城市轨道车辆空调系统的节能方案分析

新风负荷 43.0%
车体传热 6.8%
太阳辐射 5.9%
车内设备 1.8%
乘客散热 42.5%
图 1 M 车、Mp 热负荷分配图
表 1 M 车、Mp 车热负荷分配表
M（Mp）车热负荷/W
百分率/%
车体传热 Q1
5,760
6.8
太阳辐射 Q2
5,000
5.9
乘客散热 Q3
35,960
42.5
车内设备 Q4
0 引言
在科学技术快速发展的今天，绿色节能环保已 经越来越受到人们的重视，实现可持续发展也成为 经济发展的一个重要目标。在城铁车辆的设计中， 这一理念也已得到重视，并进行了推广，本文将就 城铁车辆定频空调机组的节能进行论述。
1 节能方案应用
在城铁车辆的各个系统中，空调系统的耗电量 大，根据相关文献[1]，以空调系统为主的辅助系统 耗电量占车辆耗电量的 50%，因此在空调系统采用 节能设计对整车的节能效果意义重大。
表 3 单台机组运行模式及压缩机工作状态
运行模式
压缩机1 压缩机2 压缩机3
状态
状态
状态
制冷模式1 制冷模式2
工作 工作 工作 工作
工作 工作 工作 停止
工作 工作 停止 工作
停止
工作
工作
工作
工作
停止
制冷模式3
工作 停止
停止 停止
停止 工作
停止
工作
工作
制冷模式4
工作 停止 停止
停止 工作 停止
停止 停止 工作
响分析及研发思路[J]. 制冷技术, 2012, 32(1): 49-52, 67. [4] 钱海雷, 许慧慧, 高屹峰, 等. 公交客车空调铜, 铝翅
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Vol.35, No.1 Feb. 2015
2 变新风控制方案
2.1 原理 城铁车辆空调系统的目的是将进入空调机组
内部的、由新风和回风混合后的混合风通过蒸发器 的降温除湿过程，再送入车厢内部，以满足乘客乘 车舒适性要求。空调机组的制冷量由车内冷、湿负 荷[4]确定，而在负荷计算中，新风负荷占据了很大 的比重。
表 1 城市轨道交通车辆空调系统的节能方案
序号
节能方案
1 根据乘客负载变新风节能控制
2 4 台并联涡旋式压缩机，通过两两并联实现 4 级能量调节控制
3 4 台涡旋式压缩机独立系统实现 4 级能量调节 控制
4 活塞式压缩机 4 级能量调节控制 5 变频热泵技术 6 幅流风机提高风速，提高设定温度实现节能 7 换热器采用小管径内螺纹铜管
目前城铁车辆的空调机组一般分为变频和定 频两种型式，国内的城铁车用的变频空调机组起步 相对较晚，同时由于变频技术的限制，导致变频空 调机组的应用并不多；而定频技术作为主要的空调 机组方案，已被广泛应用于国内城铁车车辆项目。
表 1 为城市轨道交通车辆空调系统的几种节能 方案。
由于变频热泵技术在轨道交通车辆空调系统 上的应用并不广泛，而幅流风机的设定与车辆内装 紧密联系；小管径铜管换热器[2-3]具有一定的节能作 用，但在车辆上应用极少，因此本文针对变新风节 能方案和压缩机并联方案的方案加以分析。
客量信号进行控制。空调系统控制根据车载人员的
数量来调节新风阀开度，由 TCMS 传送过来的车辆
载荷信号，新风阀开度分为 4 档，分别为 25%、50%、
75%及 100%，具体可见表 2。
通过这些方案，可有效实现车辆空调系统的节
能要求。
表 2 车辆新风阀开度
每车乘客数/人
每车新风量/(m3/h)
<80 80~165 165~235 >235
3.2 四级调节节能方案 每台空调机组设有 4 台压缩机，通过管路两两
并联，压缩机设有过载、欠压等保护，设有高低压 压力保护装置。压缩机采用的是柔性涡旋压缩机[10]， 振动及噪声较低。
通过开启压缩机的数量，来实现以下四种制冷 模式。
制冷模式 1：每台空调提供 25%的制冷功率， 即每台空调机组仅一台压缩机工作。
*于文晶（1980-），女，高级工程师，学士。研究方向：轨道车辆空调采暖。联系地址：吉林省长春市绿园区青荫路 435 号，邮编 130062。联系电话：0431-87832053。E-mail：yuwenjing@cccar.com.cn。
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第35卷第1期 2015年2月
制冷技术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
[Abstract] The scheme by applying variable fresh air flow and parallel-connected compressors programs used in the air conditioning system of urban rail vehicle was proposed, which may achieve the energy-saving requirements air conditioning system in urban rail vehicle. Combined with the energy saving research and application, the programs for application of the variable fresh air flow and parallel-connected compressors were analyzed and demonstrated, which would provide reference and basis for energy-saving control for the vehicle air conditioning system. [Keywords] Vehicle air conditioning system; Variable fresh air; Parallel-connected compressors; Energy saving
