陳耀瑩

摘要：隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)約能源與環(huán)境保護(hù)逐漸成為可持續(xù)發(fā)展的主題，軌道車輛用空調(diào)是主要耗電裝備，應(yīng)是節(jié)能減排重點(diǎn)之一，具有變頻技術(shù)的節(jié)能型地鐵車輛空調(diào)將是未來主要的市場需求。本文對地鐵車輛變頻空調(diào)進(jìn)行了探究，以供參考。

關(guān)鍵詞：變頻空調(diào)；地鐵車輛

1 地鐵車輛變頻空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)概述

變頻空調(diào)是在定速空調(diào)的基礎(chǔ)上選用了變頻專用壓縮機(jī)，增加了變頻控制系統(tǒng)，采用變頻原理，利用二次逆變得到的可變化交流電源來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變管路中制冷劑循環(huán)量，控制壓縮機(jī)輸出能力。它的基本結(jié)構(gòu)和制冷原理與普通的定速空調(diào)完全相同。

變頻空調(diào)在額定頻率運(yùn)行時(shí)，由于變頻器本身需要消耗少量功率，與定速空調(diào)相比能效比稍低，此時(shí)節(jié)能性不突出，但其舒適性高。當(dāng)空調(diào)運(yùn)行在低制冷負(fù)荷工況時(shí)，定速空調(diào)需要通過開停壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)制冷能力調(diào)節(jié)，頻繁啟停壓縮機(jī)導(dǎo)致能耗增加。而變頻空調(diào)通過自動(dòng)調(diào)整合適的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到高效節(jié)能的目的。

1.1空調(diào)機(jī)組構(gòu)成

空調(diào)機(jī)組由變頻器、全封閉渦旋變頻壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、干燥過濾器、節(jié)流裝置、連接管路、蒸發(fā)通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)等組成。機(jī)組設(shè)置了壓力保護(hù)開關(guān)保護(hù)，以保證制冷系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行?？照{(diào)機(jī)組內(nèi)的系統(tǒng)管路和接線完好，并進(jìn)行了隔熱保溫處理，制冷系統(tǒng)進(jìn)行檢查及干燥，充注足夠量的制冷劑。

1.2制冷系統(tǒng)

空調(diào)機(jī)組具有2套獨(dú)立的制冷循環(huán)，采用熱力膨脹閥節(jié)流，制冷劑R407 C，壓縮機(jī)采用谷輪變頻臥式渦旋壓縮機(jī)，冷凝器和蒸發(fā)器采用導(dǎo)熱性高的銅管套帶親水膜涂層的鋁翅片組成的管翅式換熱器，制冷系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

注：1一蒸發(fā)風(fēng)機(jī)；2一蒸發(fā)器；3一熱力膨脹閥；4-視液鏡；

5-干燥過濾器；6一冷凝器；7-壓縮機(jī)；8-高壓開關(guān)；

9-低壓開關(guān)10一冷凝風(fēng)機(jī)；11一電磁閥

圖1 制冷循環(huán)原理示意圖

1.3變頻空調(diào)的節(jié)能控制設(shè)定

1）利用變頻器提高空調(diào)能效比。

傳統(tǒng)空調(diào)的溫度控制是由不同的工況來控制的，也就是控制壓縮機(jī)的啟停；制冷工況主要有通風(fēng)、半冷、全冷；變頻器的優(yōu)點(diǎn)是能控制著壓縮機(jī)在一定范圍不同功率輸出，使空調(diào)能效比提高，從而達(dá)到節(jié)能效果。定頻與變頻控制運(yùn)行示意圖如圖2所示。

定頻

（b）變頻

圖2定頻與變頻控制運(yùn)行示意

2）初始化并計(jì)算運(yùn)行頻率頻率控制邏輯空調(diào)機(jī)組內(nèi)變頻器得電后，初始化處理（用于變頻器啟動(dòng)延時(shí)和檢測是否正常運(yùn)行信號生效），根據(jù)獲得的新風(fēng)溫度和回風(fēng)溫度，計(jì)算出當(dāng)前運(yùn)行頻率頻率控制邏輯圖如圖3所示。

