地鐵列車熱泵空調系統(tǒng)節(jié)能性分析

吳楠楠，臧建彬，趙亮

（1. 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；2. 同濟大學 機械與能源工程學院，上海，200092）

列車牽引能耗是地鐵列車的主要能耗，而列車空調機組作為地鐵列車的輔助系統(tǒng)，其能耗占比達到30%以上［1］。在較為寒冷的地區(qū)，空調制熱在輔助系統(tǒng)總能耗中占比達到45%［2］。隨著我國地鐵網絡建設的不斷發(fā)展，地鐵列車空調能耗的問題也逐漸引起廣泛關注。

目前我國在運營的地鐵列車普遍采用單冷型空調機組，制熱季采暖通過電加熱來完成，空調自帶電加熱和車輛地板加熱是地鐵列車車廂內實現(xiàn)電加熱采暖的兩種方式。通過電加熱實現(xiàn)冬季采暖不僅能效比低，在車輛中布置電加熱器還將為車廂安全帶來隱患［3］。因此，列車空調領域的專家學者們將熱泵技術引入地鐵列車中，在冬季運行時減少或代替當前的電加熱裝置，合理使用低位熱能，以提供冬季地鐵列車車廂所需的熱量。將熱泵技術應用于城市軌道交通中，不僅提高了能源利用率，大幅降低列車空調系統(tǒng)的能耗，還減少了電加熱帶來的安全問題。

利用熱泵技術能夠提高能源利用率，節(jié)能效果顯著已經得到普遍認可。但地鐵列車空調應用熱泵機組實際可達到的節(jié)能率，尚需進一步研究。因此，本文將通過一維仿真的方法，對所研究的熱泵系統(tǒng)的全年能耗進行仿真計算，結合季節(jié)性能評價指標APF，分析其全年能效及節(jié)能率。

1 研究方法

1.1 研究對象

當前列車空調機組通常采用兩套制冷系統(tǒng)，兩套制冷系統(tǒng)中分別單獨使用一臺冷凝器，蒸發(fā)器一般采用雙回路翅片管換熱器，即將換熱管通過管路連接劃分給兩個不同的制冷系統(tǒng)中。這種設計在半載工況時，空調機組僅運行一套制冷系統(tǒng)。此時因為蒸發(fā)器設置為雙回路結構，在整個空調機組中，兩套蒸發(fā)器各一半處于工作狀態(tài)，相當于蒸發(fā)器的換熱面積增大。系統(tǒng)的制冷量降低，冷凝風機的功耗不變，同時由于蒸發(fā)器的相對換熱面積增大、冷凝器換熱面積未改變等因素，將導致壓縮機增大功耗，半載工況下的機組能效比下降。

為了克服現(xiàn)有技術所存在的不足，將機組的兩個制冷回路通過冷凝器并聯(lián)，在半載時，僅使用單臺冷凝器一半，這樣就相當于增大了冷凝器的換熱面積，從而提高制冷劑的過冷度，有利于減小壓縮機的能耗，并且提高機組的耐高溫能力［4］。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 熱泵系統(tǒng)原理圖

1.2 研究方法

地鐵列車熱泵空調系統(tǒng)由壓縮機、換熱器（冷凝器和蒸發(fā)器）、膨脹閥和風機等主要部件，以及氣液分離器、儲液器和干燥過濾器等輔助部件組成。主要部件在地鐵列車熱泵空調系統(tǒng)中是不可或缺的，而輔助部件是否選用是根據車型和運行工況的需要決定的。本文對地鐵列車熱泵空調系統(tǒng)的仿真將忽略輔助部件和連接管路對系統(tǒng)性能的影響，僅研究由主要部件構成的熱泵系統(tǒng)的性能，使得仿真模型具有較高的通用性。

在數值模擬過程中，想要完全復刻制冷系統(tǒng)的運行狀態(tài)，建立真實的系統(tǒng)模型是難以實現(xiàn)的。所以對空調系統(tǒng)性能進行研究時，常對系統(tǒng)進行簡化處理，主要集中在一些關鍵部件或部位的參數對系統(tǒng)整體的影響。因此，可以根據部件的物理特性，將工質的熱力學參數簡化為沿流動方向一維分布，這樣不僅有利于降低數值模擬的難度，還可以提高計算速度。

本文研究對象是地鐵列車熱泵空調系統(tǒng)，空調機組集成在列車車頂。利用KULI軟件仿真模型，對某軌道車輛空調公司現(xiàn)有地鐵列車熱泵空調機組進行了制冷工況下的仿真模擬。該空調機組使用渦旋式壓縮機，制冷劑為R410A，節(jié)流元件為電子膨脹閥。利用地鐵列車空調機組及各個主要部件的結構尺寸和試驗測試數據，在KULI軟件中搭建地鐵列車空調系統(tǒng)一維模型，如圖2所示。

