基于地鐵車輛定頻和變頻空調能耗及舒適性研究

章賀磊， 薛世城

（鄭州地鐵集團有限公司， 河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著地球能源越來越緊缺，如何節能已經成為一個國家經濟運行所面臨的重要問題。地鐵列車的電能消耗主要由牽引、空調、照明、控制系統組成，而空調的能耗占1/4 左右，僅低于牽引系統[1]。因此，對地鐵列車空調系統節能的研究具有很重要的意義。

目前，地鐵列車使用的空調有定頻和變頻兩種，變頻空調利用變頻控制器來控制壓縮機和冷凝風機運轉速度的快慢，低負荷時壓縮機以低速運轉，不需要反復啟?？刂?，很大程度上節省了空調的耗電量。為了研究列車變頻空調在節能和舒適方面的可靠性，主要對地鐵列車定頻和變頻空調的能耗以及乘坐時客室溫度舒適性進行了試驗對比。

1 定頻、變頻空調工作原理

目前，城市軌道交通車輛使用的空調分為定頻和變頻兩種形式，列車空調系統主要包括空調控制器和空調機組，空調機組主要包括壓縮機、冷凝風機、蒸發器、干燥過濾器、離心風機、溫度傳感器、新風和回風閥門等部件。空調系統的制冷原理：低溫低壓的制冷劑液體吸收混合風的熱量對空氣進行冷凝，制冷劑本身變為低溫低壓的氣體，該氣體通過管路進入壓縮機，通過壓縮機變為高溫高壓的氣體進入冷凝器，冷凝風機對冷凝器中的冷凝劑和空氣進行熱交換，將冷凝劑變為常溫高壓的液體進入毛細管變為低溫低壓的液體輸送到蒸發器，進而實現制冷循環[2]。

1.1 定頻空調

定頻空調機組采用交流電機，在自動控制方式下，其電源的電壓和頻率是固定的，壓縮機轉速基本不變，依靠壓縮機的啟動和停止來實現其運動過程中制冷量的調節[3]。這種控制方式一方面降低了空調機組使用壽命，另一方面導致車廂內環境溫度波動比較大，形成悶熱潮濕環境，很大程度上降低了乘客的舒適性。

1.2 變頻空調

變頻空調機組在內部增加了變頻裝置，在自動控制調節下，壓縮機自動進行無機變速，通過改變其電源工作頻率、轉速和排氣量的方式來進行制冷量的調節[4]。這種方式當環境溫度達到設定溫度時，通過壓縮機低功率運作實現不停機運轉，從而實現恒溫控制，可提高乘客舒適度。

2 空調能耗試驗和數據分析

2.1 實驗車型及機組參數

本次實驗選擇鄭州地鐵9 號線0927 車，該車為6 節編組，每個車廂安裝有2 臺空調機組和1 個控制柜，每個控制柜單獨控制本節車廂的2 臺空調機組。其中1 車、2 車、3 車安裝變頻空調，4 車、5 車、6 車安裝定頻空調，車輛編組和空調安裝方式如圖1 所示。

圖1 空調安裝示意圖

定頻和變頻空調均采用頂置單元式機組，均使用艾默生ZRH87KTE-TFD 型壓縮機，制冷劑采用R407C，空調具體參數見表1。在空調機組尺寸及安裝方面，空調機組外觀尺寸、安裝位置、線插接口均相同；在空調軟件方面，空調機組根據環境溫度和載荷量變化對客室溫度進行智能調節，其調節變化量及目標溫度設置完全相同；在空調控制方面，變頻和定頻空調除壓縮機啟動和停止控制邏輯不同外，其他功能均無差別，根據車內外溫度狀態分別自動控制壓縮機的運行頻率和啟停。在每個空調電器柜安裝電能表，實時記錄每臺空調的能耗數據。列車兩端電器柜內分別安裝一臺里程計，統計列車實際運行公里數。

表1 空調機組參數

2.2 定頻和變頻空調能耗數據分析

根據2021 年正線運行數據，每月對0927 車的每臺空調的用電量和列車運行公里數進行統計（見表2），實驗周期為2021 年1 月1 日—12 月31 日，經歷春夏秋冬四個季節，更有利于記錄空調機組的耗電量。

表2 空調用電量數據

根據表2 數據可以，看出0927 車變頻空調全年總用電量33 684.9 kWh，單機組平均用電量5 614.2 kWh；定頻空調全年總用電量34 960.8 kWh，單機組平均用電量5 826.8 kWh；變頻空調相比定頻空調全年節省電量1 275.9 kWh，年度總的節能率為3.6%。