停止
停止
停止
压缩机4 状态 工作 停止 工作 工作 工作 停止 工作 工作 停止 停止 停止 停止 工作
3.3 压缩机 4 级能量调节方案与传统项目节能对比 以某项目空调机组压缩机试验数据为例：表 4
为 3 种方案能耗对比数据；图 2 为 3 种方案在不同 工况下的功耗对比。
通过对比，可以看出采用压缩机 4 级调节方案 的节能效果优于其他 2 种传统的方案，特别在高温 条件下节能效果更为明显。
[摘 要] 本文阐述了城市轨道车辆空调系统中采用变新风及并联压缩机的方案，实现城市轨道车辆空调 系统的节能要求。结合城市轨道车辆项目空调系统的节能方案研究和应用，针对变新风及并联压缩机的方 案进行了分析和论证，为车辆空调系统节能控制提供参考和依据。 [关键词] 车辆空调系统；变新风；并联压缩机；节能
1,600（风阀开度 100%） 2,350（风阀开度 75%） 1,650（风阀开度 50%） 800（风阀开度25%）
3 压缩机4级能量调节节能方案
3.1 原理 空调机组内设有 2 套独立的制冷系统，每个制冷
系统中有一组由 2 台压缩机并联组成的压缩机组，通 过控制压缩机开启的个数，实现 4 级能量调节。
Analysis of Energy Saving Scheme for Air Conditioning System of Urban Rail Vehicle
YU Wen-jing*, KANG Wei
(Urban Transit Vehicles Development Department, Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun, Jilin 130062,China)
第35卷第1期 2015年2月
制冷技术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.206
城市轨道车辆空调系统的节能方案分析
Vol.35, No.1 Feb. 2015
于文晶，康伟
（中国北车集团长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130062）
方案 2 开启 2 台压缩机，进行卸载、方案 3 开启 2 台压缩机。
图 2 不同方案在三种工况下的功耗比较图
4 结论
在城市轨道交通车辆空调系统中，上述的变新 风节能方案与压缩机 4 级调节节能方案，均在工程 实践中通过验证，取得了一定的成果，但从另外的 角度而言也存在一些问题，比如如何通过载客量确 定新风门的开度控制和新风量、车辆运行速度对新 风量的影响以及并联压缩机带来的油平衡等问题， 还需要不断试验及研究，从而确定更加优化的方案 实现空调系统的节能效果。
表 4 不同工况的功耗对比
源自文库
工况
空调功耗/机组/kW
2 台活塞 压缩机
2 台卧式可 卸载压缩机
采用 4 台 压缩机
35 ℃ 名义工况 a
48 ℃ 高温工况 b
55 ℃ 高温工况 c
21.29 25.52 28.10
19.39 23.93 18.10
18.83 23.65 15.06
注：a. 3 种方案均全载；b. 3 种方案均全载；c. 方案 1 开启 2 台压缩机、
作，1 套仅 1 台压缩机工作。 制冷模式 4：每台空调提供 100%的制冷功率，
即每台空调机组 2 套制冷系统 4 台压缩机全部工作。 单台机组运行模式及压缩机工作状态见表 3。 为了保证车厢温度调节的均匀性，每节车所配
备的 2 台客室空调机组的压缩机组合工作模式始终 相同。在制冷运行过程之中，客室空调根据收到的 适时的室内温度值与目标设定数值进行比较，当超 过规定的偏离值时，机组相应的更换运行模式，增 加或者减少制冷能力。运行模式的变换是逐级的。
传统车辆空调系统中，新风量并不按照乘客的 数 量 设 定 ， 而 是 均 按 照 AW2 载 员 时 人 均 新 风 10 m3/h[5]设定。因此大部分时间新风超过需求，采 用根据载客数量调整新风方案可以有效实现节能 控制。通过对上海轨道交通一号线全天客流量和上 海地区夏季气象资料的调研[6]，定新风量空调负荷 要比变新风量空调负荷大，而差别在于新风量的负 荷[7]。计算分析得到轨道交通一号线车辆空调系统 新风负荷的节能潜力约为 12.6%~14.6%。另外，据 调查，新风负荷在制冷负荷中占比较大，图 1 和表 1 为某项目中的 M 车、Mp 车制冷负荷分配情况。
制冷模式 2：每台空调提供 50%的制冷功率， 即每台空调机组内各有一套制冷系统中的 1 台压缩 机工作。
制冷模式 3：每台空调提供 75%的制冷功率， 即每台空调机组 2 套制冷系统中 1 套 2 台压缩机工
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第35卷第1期 2015年2月
于文晶等：城市轨道车辆空调系统的节能方案分析
Vol.35, No.1 Feb. 2015
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因此，根据轨道交通车辆载客量实时控制新风
量是一种行之有效的节能措施。
2.2 变新风节能方案
新风门根据车内载荷情况进行调节，实现节
能、舒适度的要求。新风量的控制方法[8]有 2 种，
可以采用二氧化碳浓度检测，即在回风门设置二氧
化碳传感器[9]，根据二氧化碳浓度调节新风门，从
而改变新风量。
此外，还有更为可靠且易行的方式，即采用载
1,500
1.8
新风负荷 Q5
36,338
43.0
从表 1 可见，新风负荷将近占总制冷负荷的一 半，而新风负荷主要由乘客负载产生。由于受车辆 线路、站间距、行车密度以及工作日与非工作日、 车辆沿线的情况等因素影响，城铁车辆的载客量波 动量很大，因此在载客量较小时降低新风量，则车 辆空调系统的节能设计效果非常明显。