吳楠楠,黃 琴,黃 進,朱 嘉,趙 亮

(淮陰工學院機械與材料工程學院 江蘇省先進制造技術重點實驗室,江蘇 淮安 223000)

0 引言

近年來,我國軌道交通建設飛速發(fā)展,截至2021年底,我國內地已有50座城市開通了城市軌道交通,線路總計9 192 km[1]。列車空調機組作為列車的主要輔助系統,其能耗占列車輔助設備能耗的86%,占列車運行總能耗20%以上[2]。當環(huán)境溫度升高時,列車空調機組能耗占比將超過30%。

隨著“碳達峰”、“碳中和”戰(zhàn)略的不斷推進,軌道交通網絡建設的不斷發(fā)展和環(huán)境資源的限制,對列車空調的舒適性、節(jié)能性能和環(huán)保性的要求持續(xù)提高。因此,列車空調節(jié)能降耗的問題逐漸引起廣泛關注。列車空調一般采用車頂單元式空調機組,通過送、回風口及對應風道促使車廂內的空氣產生流動。目前針對列車空調機組節(jié)能性的研究主要集中在節(jié)能空調控制技術、低能耗空調機組技術以及列車空調熱泵技術等方面。本文將對目前列車空調節(jié)能技術研究進行綜述,分析列車空調領域現有節(jié)能方案。

1 節(jié)能空調控制技術

1.1 列車空調溫度控制優(yōu)化

歐洲鐵路聯盟頒布的標準UIC CODE 553—2004《Heating,ventilation and air-conditioning in coaches》[3]中關于車廂內的設計溫度按照公式(1)計算:

tin=22+0.25×(tout-19)=0.25tout+17.25

(1)

式中:tin為車內空氣溫度,℃;tout為車外空氣溫度,℃。

可以看出,式(1)以車內外的溫差為核心控制對象。

在GB/T 12817—2021《鐵路客車通用技術條件》和GB/T 33193.1—2016《鐵道車輛空調第1部分:舒適度參數》等國家標準中[4-5],均提出對鐵路客車室內外溫度的要求,但仍是以固定溫度值作為控制目標。而實際上列車空調的運行環(huán)境特殊,列車車廂內載客量變化顯著,且車門頻繁開閉,這些變化都將對列車車廂內的實時負荷產生顯著影響,因此這類影響因素不容忽視。徐向彬[6]等提出了一種基于實時載客量的新型列車車廂溫度控制模型,將人體新陳代謝率、人體所做的機械功、空氣相對濕度和空氣流速視為恒定參數,研究平均輻射溫度與載客量、服裝熱阻與室外溫度之間的變化關系,將PMV=0(即人體最滿意熱舒適環(huán)境)定為車廂內優(yōu)化目標,擬合出的溫度控制模型如公式(2)所示:

tin=0.30tout-0.36n+18.21

(2)

式中:n為車廂內人員站立密度,人/m2。

徐向彬和王景宏等[6]還基于UIC CODE 553—2004標準中的溫度控制模型和廣州氣候條件及載客量變化的溫度控制模型,在廣州地鐵上進行了實車測試。結果表明,采用新的溫度控制模型的測試車輛,車廂內高度方向上溫差有所減小,車廂內平均溫度波動小,不會出現因溫度驟升或驟降導致熱舒適性降低的現象。

嚴凡等[7]基于潮汐式客流特征對列車空調溫度控制進行了優(yōu)化,提出基于季節(jié)和載客量2個維度的新型目標溫度控制方案。在季節(jié)劃分方面,基于當地氣象局大數據統計平均值,將一年分為春、夏、秋、冬四季。在載客量劃分方面,以深圳地鐵4號線為例,該車為A型車,單節(jié)車廂定員48人,將單節(jié)車廂人數劃分為4個區(qū)段,通過讀取列車載重信號估算車廂內實時載客量。各工況空調溫度控制值如表1所示。