圖3 頻率控制邏輯圖

3）變頻器運(yùn)行曲線。

為了減少車廂內(nèi)的溫度波動(dòng)和快速達(dá)到溫控目的，變頻器根據(jù)新風(fēng)溫度計(jì)算出UIC553目標(biāo)溫度溫度Td為：

Td =22+0.25×（Tf -19） （1）

式中：Tf一新風(fēng)溫度。

變頻器獲取UIC553目標(biāo)溫度后，變頻器按PID運(yùn)算法則靠近目標(biāo)溫度和回風(fēng)反饋趨勢，輸出不同頻率，使壓縮機(jī)在不同頻率運(yùn)行，使空調(diào)機(jī)組實(shí)現(xiàn)恒溫溫度控制。

2 某地鐵線的車輛變頻空調(diào)模擬運(yùn)行的節(jié)能試驗(yàn)

本模擬試驗(yàn)在試驗(yàn)中心內(nèi)進(jìn)行，采用某地鐵線的車輛定頻空調(diào)機(jī)組以及在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的變頻空調(diào)機(jī)組，為了驗(yàn)證變頻空調(diào)機(jī)組的節(jié)能率，通過模擬不同負(fù)載，對比定頻空調(diào)機(jī)組和變頻空調(diào)機(jī)組的能耗，驗(yàn)證變頻機(jī)組實(shí)際能效果UIC553溫度曲線和變頻器PID控制曲線如圖4所示。

2.1試驗(yàn)前提條件

1）試驗(yàn)條件選取

按地區(qū)各月的氣溫看，有制冷需求的月份主要在3月～11月（氣溫超過19℃）。6月～9月相對氣溫較高，一般空調(diào)處于全冷狀態(tài)；；3月、4月、5月、10月、11月的平均溫度在18 ～25℃其間空調(diào)處于啟?；虬胼d半冷狀態(tài)。

（a）溫度曲線

（b）控制曲線

圖4 UIC553溫度曲線和變頻器PID控制曲線

1月、2月、12月空調(diào)主要是通風(fēng)，6月—9月空調(diào)基本處于全冷，這兩個(gè)階段變頻較于定頻沒有較大的節(jié)能性，變頻的節(jié)能性主要體現(xiàn)在3，4，5，10，11這幾個(gè)月（暫時(shí)忽略6月—9月階段承載人員變動(dòng)方面的節(jié)能性）。由此選取的外溫范圍21—29℃。

2）制冷目標(biāo)溫度值。

根據(jù)國際通用標(biāo)準(zhǔn)，制冷目標(biāo)溫度按UIG553曲線得出，該目標(biāo)溫度值限制在22—27℃，是一個(gè)舒適的范圍區(qū)?？照{(diào)控制柜通過感應(yīng)室外溫度和回風(fēng)溫度，根據(jù)目標(biāo)溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組的的運(yùn)行。

3）車輛載員情況。

將車輛載客量分為低峰、平峰、高峰3個(gè)時(shí)段，不同時(shí)段每輛車的載客量分別為80，220，320。

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，試驗(yàn)過程模擬車廂內(nèi)在過渡季節(jié)中的散熱量和散濕量，通過計(jì)算得出過渡季節(jié)中車廂的散熱量和和散濕量，即試驗(yàn)過程中，為空調(diào)機(jī)組提供一個(gè)等同的加熱量和加濕量。

該模擬試驗(yàn)在空調(diào)機(jī)組性能試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)過程中保持室外側(cè)環(huán)境溫度不變，試驗(yàn)開始時(shí)，室內(nèi)側(cè)與室外側(cè)溫度相同，即為27℃。根據(jù)計(jì)算所得的車廂的散熱量和和散濕量，按時(shí)間為室內(nèi)側(cè)加人加熱量和加濕量，模擬測試工況如表1所示。

表1 模擬測試工況

首先進(jìn)行變頻空調(diào)機(jī)組能耗測試，在表2條件下讓機(jī)組按設(shè)計(jì)變頻功能自主運(yùn)行，采用電度表測量器能耗值，同時(shí)監(jiān)測機(jī)組運(yùn)行情況和室內(nèi)側(cè)的環(huán)境。然后進(jìn)行定頻空調(diào)機(jī)組測試，為確保試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)，將變頻機(jī)組中的變頻器控制斷開，壓縮機(jī)定頻運(yùn)行，測試條件與變頻機(jī)組測試環(huán)境一致，讓機(jī)組自主運(yùn)行，記錄其能耗值，同時(shí)監(jiān)測機(jī)組運(yùn)行情況和室內(nèi)側(cè)的環(huán)境。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

