地鐵車輛變頻空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方案探討

摘 要： 為了實現(xiàn)節(jié)能，在地鐵車輛上開展了基于不同節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的新型空調(diào)機組節(jié)能效果對比測試與分析，在保證同等客室舒適度前提下驗證變頻空調(diào)的技術(shù)優(yōu)勢性，是當(dāng)今地鐵車輛空調(diào)節(jié)能技術(shù)發(fā)展的新方向。本文首先介紹了地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，然后概述了地鐵車輛變頻空調(diào)機組系統(tǒng)的組成、發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的主要問題，重點介紹了地鐵車輛變頻空調(diào)系統(tǒng)的三種常用的節(jié)能方案。最后，在上述分析的基礎(chǔ)上，對比分析了地鐵車輛變頻空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)方案的優(yōu)勢。以期通過本文的探討期望為今后關(guān)于地鐵車輛變頻空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方案的探究提供一定的理論借鑒和實踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞： 地鐵車輛；變頻空調(diào)；節(jié)能；探討

0.引言

為促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，國家制定了二氧化碳減排的長遠發(fā)展目標(biāo)。在軌道交通環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，風(fēng)扇，泵和空氣壓縮機等大功率設(shè)備滿足運行中的最高功率要求。輸出功率通常具有較大的設(shè)計冗余，容易造成巨大的能源浪費。研究如何使用變頻器控制這些設(shè)備來調(diào)節(jié)電機速度，以根據(jù)實際負載要求調(diào)整輸出功率。有效利用電動機的輸出能量在節(jié)能和減排方面具有重要意義。

在城市軌道交通車輛的能耗中，車輛空調(diào)的能耗約占車輛總能耗的20%至30%。如果將新的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于地鐵車輛的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，則可以有效降低車輛運行的能耗。它可以突出城市軌道交通節(jié)能減排和低碳運營的綠色特征。因此，地鐵車輛的空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能方面具有很大的潛力。

1.地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀

頂置單元式空調(diào)機組，通風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)控制系統(tǒng)是地鐵空調(diào)系統(tǒng)的主要組成部分。頂置單元式空調(diào)機組一般采用一體化結(jié)構(gòu)。也就是說，壓縮機，冷凝器，節(jié)流裝置，蒸發(fā)器，風(fēng)扇和電氣部件都安裝在一個盒子中，形成一個完整的空調(diào)裝置。然后，通過設(shè)置在出風(fēng)口上的回風(fēng)口，電源連接器和室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)以及空調(diào)控制系統(tǒng)無縫連接，形成集冷卻，通風(fēng)和控制于一體的空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)機組有獨立的制冷循環(huán)，采用熱力膨脹閥節(jié)流，壓縮機采用谷輪逆變器臥式渦旋壓縮機。冷凝器和蒸發(fā)器由管翅式熱交換器制成，該管翅式熱交換器由具有高導(dǎo)熱率的銅管和親水性薄膜涂覆的鋁翅片組成。

目前，全國地鐵空調(diào)系統(tǒng)運行中節(jié)能降耗的局限性可歸納如下：①當(dāng)空調(diào)機組正常工作時，制冷系統(tǒng)只進行兩級調(diào)節(jié)；②空調(diào)機組減震器的調(diào)節(jié)范圍有限，無法根據(jù)客流量有效調(diào)節(jié)新風(fēng)量；③目前使用的空調(diào)系統(tǒng)的能效比略低，存在很大的能源浪費問題。

2.地鐵車輛變頻空調(diào)機組系統(tǒng)簡述

變頻控制機制主要基于實際環(huán)境的溫度，濕度，散熱量和人員情況，變頻器處理工頻。可以根據(jù)需要改變壓縮機的電源頻率，使得壓縮機的速度也改變，壓縮機的排量受到控制，并且空調(diào)系統(tǒng)處于合理的運行狀態(tài)。為了達到最舒適的乘坐環(huán)境，節(jié)省能源。

變頻空調(diào)是一種基于定速空調(diào)的變頻專用壓縮機。增加了變頻控制系統(tǒng)，采用了變頻原理。由二次逆變器獲得的變速AC電源用于調(diào)節(jié)壓縮機速度。從而改變管道中的制冷劑循環(huán)量并控制壓縮機的輸出容量。

當(dāng)變頻空調(diào)器以額定頻率運行時，逆變器本身需要消耗少量電能，能效比略低于定速空調(diào)器。當(dāng)空調(diào)在低冷負荷條件下運行時，定速空調(diào)需要啟動和停止壓縮機以實現(xiàn)冷卻能力調(diào)節(jié)，并且壓縮機的頻繁啟動和停止導(dǎo)致能量消耗的增加。變頻空調(diào)通過自動調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膲嚎s機工作頻率實現(xiàn)高效節(jié)能，實現(xiàn)不間斷運行。

3.地鐵變頻空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)方案的設(shè)定

本文在地鐵變頻空調(diào)的節(jié)能方案設(shè)定中，擬采用以下三種設(shè)計方案進行對比分析：

①兩壓縮機定頻空調(diào)

采用傳統(tǒng)的雙壓縮機固定頻率空調(diào)系統(tǒng)。每輛車配備兩個相同的架空單元集中空調(diào)單元，每個單元由兩個渦旋壓縮機組成。由于供電頻率恒定，傳統(tǒng)固定頻率空調(diào)的壓縮機轉(zhuǎn)速基本不變，壓縮機連續(xù)“開、關(guān)”調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