表1 各工況空調溫度控制值 ℃

將上述溫度控制方案投入實車進行應用測試,結果發(fā)現列車空調能耗下降4.26%,并且乘客關于空調投訴量明顯下降。

王志文等[8]對高架線路占線路全長一半以上的廣州地鐵14號線進行了高架空調溫度控制策略研究,相較于隧道區(qū)間,高架區(qū)間往往具有環(huán)境溫度較高,存在陽光直射的特點,因此提出了一種“高架模式”空調溫度控制策略。當列車行駛于高架區(qū)間,且車外溫度超過閾值時,啟動“高架模式”,將車內目標溫度在當前控制策略基礎上降低1 ℃。在對廣州地鐵14號線進行實車測試后發(fā)現,新溫度控制策略全天可節(jié)電約3 400 kW·h,且自投入應用以來無投訴記錄。

1.2 變新風量列車空調節(jié)能控制

空調系統運行時,車廂內載客量是實時變化的,高峰時期需要最大的新風量來滿足車廂內對新鮮空氣的需求;在非高峰時期,車廂內乘客數量較少,空調機組的新風風門常常處于較大開度狀態(tài),空調機組需要提供較多的冷量來降低新風的溫度,造成能源的過度消耗。根據GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術條件》中關于通風標準的規(guī)定[9],車廂內人均新風量不應小于10 m3/h,基于此標準規(guī)定的新風量對負荷進行計算,結果表明新風負荷在車廂總負荷中占比超過60%[10]。Ce Li等[11]調研了某軌道交通線路的實時載客量,基于實時載客量數據和車外逐時氣象參數,在確保車廂內CO2體積分數達到TB 1951—1987《客車空調設計參數》要求的不超過0.15%的基礎上,根據公式(3)計算出最小新風量。通過理論分析得知,利用最小新風量進行車廂內空氣調節(jié)的列車空調機組,在制冷季可節(jié)能約14.6%。

(3)

式中:CN為車內CO2的體積分數,%;CW為新風CO2的體積分數,%;GW為最小新風量,m3/h;C0為單位時間每人產生的CO2量,m3/(h·人);Y為乘客人數。

馬文等[12]針對上海軌道交通4號線進行了新風風門控制試驗研究,在回風口設置CO2體積分數傳感器,并監(jiān)測車廂內載荷變化,調節(jié)新風風門的開度,探索實時最優(yōu)新風風門開度,通過提供實時最優(yōu)新風量以達到節(jié)能的目的。通過試驗對比發(fā)現,新風量調節(jié)后可節(jié)能約13%。

1.3 基于熱舒適指標空調控制

目前列車車廂內多以溫度為控制目標,易出現過冷或過熱的現象,常遭到乘客投訴。為了滿足乘客對熱舒適的需求,將熱舒適PMV指標作為列車車廂內熱環(huán)境的控制目標,綜合考慮溫度、濕度、風速、平均輻射溫度、人體新陳代謝率和服裝熱阻等因素對車廂內乘客熱舒適的影響。熱舒適PMV指標控制可以分為直接控制和間接控制2種,因為熱舒適指標直接控制要求較高且不易實現,因此專家學者們將研究重點集中在間接控制上。黃兵等[13]提出在現有技術條件下,通過調節(jié)空氣溫度、空氣流速和相對濕度這3個方便控制的變量,使車廂內的PMV值穩(wěn)定在-0.5～0.5,如圖1所示。沈霞[14]通過控制車廂內空氣溫度和濕度實現對列車空調熱舒適指標的間接控制,如圖2所示。

