城市軌道交通A 型車空調選型及節能研究

王鵬宇，王 峻

（蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 719300）

近年來城市軌道交通建設進程持續加快，人民生活水平不斷提高，安全正點快捷的運營要求已不能滿足乘客的需求。乘客對于地鐵車輛舒適性的要求愈加強烈，乘坐舒適性的要求逐步提上日程。電動客車的空調系統在滿足乘車舒適性方面顯得尤為重要，目前城市軌道交通大部分屬地下線路，地鐵車輛基本都在隧道區間運行，當列車進入隧道運行，車體表面將會有明顯的壓力變化，這種壓力變化極易造成乘車體驗感下降。加之地鐵車輛區間運行的活塞效應也是影響地鐵車輛內負荷的原因之一，長時間的運營導致地層的蓄熱作用也使得車輛內部溫度升高。所以地鐵車輛空調系統承擔著車內溫度、濕度、新風量等舒適性指標能否達標的重任。

1 車輛空調系統概述

車輛空調系統包括客室空調機組、送風裝置、排風裝置及司機室送風裝置。其通過空調機組自帶新風口吸入的新風經過濾后與來自客室的回風混合，經空調機組蒸發器降溫除濕處理后送入均勻送風道，風道通過沿車長方向布置的條縫式送風格柵向車內均勻送風；客室內部分空氣通過設于車頂的回風口進入空調機組，與新風在蒸發器前混合，經蒸發器降溫除濕后在送風機的作用下送入客室。回風口設濾網及電動風量調節機構。客室采用頂置式自然排風裝置來保證室內排風。A 型電動客車氣流組織圖如圖1 所示。

圖1 氣流組織圖

2 車輛空調額定工況制冷負荷分析

地鐵車輛內的熱負荷是指單位時間內散發到車內的總熱量Q0，空調系統所需的通風量、制冷量、制熱量的確定取決于車內熱負荷。通過車內熱負荷的計算分析，能對空調進行選型提供支撐，判斷車內溫度、濕度等各項指標在不同環境下能否達標。地鐵車輛熱負荷主要組成如下：

（1）通過車體絕熱墻壁的傳熱Q1；

（2）太陽輻射熱Q2；

（3）車內電器設備的散熱量Q3；

（4）乘客的散熱（濕）量Q4；

（5）新風熱負荷Q5。

在車輛相同的條件下，第（1）（2）（3）各項熱負荷相同。在乘客量相同的條件下，乘客的散熱（濕）量相同，熱負荷總量即為Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5。

2.1 計算條件

車內空氣計算參數：

溫度：27℃，相對濕度：65%，焓值：64.3kJ/kg，密度：1.15kg/m3。

車外空氣計算參數（隧道）：

溫度：33℃，相對濕度：65%，焓值：89 kJ/kg，密度：1.11kg/ m3。

其他參數見表1。

表1 計算條件下的其他參數

2.2 制冷負荷計算

電動客車空調機組制冷量往往高于實際空調負荷的最大值Q0，現分別計算Q1、Q2、Q3、Q4、Q5。

2.2.1 通過車體隔熱壁的熱負荷

式中：K——車體平均傳熱系統K 值，W/m2K；

F——車體平均傳熱面積，m2；

△t——車內外溫差，℃。

計算結果：

2.2.2 太陽輻射熱負荷

軌道交通大多數為全地下線，本文按照地下線計算，太陽輻射熱負荷Q2=0W。

2.2.3 乘客散熱熱負荷

式中：n——定員數；

q——旅客的人均散熱量。

計算結果：

客室：Q3=310×116=35960W

司機室：Q3=1×116=116W

2.2.4 車內設備散熱熱負荷

客室：Q4=1500W

司機室：Q4=1000W

2.2.5 新風熱負荷

Q5=G·（i2-i1）

式中：G——新風量，kg/s；

i2——車外空氣焓值，kJ/kg；

i1——車內空氣焓值，kJ/kg。

隧道：Q5=3200×1.11×1000÷3600×（89-64.3）=24371W

2.2.6 車內總熱負荷

M（Mp）車：Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=2880+0+35960+1500+24371=65071W

Tc 車：Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=2760+0+35960+1500+24371=64591W

司機室：Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=552+0+116+1000+0=1668W

根據以上計算結果，軌道交通A 型電動客車M（Mp）車制冷負荷為65071W，Tc 車制冷負荷為66259W（含司機室），因此Tc 車制冷負荷最大，空調制冷量按照Tc 車制冷負荷進行選取。根據車輛運行情況并留有適當余量即可，每輛車安裝兩臺制冷量為35kW 的空調機組能夠滿足車輛使用要求。司機室的地面制冷負荷最大，約為1.7kW。司機室的冷空氣取自客室的空調機組。客室空調機組制冷量35kW，總風量5000 m3/h，司機室送風單元的最大送風量645m3/h。則送入司機室的制冷量：35÷5000×645=4.51kW。4.51kW＞1.7kW，司機室送風單元送入司機室的冷空氣能夠滿足司機室的制冷需要。