②四壓縮機定頻空調(diào)

采用四壓縮機定頻空調(diào)系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的兩壓縮機空調(diào)機組，可以根據(jù)制冷需求將制冷能力由傳統(tǒng)的“0，50%，100%”三檔調(diào)節(jié)進一步增加到“0，25%，50%，75%，100%”五檔調(diào)節(jié)，更加有利于節(jié)能控制。但是，每臺壓縮機的供電頻率保持不變，運行速度基本不變。

③兩壓縮機變頻空調(diào)

變頻空調(diào)和定頻空調(diào)在空調(diào)的工作原理上基本相同，但變頻空調(diào)系統(tǒng)通過變頻器改變壓縮機的供電頻率。調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速，相對于傳統(tǒng)的兩壓縮機定頻和四壓縮機定頻空調(diào)機組方案，實現(xiàn)了根據(jù)不同負荷進行“無級變速”，它可以大大降低空調(diào)壓縮機頻繁啟停的能耗。根據(jù)冷卻需求，可以通過空調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓縮機的速度，以實現(xiàn)更好的經(jīng)濟匹配。

4.地鐵車輛變頻空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)方案的優(yōu)勢

（1）冷暖兩用的優(yōu)勢

變頻空調(diào)是用于加熱和冷卻車輛的熱泵式空調(diào)，可以彌補當(dāng)前車輛空調(diào)不能實現(xiàn)加熱功能的技術(shù)缺點。

（2）性能優(yōu)勢

通常地鐵里會有很多乘客，所以車輛的門開關(guān)頻繁，車內(nèi)溫度調(diào)節(jié)范圍很廣。高頻快速冷卻，低頻維護舒適，適合空調(diào)需要全年運行，節(jié)能，低噪音，精確控制，高舒適度。

（3）節(jié)能效果優(yōu)勢

人性化的變頻控制技術(shù)是變頻式壓縮機具備的主要技術(shù)優(yōu)勢，這種變頻模式可以確保夏季制冷更節(jié)能；即使在冬季，也可以通過空調(diào)熱泵加熱和輔助電加熱相關(guān)的加熱設(shè)備進行溫度控制，空調(diào)機組自動調(diào)節(jié)加熱準(zhǔn)備方案。與客房內(nèi)的電加熱相比，可以實現(xiàn)高效節(jié)能，提高冬季取暖的節(jié)能效果；啟動可變頻率零電流以避免高電流啟動對輔助電源的影響。

與固定頻率空調(diào)機組相比，變頻空調(diào)機組增加了變頻調(diào)節(jié)功能。以最大化空調(diào)的制冷能力，使室內(nèi)溫度以最快的時間達到預(yù)設(shè)的目標(biāo)溫度值；當(dāng)熱負荷小時，壓縮機的工作頻率降低，以降低空調(diào)單元的冷卻能力，以維持乘客艙的溫度。由于變頻空調(diào)在35～75Hz頻率范圍內(nèi)可調(diào)，不像定頻空調(diào)需頻繁啟停，壓縮機損耗也大大減小。與帶有R407C制冷劑的變頻空調(diào)機組相比，帶R410A制冷劑的變頻空調(diào)機組具有節(jié)能優(yōu)勢。但是，由于R410A制冷劑空調(diào)的設(shè)計壓力較高，整個系統(tǒng)必須使用具有耐壓性的相應(yīng)部件。

雙壓縮機變頻空調(diào)機組和四壓縮機定頻空調(diào)機組比雙壓縮機定頻空調(diào)機組具有更好的節(jié)能效果；變頻空調(diào)機組比四壓縮機固定頻率空調(diào)機組具有更好的節(jié)能效果。在特定硬件技術(shù)平臺的選擇上，采用R410A制冷劑，具有更好的蒸發(fā)換熱系數(shù)，冷凝換熱系數(shù)和制冷劑壓縮效率。總體節(jié)能性能比R407C高10%以上，在節(jié)能方面更有優(yōu)勢；變頻壓縮機的工作頻率范圍越寬，特別是頻率越低，頻率越低的壓縮機，溫度控制越精確。性能更優(yōu)，在節(jié)能降耗方面具有更大的優(yōu)勢，同時可以開闊維修人員的檢修思路，提高檢修效率，確保機車正常運行，使機車設(shè)備始終處于良好運行狀態(tài)。

5.結(jié)語

本文首先介紹了地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，然后概述了地鐵車輛變頻空調(diào)機組系統(tǒng)的組成、發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的主要問題，重點介紹了地鐵車輛變頻空調(diào)系統(tǒng)的三種常用的節(jié)能方案。最后，在上述分析的基礎(chǔ)上，對比分析了地鐵車輛變頻空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)方案的優(yōu)勢。從以上分析可以看出，地鐵車輛變頻單元的乘客艙溫度的控制優(yōu)于固定頻率空調(diào)單元的乘客艙溫度，這提高了地鐵車輛乘客艙的舒適度。同時，采用變頻調(diào)控式的地鐵空調(diào)機組可以在實現(xiàn)高效節(jié)能的前提下，大大降低地鐵車輛的運行成本。

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作者簡介：姓名：劉海文（1990；12；09，）；性別：男，籍貫：遼寧省大連市，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于大連交通大學(xué)；現(xiàn)有職稱：初級工程師；研究方向：機械。