圖1 PMV控制流程圖

2 低能耗空調機組技術

2.1 高效換熱器

橢圓管換熱器具有管道當量直徑和管間距小,且管外壓降小的特點,Pires等[15]對橢圓管換熱器阻力及換熱性能進行了實驗室測試,結果表明橢圓管換熱器各項性能均優(yōu)于傳統的圓管換熱器。因此,李劍等{16]提出將列車空調中的圓管換熱器替換為橢圓管換熱器,對原列車空調系統和橢圓管換熱器空調系統進行仿真對比,結果表明,當蒸發(fā)器和冷凝器都換成橢圓管換熱器后,系統制冷量和COP分別提升12.6%和12.4%。

微通道換熱器因其具有質量輕、結構緊湊和換熱效率高等優(yōu)點,適合應用于列車空調中。因此,王宏宇[17]將原列車空調機組中的換熱器由翅片管換熱器替換為微通道換熱器,經過試驗發(fā)現,微通道換熱器不僅能夠顯著減小體積,還對提高機組的能效具有一定作用。張永利等[18]也對微通道換熱器進行了試驗研究,試驗結果表明,在換熱面積相同的情況下,微通道換熱器在厚度和制冷劑充注量方面均優(yōu)于翅片管換熱器。在壓縮機頻率相同的情況下,微通道換熱器制冷性能超過翅片管換熱器,但制熱性能相對較差,制熱量下降20%左右。對微通道換熱器結霜、化霜問題進行研究后發(fā)現,微通道換熱器結霜快且成霜均勻,單次結霜后,除霜較為徹底,但多次結霜、除霜后換熱器的邊角位置逐漸出現積霜,難以去除。

2.2 變頻控制調節(jié)負荷

為了提供最貼合空調負荷的制冷能力,目前常見方式是采取壓縮機旁通卸載或多壓縮機的分級調節(jié)制冷方式,一般可實現0、25%、50%、75%和100%五級制冷量,能夠適應車廂內冷負荷變化,保持車廂內溫度穩(wěn)定?；蛘卟捎枚喔谆钊麎嚎s機,通過減少活塞壓縮機的運行氣缸數量實現卸載,達到節(jié)能降耗的目的。但這類控制方式難以實現無級調節(jié),制冷量浪費和壓縮機啟停次數相對較多的現象仍存在。變頻壓縮機通過調節(jié)壓縮機運行頻率以適應冷負荷的變化,達到降低能耗的作用。眾多專家學者針對變頻壓縮機在列車空調中的應用進行了研究[19-24],通過理論分析和試驗測試等手段驗證了變頻壓縮機的節(jié)能效果,同時還重點探討了變頻壓縮機的控制方法。結果均表明變頻壓縮機能夠在列車空調中加以應用,且具有較好的節(jié)能降耗作用。

3 列車空調熱泵技術

熱泵技術的經濟性早已得到了公認,將熱泵技術引入列車空調能夠降低列車空調作為主要輔助系統的能耗,并且熱泵技術替代電加熱采暖能夠有效避免車廂內的安全問題。低溫制熱性能差是阻礙熱泵技術推廣的主要原因,也是當前熱泵技術的研究重點。一般當車外溫度處于-5 ℃以上時,熱泵技術的經濟性才能得到充分體現。而一旦車外氣溫低于-5 ℃,經濟性急速下降。甚至當室外氣溫過低時,設備將無法正常運行。而車內的負荷需求隨著外部氣溫降低而增加,故而此時熱泵空調的制熱量將無法達到車廂內對采暖的需求。因此,熱泵技術要得到廣泛應用,必須提高低溫制熱性能。

3.1 噴氣增焓技術

長春輕軌車輛使用了噴氣增焓技術提高熱泵空調在低溫環(huán)境下的能效比,當系統處于制熱工況時,制冷劑流經車內換熱器后分為2路,一路通過中間噴射膨脹閥節(jié)流后進入板式換熱器,在其中與另一路制冷劑液體進行熱量交換,吸熱蒸發(fā)成制冷劑蒸氣后進入渦旋壓縮機的中間輔助吸氣口,另一路在板式換熱器中經過過冷的制冷劑液體流出后,經過節(jié)流裝置節(jié)流后進入室外換熱器蒸發(fā)吸收車外環(huán)境空氣熱量,過程如圖3所示。長春冬季平均溫度在-15 ℃～-5 ℃,從實車應用效果來看,噴氣增焓技術能夠有效提高熱泵系統在低溫環(huán)境下的制熱量,且工作安全可靠。