3 車輛新風調節

3.1 控制新風熱負荷

車輛空調系統設自動和手動兩種方式。各車廂觸摸屏設置集控位，空調機組的工作模式由司機室集中控制，為自動方式。也可在各車廂將控制模式置于其他位，從而實現對本車空調系統的單獨控制。在車輛內外環境溫濕度一致的條件下，車輛空調一般通過減小車輛熱負荷的方式達到制冷時空調節能的要求，故科學合理有效的減小車輛熱負荷通常是通過降低新風熱負荷的方式實現，新風熱負荷也是唯一可控的。下面通過比較常規定頻空調新風量調節和新型節能定頻空調新風量調節兩種方案，闡述新型節能定頻空調新風量可調的模式如何實現節能。

常規定頻空調新風量調節方案控制方是單一，新風量分為全開、1/2 開、全閉3 檔調節，根據空調工作狀態進行調節，如預冷時新風口全閉；緊急通風時新風口全開；正常制冷通風時新風口全開等。目前某地鐵A 型電動客車的新型節能定頻空調采用與常規定頻空調完全不同的控制措施對新風進行調節，其新風量分為全開、3/4 開、1/2 開、1/4 開、全閉5 檔調節。新型節能定頻空調新風口開度根據車輛控制系統提供載客量信號智能開合，空調控制器接受載客量信號并調節新風門的開度，達到調節新風量的目的，并滿足人均新風量10m3/h 以上的基本要求。

采用新型節能定頻空調的方式，新風門風量調節優化后，進入車內的空調機組新風量會減少一部分，新風熱負荷變小。根據載客量信號智能開合新風口的方式，新增的1/4 開、3/4 開、1/4 開3 檔調節，比常規1/2 開經統計新風量減小約16.7%。因新風熱負荷占車輛總的熱負荷約1/3～1/2，取最小值1/3，即新風調節后減少總的熱負荷5.6%。

3.2 客室溫度調節

控制開關在自動位時，車內溫度調節按照UIC553 標準的溫度曲線進行調節，空調機組制冷量能夠根據不同的負荷條件自動減少或增加。此時，按下述公式自動計算設定溫度如圖2 所示。

圖2 自動計算設定溫度圖

同時目標溫度可以隨著載客量變化適當調整，當列車載客量信號有效時，目標溫度調整策略見表2。

表2 目標溫度調整策略表

控制開關在手動位時，在載客量人數≤80 人時，控制器設定目標溫度為27℃，其余狀態按照手動模式進行調節。載客量的不同對節能效果影響很大，為了最大程度滿足車內的溫度舒適性該種方式能夠達6%～10%的節能效果。

3.3 壓縮機舒適性可靠性

某地鐵空調機組采用三菱ZEN117YZA-C 型臥式渦旋壓縮機。壓縮機具有卸載功能，可以實現100%、85%、70%、50%、35%、0 共6 級功能。

具體制冷量以及壓縮機對應電磁閥工作狀態見表3。

表3 制冷量以及壓縮機對應電磁閥工作狀態表

空調機組制冷量通過兩臺壓縮機以及相關電磁閥之間的運行來調節。由于壓縮機卸載運行之后，制冷管路內的制冷劑流量減少，相應的壓縮機輸出制冷能力減小，實現多級調節功能。

隨著客室內的熱負荷的變化，通過對比客室回風溫度與目標溫度設定值，空調機組通過下面的控制邏輯圖，能夠自動輸出相應的制冷量，客室內的溫度波動則會變化很小，舒適性會相應提升如圖3 所示。

圖3 制冷控制曲線

為提高壓縮機軸承潤滑，保證壓縮機長時間停機后的啟動以及在室外低溫時壓縮機的啟動，在壓縮機啟動時打開旁通電磁閥。此時壓縮機排氣側與吸氣側連通，提高壓縮機吸氣的溫度和壓力，并將壓縮機排出的油返回到吸氣側，避免出現吸氣壓力過低的故障，同時能夠提高壓縮機缸體溫度，讓電機持續得到潤滑。

若不實現旁通，在壓縮機啟動初期，內部有大量制冷劑存在的狀態下，由于低壓側大量吸入制冷劑，冷凍機油內混合的制冷劑同時起泡，油就會從壓縮機中排出，壓縮機電機軸的潤滑變差，有時會出現燒損壓縮機的現象。

這種卸載啟動功能，能夠有效地保證每次壓縮機啟動時電機的潤滑，壓縮機的運行可靠性得到保證。由于進入壓縮機內部循環的制冷劑量沒有發生變化，壓縮機做功沒有降低，只是由于外部換熱器內循環的制冷劑量有減少，少量的制冷劑使用全部的換熱器進行換熱，獲得更好的換熱效果，適當地提升了制冷效率，但制冷量會下降，因此采用卸載功能時，空調能效比是略有下降，實際上沒有節能的效果。

4 結論

（1）對車體參數及人員載荷進行負荷計算，可以確定空調機組總體方案，有利于合理的選擇空調設備和控制新風量；

（2）軌道交通A 型電動客車Tc 車制冷負荷最大，空調制冷量按照Tc 車制冷負荷進行選取。根據車輛運行情況并留有適當余量，每輛車安裝兩臺制冷量為35kW 的空調機組能夠滿足車輛使用要求；

（3）采用卸載功能后，空調能夠提供多級調節功能，客室內的溫度舒適性會有明顯改善，壓縮機的運行可靠性有很大提高，但沒有節能效果；

（4）根據載客量信號智能開合新風口的方式會使新風量減小，減少總的熱負荷，可以起到節能降耗的目的。