軌道車輛空調全新風模式運行分析

劉光升,李 剛,佘 凱,王 瑩,曹 臣,路 琪

山東朗進科技股份有限公司,山東 濟南 250000

0 引言

軌道車輛作為城市的主要公共交通設施,人流量較大,是病毒傳染的高風險場所。增加新風供應、加快車內的換氣速度是有效降低病毒傳染的最直接方案。在客室環境健康及防疫方面,蔣正飛[1]建議地鐵車站通風空調防疫措施采用全新風運行方式,為整車提供新鮮空氣,調控車廂內的溫濕度。

目前,軌道車輛空調已普遍采用全新風模式。為提高軌道車輛空調運行全新風模式的可靠性,本文通過在焓差實驗室中測試全新風模式和正常模式下不同的制冷、制熱工況,得到了軌道車輛空調性能隨室外溫度、濕度變化的數據,經過與正常模式的數據對比和整車試驗的驗證,分析了運行全新風模式的問題,并提出了相應的優化方案。

1 機組性能試驗

1.1 試驗要求

本次試驗采用空氣焓差法,對空調機組的送風、回風參數以及循環風量進行測量,用測出的風量與送風、回風焓差的乘積確定空調機組的性能[2]。

試驗條件為:控制送風道引風機,使風量為全新風模式的送風量;控制焓差實驗室室內側溫度、濕度與室外側一致;試驗室室外側和室內側的溫度、濕度與試驗工況的要求偏差分別不超過±0.5 ℃和±3%RH。

1.2 測試工況

依據空調所在運營地的氣象參數資料,得出機組在不同室外溫度、濕度條件下的運行特性,試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況

2 運行分析與問題優化

在正常模式下,新風閥和回風閥全開,測試空調機組送風量為5 000 m3/h;在全新風模式下,新風閥全開,回風閥全關,新風阻力增加導致送風機的風量減小到正常阻力時的60%,此時空調機組送風量為3 000 m3/h。

2.1 全新風模式運行分析

2.1.1 制冷試驗

1)室外濕球溫度的影響。圖1反映了以額定工況(室外溫度為33 ℃、相對濕度為70%)的性能參數為基準值時,機組制冷量相對值和功率相對值隨室外濕球溫度變化的關系。隨著濕球溫度的升高,都呈現出逐漸上升的趨勢。相應的能效比相對值也因兩者的變化規律呈現出逐漸上升的趨勢,如圖2所示。

圖1 制冷量、功率相對值隨室外濕球溫度的變化關系

圖2 能效比相對值隨室外濕球溫度的變化趨勢

圖3 能效比相對值隨室外干球溫度的變化

2)室外干球溫度的影響。圖 3 反映了變頻空調機組能效比相對值隨室外干球溫度變化的關系。以額定工況(干球溫度為33 ℃、相對濕度為70%)的能效比為基準值,室外干球溫度由33 ℃降至27 ℃時,平均干球溫度每降低1 ℃,機組能效比上升5%,表明全新風模式下變頻空調機組在低溫工況時,可達到較高的能效比。

2.1.2 制熱試驗

在全新風模式下進行制熱試驗:室外工況由0 ℃升至7 ℃,制熱量和功率都上漲,但功率的上升幅度要大于制熱量的上升幅度,導致能效比的降低。吸、排氣壓力和出風干球溫度,都隨室外干球溫度的上升而上升。測試結果如表2所示。

表2 不同工況試驗結果

2.2 全新風模式問題分析

2.2.1 與正常模式的數據對比

1)制冷數據對比。在焓差實驗室中,保持室外工況和壓縮機頻率相同,測試全新風模式的制冷量,相比正常模式衰減13.6%,空調功耗無差別,但會導致車廂降溫速度變慢,影響車廂內舒適性。相關數據如表3所示。

表3 制冷數據對比

2)制熱數據對比。在焓差實驗室中,保持室外工況和壓縮機頻率相同,測試全新風模式的制熱量,相比正常模式衰減13.7%,空調功耗相比降低9.3%,出風干球溫度只有16.2 ℃,同樣會導致車廂升溫速度變慢,影響車廂內舒適性。相關數據如表4所示。

表4 制熱數據對比

2.2.2 整車試驗

在整車試驗中運行全新風模式,測試車內正壓為56 Pa;正常通風模式下測試車內正壓為30 Pa。龔承啟 等[3]指出地鐵A型車正常情況下正壓值應在30～50 Pa。全新風模式雖然確保了客室內供風全部為外部供風,但是車內正壓的增加會有其他風險,比如趙耿 等[4]研究發現,在鄭州地鐵2號線上運行全新風模式時,全新風模式較其他空調模式,在車門關閉時需要克服更大的風壓阻力,且會影響車門穩定性。

2.3 全新風模式優化分析

從全新風模式與正常模式的數據對比中可看出,在室外工況一致時運行全新風模式會衰減空調性能。因此在全新風模式下通過提高送風量或者壓縮機運行頻率來提升空調冷量和熱量的輸出,是值得研究的課題。

2.3.1 提高送風量

在焓差實驗室中,提高送風道中引風機頻率模擬提高空調送風量,分別驗證在3 000、3 300、3 500和4 000 m3/h時的制冷量、功率和能效比的變化關系。如圖4所示,以全新風模式正常風量3 000 m3/h時的性能參數為基準值,發現隨著風量的提升,制冷量和能效比呈現上升的趨勢,空調功耗變化不大。

圖4 性能參數隨送風量的變化

在全新風模式下,提升風量到4 000 m3/h時的制冷量,與正常模式(送風量5 000 m3/h)的額定制冷性能一致,并且功耗變化不大,因此可以考慮在全新風模式下提升送風量來滿足客室舒適性的要求。對比數據如表5所示。

表5 數據對比

2.3.2 提高壓縮機頻率

在焓差實驗室中,通過變頻空調運行全新風模式后逐步提高壓縮機頻率,來驗證制冷量、功率和能效比的變化。如圖5所示,以正常頻率時的性能參數為基準值,發現隨著頻率的提升,制冷量的上升幅度要低于功率的上升幅度,導致空調能效比衰減。

圖5 性能參數隨頻率的變化

3 結論

本文對軌道車輛空調全新風模式的運行數據進行分析,結論如下。

1)全新風模式下運行制冷,室外干球溫度相同,性能參數隨著濕球溫度的升高而上升,因此對于不同地區的氣候條件應充分考慮新風相對濕度對機組性能的影響。室外干球溫度由33 ℃降至27 ℃,平均每降低1 ℃,機組能效比提高5%。

2)無論制冷或制熱,額定工況下全新風模式的空調制冷量相比正常模式都衰減約13.6%,且新風負荷的增加,更會導致車廂內舒適性變差。從整車的角度考慮,軌道車輛空調運行全新風模式會有車內正壓過大導致車門不穩定等風險。

3)全新風模式下可提高送風機頻率來增加空調性能的輸出,且能耗與正常模式差別不大。對于變頻空調機組,也可在全新風模式下提高壓縮機頻率來增加冷量和熱量的輸出,但要考慮空調能耗的增加。為使車內正壓維持在合理范圍,可提高主動排風機的運行頻率或加大排風閥的開度。