智能型變頻空調在北京新機場線的應用

王 磊,孫 琳,孫靖飛,張曉偉,蔣政言

(山東朗進科技股份有限公司,山東 青島 266071)

隨著國內軌道交通的飛速發展,以及國家“十四五”規劃的推出,軌道車輛部件的智能控制、綠色低碳已成為了新的發展方向[1]。智能型變頻空調作為在商用空調和家用空調領域已經得到廣泛驗證的技術,擁有能耗低、舒適性高、維護成本低等優勢[2]。而該技術在軌道交通車輛空調領域的應用,也已得到了各大城市運營商、車輛廠以及空調制造商的研究、實施和推廣[3-5]。

北京軌道交通新機場線車輛以CRH6F型城際動車組技術平臺為基礎打造,搭載了山東朗進科技股份有限公司研發的智能型變頻空調系統,結合了地鐵空調和國鐵空調的先進技術。本文針對該空調系統的方案進行解析,分析其技術原理及特點。

1 北京新機場線線路概況

北京市處于華北平原北端,屬于中緯度暖溫帶氣候,冬夏季溫差較大。同時新機場線是目前中國首個市域全自動無人駕駛快速軌道交通線,列車最高運行時速160 km,全線長41.365 km,其中高架長17.67 km、U 型槽和地下長23.695 km,單節車廂定員(AW2)約140人。

綜合新機場線復雜多變的線路環境條件,車輛空調需要根據不斷變化的外界和車內環境,對制冷量進行實時的調節,才能滿足乘客的舒適性需求。因此,搭載智能型變頻空調系統,成為該線路車輛的首選方案。

2 智能型變頻空調方案

北京新機場線客室空調機組采用機電一體化設計,變頻器與空調機組實現了一體化組裝,使設備布置簡單,安裝簡易、操作安全。同時空調機組集成了壓力波保護裝置和空氣凈化裝置,在實現空調通風、環境控制功能的同時,達到了空間的最大化利用。

每臺空調機組配備有2套相互獨立的制冷循壞系統,配備有壓力傳感器、電子膨脹閥等智能檢測設備,實時對空調機組的運行狀態進行監控和調節。空調機組的制冷系統原理圖如圖1所示。

圖1 北京新機場線智能型變頻空調系統原理圖

2.1 空調機組智能變頻控制

空調機組采用智能控制器,結合機組內部的多個傳感器及智能檢測設備,對空調機組的運行狀態進行實時監控及調節。壓縮機變頻器采用智能控制,可根據車內外溫度的變化,自動調節壓縮機的運轉頻率,以適應不同的制冷量需求,達到舒適和節能的目標。同時空調機組的新風閥可根據車輛的載客量,進行自動調節,以在滿足乘客新風量要求的前提下,減小新風負荷,進一步實現能源節約。

2.1.1 變頻空調制冷原理

變頻空調采用變頻壓縮機,通過變頻器調節壓縮機的運轉頻率,以實現空調制冷量的實時調節。北京新機場線車輛的客室空調為變頻單冷型,即空調具備制冷功能,同時配備有電加熱功能,制冷季節運行壓縮機進行制冷,制熱季節運行電加熱進行制熱。每臺空調由2個獨立的空調系統組成,額定制冷量為29 kW。該系統可以實現在30～126 Hz(2臺壓縮機各運轉63 Hz)之間的連續調整,以此來滿足車輛內不同載荷、環境溫度變化時的制冷量需求,實現對車內溫度的精確控制。表1和表2分別為北京新機場線車輛客室空調的額定制冷工況,以及額定制冷工況下不同壓縮機運轉頻率時測定的制冷量。

表2 北京新機場線智能型變頻空調在不同壓縮機運轉頻率下的制冷量和功率

由表2可以看出,單臺壓縮機運轉頻率在30 Hz時,制冷量為11.2 kW,2臺壓縮機運轉頻率在63 Hz時制冷量為31.1 kW。運轉頻率可從30～126 Hz(2臺壓縮機各運轉63 Hz)以1 Hz為單位連續調節,制冷量可從11.2～31.1 kW連續變化,相較于定頻空調無法進行制冷量連續調節的缺點,變頻空調可以更好地適應車輛內外不斷變化的環境,進而提高乘客的舒適性。

2.1.2 變頻空調和定頻空調的控制方案對比

定頻空調主要依靠開啟和關閉壓縮機來調節其本身的制冷量輸出,進而調節車輛內的溫度。考慮到壓縮機的潤滑,在其開啟之后,必須令壓縮機運轉足夠的時間,潤滑油才能正常回流到壓縮機;同時壓縮機停機后,必須停止足夠的時間,才能保證下一次開啟之前,空調系統的高壓壓力和低壓壓力達到平衡,避免壓縮機帶載啟動造成的異常磨損。定頻空調通常在程序中設定,每次壓縮機開啟后,必須運轉2 min以上才能停機,每次壓縮機停機后,必須停止2 min以上才能再次開啟[6]。當車內熱負荷急劇變化時,如果壓縮機的運轉時間正處在上述的延時時間內,壓縮機無法及時跟蹤車內溫度的變化而開啟或關閉,就會造成車內溫度的波動,影響乘客的舒適性。且壓縮機每次停機而后啟動的過程都會產生開關損耗,停機時將制冷系統的壓力釋放,在下次開機時,又需要重新建立壓力,在此期間,消耗了能量,卻無法提供制冷量,造成能源的浪費。