圖2 地鐵列車空調系統(tǒng)一維模型

空氣回路有兩條，因為蒸發(fā)器的進風量是由蒸發(fā)風機控制的，而冷凝器的進風量由冷凝風機控制，兩條回路之間互不干涉。

1.3 研究方法檢驗

本文利用KULI仿真軟件，對現(xiàn)有地鐵列車熱泵空調機組進行了制冷工況下的仿真模擬后，將得到的結果與某軌道車輛空調公司提供的機組性能測試數據進行對比，驗證仿真結果是否可信。

利用焓差試驗臺對機組進行性能測試，通過兩個環(huán)境控制室裝備的空氣調節(jié)設備來調節(jié)試驗工況所要求達到的溫度和濕度?，F(xiàn)有機組的試驗測試工況，冷凝器進風干球溫度35℃，蒸發(fā)器進風干球溫度和濕球溫度分別為29.5℃和24.6℃。從表1試驗結果與仿真結果對比來看，仿真結果與試驗值的誤差小于8%，因此說明本文利用KULI仿真軟件對地鐵列車熱泵空調系統(tǒng)仿真是可信的。

表1 實驗結果與仿真結果的對比

2 仿真結果

當熱泵機組的制冷量大于7.1kW時，采用額定制冷、中間制冷、最小制冷、額定制熱、中間制熱、最小制熱和低溫制熱7個工況點的功耗來推定機組全年總耗電量。參考標準GB/T 17758-2010《單元式空氣調節(jié)機》［5］，利用仿真手段，在規(guī)定工況下進行機組仿真，得到車外環(huán)境溫度35℃時和29℃的額定制冷、中間制冷和最小制冷機組性能，和車外環(huán)境溫度7℃時的額定制熱、中間制熱和最小制熱以及車外環(huán)境溫度2℃時低溫制熱時機組性能，其中超低溫制熱時（即車外環(huán)境-8.5℃）的性能參數可以由7℃和2℃的結果進行計算得到，如表2所示。

表2 各規(guī)定工況點下單臺機組性能參數

3 節(jié)能性分析

空調設備性能評價指標用于區(qū)分產品的優(yōu)劣，規(guī)范產品市場?？照{設備的性能評價指標可以被分為兩類，名義性能指標和季節(jié)性能指標。名義性能指標需要空調設備在名義工況下，經過試驗檢驗設備的運行性能。季節(jié)性能指標則用于描述空氣調節(jié)產品在整個制冷季、制熱季或全年的綜合運行性能。季節(jié)性能指標又可以分為兩個體系，APF（Annual Energy Efficiency）體系和IPLV（Integrated Part Load Value）體系。IPLV于2008年開始在我國正式應用，最開始時IPLV指標主要考慮制冷狀態(tài)下的設備的評價，而熱泵空調在冬季制熱的應用越來越受到人們關注，應用愈發(fā)廣泛，此時IPLV指標已經不再適用于熱泵空調的全年綜合運行性能的評價。因此，在2013年GB 21455-2013《轉速可控型房間空氣調節(jié)器能效限定值及能效等級》中，IPLV被APF指標取代［6］。

APF指在空氣調節(jié)季節(jié)中，空調機組從室內除去（或送入）的熱量與機組耗電量之比，該指標綜合考慮了制冷季和制熱季熱泵機組的性能，對機組的評價更加全面。因此，本文將對設計的地鐵列車熱泵空調機組的季節(jié)總負荷進行計算，并結合仿真結果對機組能效進行分析。

在計算季節(jié)負荷時選取武漢地區(qū)逐時氣象參數，因為武漢處于冬季和夏季均需要進行空氣調節(jié)，且武漢地鐵發(fā)展迅猛，截至2021年3月武漢已開通9條地鐵運營線路，車站總數超過200座，總運營里程達到300km以上，武漢地鐵開通運營情況統(tǒng)計如圖3所示。另外，武漢地鐵計劃于2024年前形成14條運營線路，總長606km，城市軌道交通出行占公共交通出行的60%［7］。因此，選取武漢地區(qū)地鐵列車作為研究對象。

圖3 武漢地鐵開通運營情況統(tǒng)計圖

為了得到更接近地鐵列車熱泵空調機組運行實際情況的結果，在計算地鐵列車熱泵空調機組全年運行能耗時，采用武漢地區(qū)典型氣象年的逐時氣象參數［8，9］，并且剔除地鐵列車非運營時段（即當晚23:00～次日06:00）的氣象數據，僅研究地鐵列車運營時段的機組能耗，如圖4所示。對全年地鐵列車運行時段各溫度發(fā)生時間進行統(tǒng)計，結果如圖5所示。

圖4 地鐵列車運營時段全年車外逐時溫度

圖5 全年地鐵列車運行時段各溫度發(fā)生時間

目前，各種相關標準中，機組耗電量的計算方式有兩種：直接計算法和間接計算法。直接計算法是對空調機組幾個規(guī)定工況點進行仿真后，通過對這幾個點進行差值計算得到空調機組滿足列車負荷運行時的能耗曲線。間接計算法的著手點是系統(tǒng)COP，將機組運行區(qū)間進行劃分，計算出每個區(qū)間段的COP，利用插值法得到區(qū)間段中每個溫度點對應的COP，之后再由相應溫度點下的負荷除以機組能效得到該溫度點的能耗。有研究表明，直接計算法計算出的結果與空調機組實際能耗更加貼合，準確性更高［10］。因此，本文將采用直接計算法，對設計機組進行季節(jié)能耗進行計算。

