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(shè)進(jìn)程持續(xù)加快，人民生活水平不斷提高，安全正點(diǎn)快捷的運(yùn)營(yíng)要求已不能滿足乘客的需求。乘客對(duì)于地鐵車輛舒適性的要求愈加強(qiáng)烈，乘坐舒適性的要求逐步提上日程。電動(dòng)客車的空調(diào)系統(tǒng)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(qū)間運(yùn)行，當(dāng)列車進(jìn)入隧道運(yùn)行，車體表面將會(huì)有明顯的壓力變化，這種壓力變化極易造成乘車體驗(yàn)感下降。加之地鐵車輛區(qū)間運(yùn)行的活塞效應(yīng)也是影響地鐵車輛內(nèi)負(fù)荷的原因之一，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)導(dǎo)致地層的蓄熱作用也使得車輛內(nèi)部溫度升高。所以地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)著車內(nèi)溫度、濕度、新風(fēng)量等舒適性指標(biāo)能否達(dá)標(biāo)的重任。

1 車輛空調(diào)系統(tǒng)概述

車輛空調(diào)系統(tǒng)包括客室空調(diào)機(jī)組、送風(fēng)裝置、排風(fēng)裝置及司機(jī)室送風(fēng)裝置。其通過空調(diào)機(jī)組自帶新風(fēng)口吸入的新風(fēng)經(jīng)過濾后與來自客室的回風(fēng)混合，經(jīng)空調(diào)機(jī)組蒸發(fā)器降溫除濕處理后送入均勻送風(fēng)道，風(fēng)道通過沿車長(zhǎng)方向布置的條縫式送風(fēng)格柵向車內(nèi)均勻送風(fēng)；客室內(nèi)部分空氣通過設(shè)于車頂?shù)幕仫L(fēng)口進(jìn)入空調(diào)機(jī)組，與新風(fēng)在蒸發(fā)器前混合，經(jīng)蒸發(fā)器降溫除濕后在送風(fēng)機(jī)的作用下送入客室?；仫L(fēng)口設(shè)濾網(wǎng)及電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)?？褪也捎庙斨檬阶匀慌棚L(fēng)裝置來保證室內(nèi)排風(fēng)。A 型電動(dòng)客車氣流組織圖如圖1 所示。

圖1 氣流組織圖

2 車輛空調(diào)額定工況制冷負(fù)荷分析

地鐵車輛內(nèi)的熱負(fù)荷是指單位時(shí)間內(nèi)散發(fā)到車內(nèi)的總熱量Q0，空調(diào)系統(tǒng)所需的通風(fēng)量、制冷量、制熱量的確定取決于車內(nèi)熱負(fù)荷。通過車內(nèi)熱負(fù)荷的計(jì)算分析，能對(duì)空調(diào)進(jìn)行選型提供支撐，判斷車內(nèi)溫度、濕度等各項(xiàng)指標(biāo)在不同環(huán)境下能否達(dá)標(biāo)。地鐵車輛熱負(fù)荷主要組成如下：

（1）通過車體絕熱墻壁的傳熱Q1；

（2）太陽(yáng)輻射熱Q2；

（3）車內(nèi)電器設(shè)備的散熱量Q3；

（4）乘客的散熱（濕）量Q4；

（5）新風(fēng)熱負(fù)荷Q5。

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

2.1 計(jì)算條件

車內(nèi)空氣計(jì)算參數(shù)：

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

車外空氣計(jì)算參數(shù)（隧道）：

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

其他參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算條件下的其他參數(shù)

2.2 制冷負(fù)荷計(jì)算

電動(dòng)客車空調(diào)機(jī)組制冷量往往高于實(shí)際空調(diào)負(fù)荷的最大值Q0，現(xiàn)分別計(jì)算Q1、Q2、Q3、Q4、Q5。

2.2.1 通過車體隔熱壁的熱負(fù)荷

式中：K——車體平均傳熱系統(tǒng)K 值，W/m2K；

F——車體平均傳熱面積，m2；

△t——車內(nèi)外溫差，℃。

計(jì)算結(jié)果：

2.2.2 太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷

軌道交通大多數(shù)為全地下線，本文按照地下線計(jì)算，太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷Q2=0W。

2.2.3 乘客散熱熱負(fù)荷

式中：n——定員數(shù)；

q——旅客的人均散熱量。

計(jì)算結(jié)果：

客室：Q3=310×116=35960W

司機(jī)室：Q3=1×116=116W

2.2.4 車內(nèi)設(shè)備散熱熱負(fù)荷

客室：Q4=1500W

司機(jī)室：Q4=1000W

2.2.5 新風(fēng)熱負(fù)荷

Q5=G·（i2-i1）

式中：G——新風(fēng)量，kg/s；

i2——車外空氣焓值，kJ/kg；

i1——車內(nèi)空氣焓值，kJ/kg。

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

2.2.6 車內(nèi)總熱負(fù)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(jī)室：Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=552+0+116+1000+0=1668W