經過計算得出，0927 車定頻和變頻空調機組月度的百公里能耗值，如圖2 所示。定頻空調的耗電量比變頻空調相對較高，在6—9 月定頻空調百公里能耗均明顯高于變頻空調，最高為9 kWh；在其他月份定頻和變頻空調壓縮機大部分時間不啟動，空調能耗基本相同；在1—2 月份天氣較冷，定頻和變頻空調均開啟制熱模式，空調能耗相對偏高。通過對比，變頻空調年度平均百公里節省電量為1.5 kWh，在6—9 月份平均百公里節省電量為4.9 kWh。

圖2 定頻和變頻空調月度百公里耗電量

為提高數據的可靠性，針對有效數據進行篩選，主要考慮制冷量需求高的夏季作為參考，在6—10 月份，變頻空調與定頻空調相比平均百公里節電量為3.913 kWh ，本次選取的列車次時間段有效公里數4.286 6 萬km，則節省電量約為1 677.73 kWh，采用變頻空調能節約一定的經濟效益。

2.3 變頻空調節電率計算

空調能耗實驗共連續采集12 個月的數據，由采集到的數據計算出變頻空調的節電率，如圖3 所示。

圖3 變頻空調月度節能率

空調節電率K 計算如下：

式中：Q2為定頻空調列車每公里用電量；Q1為變頻空調列車每公里用電量。

由圖3 可以看出，在6—9 月份單月節電率最為突出，其中最大為8 月份11.66%，最小為6 月份3.76%，平均節電率為6.48%；在1—5 月、10—12 月，變頻空調節電率基本為0 或負數，此時所在地區環境溫度低，新風熱需求量較小，車廂內部的制冷需求不大，空調制冷使用率較低。在外界環境溫度較低的情況下，客室內部有制熱需求，而空調自身需要冷凝換熱，定頻空調和變頻空調能耗都比較高，導致變頻空調節和定頻空調能耗基本無差異[5]。

3 客室溫度及舒適性分析

車輛空調機組內部安裝溫度傳感器，實時記錄客室內部的溫度值，通過對比變頻空調和定頻空調車輛內部的實際溫度設定值，采用國際鐵路聯盟標準規范UIC553 曲線自動調整空調的運行參數，使整列車空調機組工作狀態一致，實驗結果更加準確有效，其中載荷忽略不計。

UIC553 溫度控制邏輯如下：

式中：Tic為目標溫度；Te為外界環境溫度。

列車在運行期間，考慮變頻空調在炎熱時間段節能效果更為明顯，因此選取時間在夏季溫度在30 ℃左右更具有代表性，節能實驗也更加準確有效。抽選夏季某日14：00—16：00 時間段列車空調運行數據進行分析，其中室外溫度在27～36 ℃，定頻空調與變頻空調機組的列車客室溫度對比曲線，如圖4 所示。

圖4 車內溫度數據變化曲線

由溫度波動曲線可以看出，變頻空調最高溫度25.3 ℃，最低為23.5 ℃，平均值為24.62 ℃，溫度波動范圍24.4 ℃±0.9 ℃；定頻空調最高溫度為25.6 ℃，最低為23 ℃，平均溫度為24.72 ℃，溫度波動范圍24.3 ℃±1.3 ℃。安裝變頻空調和定頻空調的車廂內部溫度變化趨勢基本一致，車廂溫度圍繞系統設定溫度上下波動。安裝變頻空調的車廂平均溫度比安裝定頻空調的車廂低1 ℃，安裝定頻空調和變頻空調溫度波動差值分別為2.6 ℃和1.8 ℃。由此可知，變頻空調的車廂內溫度波動幅度小，趨近于系統設定溫度，控溫能力較好，且乘坐舒適性更高。

4 結論

在鄭州地鐵0927 車2021 年全年運行期間，通過定頻和變頻空調能耗和舒適性的對比，可以得出以下結論：

1）變頻空調在夏季的節能率較高，最高節能率為11.66%，平均為6.48%；在春秋冬季節節能量較低，因為夏季外界溫度較高，壓縮機處于滿負荷運行狀態，因此，變頻空調在夏季整體節能效果較為明顯，在地鐵列車上經濟效益更高。

2）在舒適性方面，當外界溫度較高時，變頻空調可通過改變壓縮機的運行頻率控制空調制冷效果，進而控制車廂溫度趨近于設定溫度，其溫度控制能力較好。安裝變頻空調的車廂溫度波動小，波動范圍在±0.9 ℃，乘坐舒適性更高。