3.1 制冷季能效

地鐵A型車車廂中額定承載人數為310人，由負荷計算方法得到地鐵列車熱泵空調機組在制冷季中的負荷曲線。根據標準GB/T 17758-2010《單元式空氣調節(jié)機》規(guī)定，和表2中規(guī)定工況機組仿真結果，可以對制冷季機組耗電量進行計算，結果如圖6所示。

圖6 制冷季機組耗電量計算

根據GB/T 17758-2010《單元式空氣調節(jié)機》，制冷季能效比SEER（Seasonal Energy Efficiency Ratio）按照公式（1）計算：

式中，CSTL——制冷季總負荷，kW?h；

CSTE——制冷季總耗電量，kW?h。

由圖5中制冷季各溫度發(fā)生時間和6中制冷季機組耗電量的計算結果，可以得到地鐵列車單臺熱泵空調機組制冷季能效比，如表3所示。

表3 單臺機組制冷季能效比

3.2 制熱季能效

由負荷計算方法得到地鐵列車熱泵空調機組在制熱季中的負荷曲線。根據標準GB/T 17758-2010《單元式空氣調節(jié)機》規(guī)定，結合表2中各規(guī)定工況機組仿真結果，可以對制熱季機組耗電量進行計算，計算結果如圖7所示。

由圖7可知，當車外環(huán)境溫度降低到-2℃時，地鐵車廂內實際熱負荷等于地鐵列車熱泵空調機組的實際制熱量，兩者的交點稱為平衡溫度點［11］。在平衡溫度點的右側，即車外環(huán)境溫度高于平衡溫度時，地鐵列車熱泵空調機組的實際制熱量大于地鐵車廂內實際熱負荷，地鐵列車熱泵空調機組供熱量有余。在平衡溫度點的左側，即車外環(huán)境溫度低于平衡溫度時，地鐵列車熱泵空調機組的實際制熱量小于地鐵車廂內實際熱負荷，地鐵列車熱泵空調機組供熱量不足。此時需要開啟電加熱進行輔助制熱，以滿足地鐵車廂內乘客熱舒適的需求。

圖7 制熱季單臺機組耗電量計算

根據GB/T 17758-2010《單元式空氣調節(jié)機》，制熱季能效比HSPF（Heating Seasonal Performance Factor）按照公式（2）計算：

式中，HSTL——制熱季總負荷，kW?h；

HSTE——制熱季總耗電量，kW?h。

由圖5中制熱季各溫度發(fā)生時間和7中制熱季機組耗電量的計算結果，可以得到地鐵列車單臺熱泵空調機組制熱季能效比，如表4所示。

表4 制熱季能效比

3.3 全年節(jié)能性分析

根據GB/T 17758-2010《單元式空氣調節(jié)機》，APF由式（3）計算：

APF=(CSTL+HSTL)/(CSTE+HSTE) （3）

經計算熱泵機組的APF為2.50，大于GB/T 17758-2010《單元式空氣調節(jié)機》規(guī)定的2.1。

通過調研發(fā)現(xiàn)，目前某地鐵A型車安裝單制冷空調機組，冬季采暖使用電加熱，其單臺機組制冷耗電量和制熱耗電量分別為35987kW?h和5574kW?h，其APF為1.8。與地鐵列車單制冷，冬季采用電加熱采暖的空調機組相比，設計熱泵機組的節(jié)能性如表5所示，地鐵列車熱泵空調機組制冷季節(jié)能率22%，制熱季節(jié)能率53%，全年節(jié)能率為26%。

表5 地鐵列車單臺熱泵空調機組節(jié)能量

由以上研究可知，基于地鐵列車熱泵空調機組全年與實際應用的匹配程度更高。機組設計容量優(yōu)化后，不僅減小了設備的初投資費用，其運行費用也將有所降低。

4 結論

本文通過一維仿真的方法，對地鐵空調熱泵機組在各規(guī)定工況點下單臺機組性能進行仿真計算，以得到制冷季和制熱季的機組能耗，得出以下結論：

（1）對空調機組的APF進行計算，熱泵機組的APF為2.5，大于相關標準規(guī)定的2.1。單制冷空調機組APF僅為1.8。因此，設計熱泵空調機組符合能效標準。

（2）與地鐵列車單制冷，冬季采用電加熱采暖的空調機組相比，熱泵空調機組制冷季節(jié)能率22%，制熱季節(jié)能率53%，全年節(jié)能率為26%。

從仿真結果來看，本文所研究的熱泵機組在制冷季和制熱季均具有良好的節(jié)能效果，能夠在地鐵列車上推廣應用。