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，軌道交通A 型電動(dòng)客車M（Mp）車制冷負(fù)荷為65071W，Tc 車制冷負(fù)荷為66259W（含司機(jī)室），因此Tc 車制冷負(fù)荷最大，空調(diào)制冷量按照Tc 車制冷負(fù)荷進(jìn)行選取。根據(jù)車輛運(yùn)行情況并留有適當(dāng)余量即可，每輛車安裝兩臺(tái)制冷量為35kW 的空調(diào)機(jī)組能夠滿足車輛使用要求。司機(jī)室的地面制冷負(fù)荷最大，約為1.7kW。司機(jī)室的冷空氣取自客室的空調(diào)機(jī)組?？褪铱照{(diào)機(jī)組制冷量35kW，總風(fēng)量5000 m3/h，司機(jī)室送風(fēng)單元的最大送風(fēng)量645m3/h。則送入司機(jī)室的制冷量：35÷5000×645=4.51kW。4.51kW＞1.7kW，司機(jī)室送風(fēng)單元送入司機(jī)室的冷空氣能夠滿足司機(jī)室的制冷需要。

3 車輛新風(fēng)調(diào)節(jié)

3.1 控制新風(fēng)熱負(fù)荷

車輛空調(diào)系統(tǒng)設(shè)自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式。各車廂觸摸屏設(shè)置集控位，空調(diào)機(jī)組的工作模式由司機(jī)室集中控制，為自動(dòng)方式。也可在各車廂將控制模式置于其他位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)本車空調(diào)系統(tǒng)的單獨(dú)控制。在車輛內(nèi)外環(huán)境溫濕度一致的條件下，車輛空調(diào)一般通過減小車輛熱負(fù)荷的方式達(dá)到制冷時(shí)空調(diào)節(jié)能的要求，故科學(xué)合理有效的減小車輛熱負(fù)荷通常是通過降低新風(fēng)熱負(fù)荷的方式實(shí)現(xiàn)，新風(fēng)熱負(fù)荷也是唯一可控的。下面通過比較常規(guī)定頻空調(diào)新風(fēng)量調(diào)節(jié)和新型節(jié)能定頻空調(diào)新風(fēng)量調(diào)節(jié)兩種方案，闡述新型節(jié)能定頻空調(diào)新風(fēng)量可調(diào)的模式如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

常規(guī)定頻空調(diào)新風(fēng)量調(diào)節(jié)方案控制方是單一，新風(fēng)量分為全開、1/2 開、全閉3 檔調(diào)節(jié)，根據(jù)空調(diào)工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如預(yù)冷時(shí)新風(fēng)口全閉；緊急通風(fēng)時(shí)新風(fēng)口全開；正常制冷通風(fēng)時(shí)新風(fēng)口全開等。目前某地鐵A 型電動(dòng)客車的新型節(jié)能定頻空調(diào)采用與常規(guī)定頻空調(diào)完全不同的控制措施對(duì)新風(fēng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其新風(fēng)量分為全開、3/4 開、1/2 開、1/4 開、全閉5 檔調(diào)節(jié)。新型節(jié)能定頻空調(diào)新風(fēng)口開度根據(jù)車輛控制系統(tǒng)提供載客量信號(hào)智能開合，空調(diào)控制器接受載客量信號(hào)并調(diào)節(jié)新風(fēng)門的開度，達(dá)到調(diào)節(jié)新風(fēng)量的目的，并滿足人均新風(fēng)量10m3/h 以上的基本要求。

采用新型節(jié)能定頻空調(diào)的方式，新風(fēng)門風(fēng)量調(diào)節(jié)優(yōu)化后，進(jìn)入車內(nèi)的空調(diào)機(jī)組新風(fēng)量會(huì)減少一部分，新風(fēng)熱負(fù)荷變小。根據(jù)載客量信號(hào)智能開合新風(fēng)口的方式，新增的1/4 開、3/4 開、1/4 開3 檔調(diào)節(jié)，比常規(guī)1/2 開經(jīng)統(tǒng)計(jì)新風(fēng)量減小約16.7%。因新風(fēng)熱負(fù)荷占車輛總的熱負(fù)荷約1/3～1/2，取最小值1/3，即新風(fēng)調(diào)節(jié)后減少總的熱負(fù)荷5.6%。

3.2 客室溫度調(diào)節(jié)

控制開關(guān)在自動(dòng)位時(shí)，車內(nèi)溫度調(diào)節(jié)按照UIC553 標(biāo)準(zhǔn)的溫度曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)，空調(diào)機(jī)組制冷量能夠根據(jù)不同的負(fù)荷條件自動(dòng)減少或增加。此時(shí)，按下述公式自動(dòng)計(jì)算設(shè)定溫度如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)計(jì)算設(shè)定溫度圖