智能型變頻空調通過實時監測車內溫度及其變化速率,采用模糊智能PID(比例、積分、微分)控制計算,快速改變壓縮機的運轉頻率,令空調系統輸出的制冷量與車輛內的負荷相匹配,以達到迅速降低車內溫度的目的[7]。當車內溫度降低至設定溫度后,再控制壓縮機維持在適當的運轉頻率上,以維持車內溫度的恒定。當車內的熱負荷或者溫度急劇變化時,可以實現壓縮機運轉頻率的快速調整,以迅速匹配當前的制冷量需求,從而實現對車內溫度的快速跟蹤與調節。

2.1.3 變頻空調節能原理

變頻空調采用智能控制,在車內熱負荷恒定、溫度達到設定溫度時,壓縮機通常在低頻狀態下運轉。而壓縮機在低頻狀態下運轉時,由于壓縮機的排量減小,冷凝器和蒸發器的面積不變,則相對換熱面積變大,此時空調的制冷效率提高,單位制冷量的能耗降低,即空調的制冷能效比提高。

同時,變頻空調的制冷量輸出可以在較大的范圍內連續調整,從而適應不同的車內負荷,減少了壓縮機停機的次數,因而減少了壓縮機的開關損耗。因此在長期運行的情況下,變頻空調更加節能[8]。壓縮機低頻運轉時,容積效率提高,相應的能耗降低,也是變頻空調節能的主要原因之一[9]。

2.1.4 變頻空調節能數據

因新機場線全線使用變頻空調,故未對本線路空調機組進行定頻空調和變頻空調的耗電量對比,調取北京其他地鐵線路的節能數據如表3所示。從以上數據可看出,使用變頻空調相較于定頻空調可實現20%以上的節電率。

表3 北京某線路軌道車輛空調節能對比數據

2.2 壓力波動保護技術

列車高速行駛時,當出現列車交會或者進出隧道的情況,車輛之間或者車輛和隧道之間的氣體瞬間產生的劇烈壓縮或者膨脹,會產生壓力的波動,如不采取措施,這種壓力的波動將通過廢排裝置出風口或者空調機組新風口傳入車內,造成乘客耳部的不適[10]。

為避免空氣壓力波動對車廂內造成影響,提高客室的舒適性,北京新機場線列車在頭車安裝壓力保護控制裝置,通過檢測車廂內外空氣壓力變化,輸出控制信號驅動控制板上繼電器動作,繼電器的觸點控制外部器件動作,從而實現對相應閥門的控制。通過控制廢排裝置壓力保護閥和客室空調機組壓力保護閥的開啟和關閉來避免空氣壓力波動對車廂內造成影響,同時可以將反饋信號傳遞給相應的控制器來確定壓力保護閥的工作狀態。

在客室空調機組和廢排裝置中設置壓力波保護閥,沿用了城際動車組和高速動車組的設計,試驗數據表明,在使用了壓力波保護閥后,車輛交會時車內的最大壓力變化僅為車外的1.6%,遠小于壓力變化環境下人體舒適性標準(1 250 Pa/3 s)[11],確保了列車在160 km/h高速行駛時車內乘客的舒適性。

2.3 低溫等離子空氣凈化技術

北京新機場線智能型變頻空調系統還搭載了新型的低溫等離子空氣凈化裝置。低溫等離子空氣凈化技術是通過低溫等離子體制造臭氧進行空氣凈化的技術。“低溫等離子體”是繼固態、液態、氣態之后的物質的第四態,當外加電壓達到氣體的放電電壓時,氣體被擊穿,產生包括電子、各種離子、原子和自由基在內的混合體。放電過程中雖然電子溫度很高,但重粒子溫度很低,使整個體系呈現低溫狀態,所以稱為“低溫等離子體”[12]。低溫等離子技術是電子、化學、催化等綜合作用下的電化學過程,是一種全新的技術。

等離子體場中含有大量的高能自由基,能直接與微生物內蛋白質和核酸物質發生反應,導致微生物的死亡。等離子體產生的激發態高速粒子,直接對細菌、病毒體進行高速射擊,致其死亡,而且具有廣譜性。等離子導電流中含有大量活性氧原子、氫原子、高能自由基等活性物質,能使各種污物得到快速分解消除,同時空氣中的有害氣體和有機物在電子網的沖擊下,被分解成水分子和二氧化碳[13]。

針對空氣凈化裝置的凈化效果,委托在試驗室中做了相應的試驗驗證,凈化前后的撞擊菌落數據如表4所示。

表4 開啟空氣凈化裝置前后菌落數量對比 CFU/m3

低溫等離子空氣凈化裝置兼具殺菌消毒、除甲醛等芳香族化合物、除烯烴類化合物、除異味的功能,對車輛內的空氣實現了更加全面的凈化,是北京新機場線智能型變頻空調系統的又一大技術改進。

3 結束語

通過對北京新機場線所應用的智能型變頻空調系統進行方案解析,可以看出,智能型變頻空調系統有以下幾點優勢:

(1) 空調機組智能控制,實現運行狀態實時監測及調節;

(2) 壓縮機變頻控制,更加舒適且節能;

(3) 搭載壓力波保護裝置,確保列車提速后乘客的舒適性;

(4) 搭載新型的低溫等離子空氣凈化裝置,可全面凈化車內空氣。

綜合以上的優勢,智能型變頻空調系統方案已成為軌道交通領域的發展趨勢。目前,我國自主研發的“復興號”標準動車組已經采用了智能型變頻空調系統,而本次在北京新機場線車輛上的應用,有助于智能型變頻空調系統在市域列車空調領域的推廣。