;換熱器銅管采用內螺紋管加大內表面面積，強化傳熱效果。

2.3.節流裝置

節流裝置的作用是降低液體制冷劑的壓力和溫度，調節進入蒸發器的制冷劑流量。在特定的工況下，節流裝置與制冷系統匹配，使空調機組的工作狀態達到最佳。常用的節流裝置有毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等;毛細管對制冷系統工況變化適應性差，不容易使各種工作狀態都處于最佳;熱力膨脹閥有一定的自我調節能力，但是調節范圍較窄，反應速度慢;電子膨脹閥有調節范圍寬，反應快等特點，但是成本較高，控制較復雜;根據空調機組的不同使用情況，現在三種節流裝置在軌道空調上都有較多的應用。

2.4.四通閥

四通閥的作用是在空調系統從制冷轉化到制熱狀態時改變制冷劑流向。當電磁閥線圈處于通電狀態，先導滑閥在電磁線圈產生的磁力作用下克服壓縮彈簧的張力而移動，高壓氣體進入毛細管后進入左端活塞腔，另一方面，右端活塞腔的氣體排出，由于活塞兩端存在壓差，活塞及主滑閥右移，使排氣管與室換熱器接管相通，使制冷劑直接接入室內換熱器，形成制熱循環。

2.5.氣液分離器

軌道車輛空調用氣液分離器一般是通過重力沉降的原理，將在蒸發后殘余的制冷劑小液滴從氣態制冷劑中分離并貯存起來，待其吸熱后自然蒸發成氣態再進入壓縮機的裝置。主要作用是將氣體和液體分離，確保進入壓縮機的制冷劑全部為氣體，能有效避免制冷劑以液態形式進入壓縮機造成“液擊”損壞壓縮機。

2.6.干燥過濾器

干燥過濾器的內部含有分子篩，可以濾除空調系統內部的水分、酸、固體雜質等，在這些污染物被清除后，系統就比較安全，不會發生節流裝置堵塞、有害的化學反應、也不會存在有損害的磨損性物質等。

2.7.電磁閥

在空調機組的冷凝器出口的液管上布置一個常閉的電磁閥，避免停機較長時間后液態制冷劑遷移到蒸發器內，重新開機時大量液體進入壓縮機造成液擊，引起壓縮機損壞等故障。

3.軌道空調發展方向及新技術

隨著節能減排要求的提高，整車對各部件的重量要求越來越嚴格，降低空調機組的重量以及提高空調機組的能效是急需解決的問題;同時隨著人們環保意識的提高，人們對對車輛內的空氣質量的要求也越來越高，概括來說，軌道車輛空調機組未來的發展方向是：節能、高效、舒適、可靠。

3.1變頻技術的應用

變頻技術歷經30多年的發展，已日趨成熟，工業變頻器應用廣泛，變頻空調機組具有以下特點：①節能;高頻降溫，低頻連續運行維持溫度恒定，減少了多次開關造成的開關損耗，從而達到節能的目的;②高效;變頻壓縮機配合電子膨脹閥、高效制冷劑（如R410a），使空調機組在額定工況下的能效遠高于其他型式時的能效，同時當壓縮機低頻運行時，能效比更高，更節能。③舒適度高;溫差較大時可高頻運行快速降溫（升溫），通過壓縮機變頻運行，可將車內溫度控制在設定溫度±1℃。

綜合以上特點，變頻空調機組將是后續城市軌道交通車輛空調機組的主流型式，同時在變頻空調機組上應用的全變頻技術（壓縮機、軸流風機、離心風機均變頻）、智慧型控制技術（通過多個采集點得到的溫度、濕度、壓力、CO2濃度等數據對空調機組的運行進行適時檢測，并根據積累得到的大數據進行故障預處理和推薦措施處理，提高了空調機組的自動運行能力、自主檢測能力、故障處理能力），將會使空調機組更節能、更可靠、運行智能化。

3.2微通道換熱器的應用

微通道換熱器，就是通道當量直徑在10-1000μm的換熱器。這種換熱器的微通道扁管內有數十條細微流道，在微通道扁管的兩端與圓形集管相聯。集管內設置隔板，將換熱器流道分隔成數個流程，與常規管翅式換熱器相比，微通道換熱器具有以下優點：①風阻小、換熱系數高、有效換熱面積大;②結構緊湊，重量輕，材料成本低，價格便宜;③內部容積小，整機所需制冷劑充注量少;④所用材質均為鋁，回收無需分解;⑤扁管和翅片的焊接工藝結構強度高、長期運行性能變化小;且其焊接方式決定了扁管和翅片的接觸熱阻好，換熱器換熱系數大。

微通道換熱器現已在汽車空調上得到廣泛的應用，隨著我國在釬焊領域的投入，統一的行業標準形成，微通道換熱器在軌道空調上作為室外側換熱器將得到更廣泛的使用，這樣既節約成本，又響應國家節約能源、保護環境的號召。

我公司曾在某一地鐵空調機組上將室外側換熱器用微通道換熱器代替，和原來使用翅片管式冷凝器相比，在其他參數和試驗工況一致的前提下，制冷量、能效比顯著提高，充注量、質量、厚度、成本顯著降低，優勢巨大，具有較高的研究和推廣意義。

3.3空氣凈化技術的應用

以前人們更多的關注大氣污染，卻容易忽略地鐵空氣潛在的危害;地鐵多建在地下深處，車站之間通過復雜的隧道系統連接，是一個相對封閉的空間。地鐵車站與外界的空氣交換只能通過車站出入口和有限的隧道風井來進行，現在乘客對車內空氣質量要求不斷提高。為保證車廂內良好的空氣清潔度，目前國內外很多地鐵車輛都安裝了空氣凈化裝置，光等離子殺菌、光觸媒殺菌、紫外線殺菌等空氣凈化技術在軌道空調上均有較多的應用。

4.結束語

軌道交通車輛空調機組與普通空調制冷、制熱原理相同，但是因為軌道空調的特殊性，在普通空調機組上增加了更多的保護裝置;同時隨著軌道交通不斷的發展，節能減排、車內空氣質量的要求日益提高，節能、高效、舒適將是軌道車輛空調未來的發展方向，而變頻技術、微通道換熱器作為室外側換熱器、空氣凈化技術未來在軌道空調一定會得到更廣泛的應用。

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