同時(shí)目標(biāo)溫度可以隨著載客量變化適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)列車載客量信號(hào)有效時(shí)，目標(biāo)溫度調(diào)整策略見表2。

表2 目標(biāo)溫度調(diào)整策略表

控制開關(guān)在手動(dòng)位時(shí)，在載客量人數(shù)≤80 人時(shí)，控制器設(shè)定目標(biāo)溫度為27℃，其余狀態(tài)按照手動(dòng)模式進(jìn)行調(diào)節(jié)。載客量的不同對(duì)節(jié)能效果影響很大，為了最大程度滿足車內(nèi)的溫度舒適性該種方式能夠達(dá)6%～10%的節(jié)能效果。

3.3 壓縮機(jī)舒適性可靠性

某地鐵空調(diào)機(jī)組采用三菱ZEN117YZA-C 型臥式渦旋壓縮機(jī)。壓縮機(jī)具有卸載功能，可以實(shí)現(xiàn)100%、85%、70%、50%、35%、0 共6 級(jí)功能。

具體制冷量以及壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)電磁閥工作狀態(tài)見表3。

表3 制冷量以及壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)電磁閥工作狀態(tài)表

空調(diào)機(jī)組制冷量通過兩臺(tái)壓縮機(jī)以及相關(guān)電磁閥之間的運(yùn)行來調(diào)節(jié)。由于壓縮機(jī)卸載運(yùn)行之后，制冷管路內(nèi)的制冷劑流量減少，相應(yīng)的壓縮機(jī)輸出制冷能力減小，實(shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)節(jié)功能。

隨著客室內(nèi)的熱負(fù)荷的變化，通過對(duì)比客室回風(fēng)溫度與目標(biāo)溫度設(shè)定值，空調(diào)機(jī)組通過下面的控制邏輯圖，能夠自動(dòng)輸出相應(yīng)的制冷量，客室內(nèi)的溫度波動(dòng)則會(huì)變化很小，舒適性會(huì)相應(yīng)提升如圖3 所示。

圖3 制冷控制曲線

為提高壓縮機(jī)軸承潤(rùn)滑，保證壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后的啟動(dòng)以及在室外低溫時(shí)壓縮機(jī)的啟動(dòng)，在壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)打開旁通電磁閥。此時(shí)壓縮機(jī)排氣側(cè)與吸氣側(cè)連通，提高壓縮機(jī)吸氣的溫度和壓力，并將壓縮機(jī)排出的油返回到吸氣側(cè)，避免出現(xiàn)吸氣壓力過低的故障，同時(shí)能夠提高壓縮機(jī)缸體溫度，讓電機(jī)持續(xù)得到潤(rùn)滑。

若不實(shí)現(xiàn)旁通，在壓縮機(jī)啟動(dòng)初期，內(nèi)部有大量制冷劑存在的狀態(tài)下，由于低壓側(cè)大量吸入制冷劑，冷凍機(jī)油內(nèi)混合的制冷劑同時(shí)起泡，油就會(huì)從壓縮機(jī)中排出，壓縮機(jī)電機(jī)軸的潤(rùn)滑變差，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)燒損壓縮機(jī)的現(xiàn)象。

這種卸載啟動(dòng)功能，能夠有效地保證每次壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)電機(jī)的潤(rùn)滑，壓縮機(jī)的運(yùn)行可靠性得到保證。由于進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)部循環(huán)的制冷劑量沒有發(fā)生變化，壓縮機(jī)做功沒有降低，只是由于外部換熱器內(nèi)循環(huán)的制冷劑量有減少，少量的制冷劑使用全部的換熱器進(jìn)行換熱，獲得更好的換熱效果，適當(dāng)?shù)靥嵘酥评湫?，但制冷量?huì)下降，因此采用卸載功能時(shí)，空調(diào)能效比是略有下降，實(shí)際上沒有節(jié)能的效果。

4 結(jié)論

（1）對(duì)車體參數(shù)及人員載荷進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，可以確定空調(diào)機(jī)組總體方案，有利于合理的選擇空調(diào)設(shè)備和控制新風(fēng)量；

（2）軌道交通A 型電動(dòng)客車Tc 車制冷負(fù)荷最大，空調(diào)制冷量按照Tc 車制冷負(fù)荷進(jìn)行選取。根據(jù)車輛運(yùn)行情況并留有適當(dāng)余量，每輛車安裝兩臺(tái)制冷量為35kW 的空調(diào)機(jī)組能夠滿足車輛使用要求；

（3）采用卸載功能后，空調(diào)能夠提供多級(jí)調(diào)節(jié)功能，客室內(nèi)的溫度舒適性會(huì)有明顯改善，壓縮機(jī)的運(yùn)行可靠性有很大提高，但沒有節(jié)能效果；

（4）根據(jù)載客量信號(hào)智能開合新風(fēng)口的方式會(huì)使新風(fēng)量減小，減少總的熱負(fù)荷，可以起到節(jié)能降耗的目的。