1）室內(nèi)溫度變化曲線（見圖5）。

圖5室內(nèi)溫度變化曲線

系列1為定頻機(jī)組運(yùn)行的室內(nèi)溫度變化曲線，系列2為變頻機(jī)組運(yùn)行的室內(nèi)溫度變化曲線。從圖5可知，變頻機(jī)組可有效控制室溫溫度的波動(dòng)，保持室內(nèi)的舒適性。

2）節(jié)能率。

定頻機(jī)組總能耗68.6kWh，變頻機(jī)組總能耗51.9kWh。

變頻機(jī)組的節(jié)能率=（68.6一51.9）/68.6×100%=24.3 %。

從本模擬節(jié)能試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，變頻機(jī)組的節(jié)能率在20%以上，證明了變頻機(jī)組的節(jié)能且具有較好的舒適性。

3 另地鐵線的車輛變頻空調(diào)機(jī)組實(shí)際裝車運(yùn)行的節(jié)能對比試驗(yàn)

3.1實(shí)際裝車試驗(yàn)改造

本地鐵線列車為6輛編組，各車輛之間采用貫通道方式聯(lián)通，O1和06車為帶司機(jī)室的頭車。列車車輛編組方式如圖6所示：

圖6地鐵車輛編組方式

將某公司所研制地鐵車輛變頻空調(diào)在本地鐵線上安裝半列車，并與相應(yīng)的半列原裝車進(jìn)行對比，以驗(yàn)證變頻空調(diào)的實(shí)際節(jié)能效果。

在控制柜中加裝電能表、車廂中加裝溫濕度儀，通過記錄定頻空調(diào)和變頻空調(diào)機(jī)組溫度、濕度、電流、電壓及消耗電能等相關(guān)數(shù)據(jù)，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及對比，驗(yàn)證變頻空調(diào)機(jī)組的節(jié)能效果，形成最終的節(jié)能試驗(yàn)報(bào)告。

試驗(yàn)測試時(shí)間在5，6月的過渡性季節(jié)期間進(jìn)行，以體現(xiàn)變頻空調(diào)機(jī)組的最大節(jié)能效益。變頻空調(diào)機(jī)組經(jīng)過前期調(diào)試后開始穩(wěn)定運(yùn)行，從5月16日起開始記錄能耗數(shù)據(jù)，試驗(yàn)時(shí)間具體從5月16日開始至6月25日為止，試驗(yàn)時(shí)間約為40d。

3.2地鐵線某列車空調(diào)用電量數(shù)據(jù)分析

5月16日開始記錄的數(shù)據(jù)，6月25日為最后一次記錄的數(shù)據(jù)。由于3車和4車的相互影響，增加一項(xiàng)剔除相互影響的3和4車的節(jié)能結(jié)果，具體如表2、表3所示。

從表2、表3的數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，變頻空調(diào)總節(jié)能比率可達(dá)35%以上。

表2 地鐵線某列車空調(diào)用電量數(shù)據(jù)

表3 變頻空調(diào)與定頻空調(diào)相比節(jié)能率%

4 結(jié)論

從以上模擬運(yùn)行和實(shí)際裝車運(yùn)行試驗(yàn)可知，在過渡性季節(jié)（主要在3，4，5，10，11月），地鐵車輛變頻空調(diào)的節(jié)能效益可達(dá)到20%一35 %。由于試驗(yàn)存有一定的局限性，節(jié)能效果不一定很準(zhǔn)確，且在實(shí)際營運(yùn)中，隨載客量的不同，節(jié)能效率也會有一定波動(dòng)。但試驗(yàn)結(jié)果依然能夠證明：地鐵車輛變頻機(jī)組對客室溫度的控制優(yōu)于定頻空調(diào)機(jī)組，提高了地鐵車輛客室的舒適性。同時(shí)變頻空調(diào)機(jī)組能可靠有效地實(shí)現(xiàn)較大的節(jié)能，可極大降低地鐵車輛的營運(yùn)成本。