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石家庄国祥运输设备有限公司
摘要:经济的发展让城市交通车辆的舒适度有了提升，也为节能提供了可能?城市轨道车辆空调系统的节能及舒适性是目前研究的重要课题?本文主要介绍车辆热负荷的组成和影响因素,以及制冷压缩机的工作特性,通过对比分析可知:变频空调在解决城市轨道交通车辆空调热负荷变化大的问题上较定速空调具有明显的优势;变频控制策略是提高空调系统节能性及舒适性的关键所在?
关键词:城市轨道交通车辆;变频空调;
城市轨道交通客流量变化的特点是:上下班时间为客流高峰期,其他时间则为客流低峰期?因此,即使在高温季节,车辆空调系统也并不是一直处于满负荷工作状态,全时大冷量的工作模式既浪费能源,又影响乘坐的舒适性?因此,研究空调负荷实时匹配技术是目前急需解决的问题?制冷压缩机作为空调机组制冷功率输出的核心部件,通过变频能量调节控制,是实现节能以及乘坐舒适性的突破点?
1车辆空调热负荷组成及对节能影响的分析
1.1车辆空调热负荷组成
车体隔热壁的传热量；太阳辐射热；车内乘客的散热量；新风热负荷；车内机电设备的散热量?
1.2热负荷的主要影响因素及影响分析
对于城市轨道交通车辆而言,车内机电设备的散热量是相对固定的,车内乘客的散热量是随乘客人数的变化而不断变化的,通过车体隔热壁的传热?太阳辐射热和新风热负荷与外气环境参数直接相关?因此,车内热负荷并不是稳定不变的,而是不断变化的?
1.2.1客流量对热负荷变化的影响
按照标准要求,车辆空调是以定员(即定员荷载)状况下的热负荷进行设计的,而实际运营过程中,乘客人数变化非常大?但是，客室制冷负荷随着乘客量的变化而变化的。在空载时需要49.0kW,远小于额定制冷量85.0kW,在超员荷载时则需要99.2kW?超员荷载为车辆载客极限状态,不在空调系统保证舒适性的考虑范围之内,若空调机组制冷量有短时提高措施,则对提升服务质量非常有利?当乘客量低于定员荷载甚至低于座客荷载时,客室内热负荷需求减小,而通常采用的定速空调的制冷量调节范围有限,而且不可提高额定制冷量?由于定速空调制冷量输出调节范围有限,通常大于实际负荷需要,因此,造成送风温度过低,影响客室温度舒适性,同时也造成空调运行不节能?
1.2.2外界环境参数变化的影响
车辆空调是以额定工况进行设计的,而实际车辆空调的工作温度范围是从最低20℃到最高45℃以上,并不是固定不变的?在外界气温高于额定工况时,空调机组制冷能力下降,会导致客室温度过高;在外界气温低于额定工况时,空调机组制冷能力过大,导致送风温度过低,影响舒适性?如果按高温45℃工况设计,虽然保证了高温时的制冷性能,却造成大多数时间制冷量过大的现象,不利于节能及舒适性?在外温20~45℃的制冷季节,制冷量需求是空调机组额定制冷能力的22.7%~123.6%?显然,受外界气温的影响,地铁车辆空调实际制冷需求量与其额定制冷量相比相差很大?
2常用空调控制策略对节能及舒适性的影响分析
2.1制冷压缩机工作特性
制冷压缩机一般要求每次开启后必须运行3min以上才能停机,每次停机必须要停止3min以上才能再次开启?开启一次必须运行3min以上,是为了使压缩机机油能够及时回流到压缩机,对压缩机进行润滑,保证其可靠性;停机一次必须要停止3min以上才能再开机,是为了保证再次开启前,空调系统的高压压力和低压压力达到平衡,避免压缩机带载启动,保证其可靠性?制冷剂的冷凝,必须要有足够的高压压力才能实现?压缩机每次开机时,都需要一定的时间才能建立高压压力,在建立高压压力的过程中,无足够的制冷量提供?因此,当客室温度负荷变化大时,即使空调压缩机能够及时开机,由于不能立即输出制冷量,舒适性也会大打折扣?压缩机开关除了会影响客室温度的稳定?舒适性以外,每次关机都会将制冷系统的压力释放掉,在下次开机时重新建立压力,消耗了能量,却不能提供制冷量,这就是空调压缩机的开关损耗?压缩机开关损耗,是定速空调运行不节能的一个很重要的原因?
2.2定速空调一般控温策略
定速空调是依靠开关压缩机来调节制冷量,进而调节客室温度?负荷变化剧烈的情况下,受压缩机延时3min开关的影响,经常出现空调输出制冷量滞后的情况?导致客室温度波动大,影响舒适性,引发乘客的投诉?
2.3热气旁通卸载方式
热气旁通卸载方式，是将压缩机排出的高压气态制冷剂经过旁通电磁阀直接排到膨胀阀出口，即一部分制冷剂不经过冷凝器冷凝直接排放到蒸发器入口端，可以减小一部分制冷量。通过控制卸载电磁阀的开关时间，调节空调机组输出的制冷量，可达到连续调节的目的，但必然造成电磁阀开关频繁，降低电磁阀的寿命。因此，在实际应用中，往往采取不连续的调节方式，以取得制冷量调节和电磁阀寿命之间的平衡。此种方法可以部分减小制冷量，有利于提高温度舒适性。图1中卸载阀就是制冷系统中的卸载电磁阀，通过空调控制单元控制其开关及开关的时间长短，可以调节输出制冷量的大小。
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2.4多压缩机并联方式
对于多个小容量压缩机并联方式,如果并联的压缩机数量无限多,从理论上可以实现制冷量多级甚至是无级的控制?但是由于受压缩机规格容量的限制和地铁车辆空调空间尺寸的限制,特别是对空调高度的限制,不能无限制地增加压缩机的数量?
3变频空调频率控制策略
城市轨道交通车辆在实际运营时,高峰?低峰时期的乘客量变化剧烈,会引起客室热负荷的剧烈变化,变频空调通过检测客室温度及其温度变化速率等参数进行频率跟踪调节?变频空调便是通过实时检测以上2个参数,采用模糊智能PID(比例?积分?微分)控制计算,迅速调整压缩机的频率,使输出的制冷量与热负荷相匹配,使客室温度快速下降到设定温度,并使压缩机维持在适当的运行频率,保证了客室温度的稳定和舒适性?根据控制软件的设置,频率运算一般每10s计算1次,每次计算出的频率值可设定在-50~50Hz之间?当温差变化大时,实现频率的迅速升高,达到目标工作频率,输出要求的制冷量,实现对客室温度的快速跟踪调节?
4结语
综上所述，通过对城市轨道交通车辆空调的热负荷变化情况?定速空调控制策略和变频空调控制策略的对比分析可知,变频空调在解决车辆空调热负荷变化大?客室温度波动大及客室舒适性等问题上较定速空调具有明显的优势,是提高城市轨道交通车辆空调系统节能及舒适性的重要手段?
参考文献
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