圖3 噴氣增焓熱泵系統原理圖

3.2 冷凝器并聯系統

當前列車空調機組通常由2套空調系統組成,采用雙回路翅片管換熱器作為蒸發(fā)器,而冷凝器是2個獨立的換熱器。當機組處于半載工況時,其中一套空調系統啟動即可滿足負荷需求。但此時雙回路翅片管換熱器只有一半處于工作狀態(tài),蒸發(fā)器的換熱面積增大,冷凝器換熱面積并未發(fā)生變化,因此導致壓縮機的功耗增加,降低了列車空調機組的半載工況能效。

葉超等[25]提出將機組的2個制冷回路通過冷凝器并聯,當機組處于半載工況時,單臺冷凝器僅使用一半,相當于冷凝器的換熱面積增大,能夠提高過冷度,降低壓縮機的能耗,并且提高系統的耐高溫能力,系統原理圖如圖4所示。仿真結果表明,冷凝器并聯式熱泵空調系統能夠滿足能效標準,并且在制熱季相較于電加熱采暖節(jié)能率高達53%。

圖4 冷凝器并聯式熱泵空調系統

3.3 能量回收

全熱交換器作為一種能量回收裝置,通過排風與新風之間的熱濕交換回收排風中的能量。利用這部分能量對新風進行預處理,有效降低新風負荷。孫照嵐等[26]提出將全熱交換器引入列車空調中,對機組結構進行了設計,并完成了性能試驗。根據試驗結果,加裝全熱交換器能夠減少對機組制冷量和制熱量的要求,且機組性能系數增加,因此可以選用型號更小的空調機組,達到節(jié)能降耗的目的。

4 其他列車空調節(jié)能技術

中南大學和中車青島四方車輛研究所有限公司[27-28]對列車空調相變蓄冷換熱器進行了合作研究,從數值仿真和試驗研究2個方向探索蓄冷換熱器的最佳形式和結構尺寸,也分析了放冷效果的主要影響因素。目前針對列車空調相變蓄冷技術的研究仍限定于解決軌道列車突發(fā)供電故障的特殊條件下,不能夠代替現有的列車空調系統進行車箱內空氣調節(jié)。

另外,列車空調系統中引入蓄冷技術,在環(huán)境溫度和車廂內負荷較低時,存儲冷量,在環(huán)境溫度和車廂內負荷升高時,用儲存的冷量進行補償,提高空調的綜合利用率。要實現蓄冷技術在列車空調系統中的應用,系統結構和控制功能都將變得更為復雜,且空調尺寸將大大增加,當前列車結構無法滿足。

5 結論

本文對目前列車空調節(jié)能技術進行了總結,列車節(jié)能技術的研究重點在于優(yōu)化列車車內舒適度參數控制方式和空調機組2個方面。在列車空調節(jié)能控制方面,溫度控制優(yōu)化已取得較好的工程效果,變新風量控制技術也實現了從理論研究到實車應用的轉化。高效換熱器和變頻壓縮機的研究也較為成熟,已在一定范圍內投入使用。蓄冷技術雖然能夠進行能量回收,但機組改裝結構變化較大。輔助相變蓄冷換熱器和蓄冷技術的應用仍處于研究的初期階段。而熱泵技術雖然在冬季平均氣溫低的寒冷或嚴寒地區(qū)應用受限,低溫制熱效果差,但因其安全經濟,且在其他領域已有堅實的應用基礎,具有較為成熟的研究條件,因此低溫熱泵技術將是未來研究列車空調節(jié)能技術的重要方向。