刘云龙 王立平
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266000
摘要：针对传统的高铁动车组列车地面空调车存在不能以小功率用电保障大功率需求及冷量损失严重等问题，提出一种相变蓄冷式高铁动车组列车地面空调车，简要分析了系统组成及其原理，对蓄、释冷系统进行了实验研究。
关键词：高铁动车；空调设计
引言
由于车内热环境的高度不均匀性，适用于均匀热环境的平均热感觉（PMV）评价方法无法对乘员热舒适状态做出客观评估。等效均匀温度（EHT）评价方法则考虑了不均匀热环境对人体的影响。通过建立计算流体力学（CFD）与人体热调节模型的耦合模型，采用最优拉丁超立方设计法，建立乘员舱空调送风参数和太阳参数与EHT和PMV等参数之间关系的近似模型。
1现状分析
1.1结构分析
燃油系统作为发电装置的重要附属装置，系统内部因憋气造成内部空气及燃油的流通不良，严重影响着机组的使用效果。现有发电车的燃油系统的主要管路结构，图中箭头所示燃油系统中燃油流向。
1.2我国目前市场新能源空调设备情况
我国客车中空调设备主要以国外引进为主，国内的空调设备技术水平不足，一些需要使用国外的核心技术组装完成。国内外的品牌质量差距较大，一些小公司缺乏专业的技术，产品价格较高，缺乏有效的销售管理。近年来，外商市场产品独大，国内市场受到影响。国内的产品在不断的学习过程中，逐步研发出符合质量标准的空调设备，但是还没有被市场认可。国内的产品具有价格优势、地域优势，一些企业看准中国市场，开始与中国企业合作，采用合资的方式意图更快的占领中国市场。
2高铁动车组列车独立空调控制系统设计
2.1改进方案
综上所述，要解决燃油系统中车上油箱憋气的问题，须改变车车上油箱现有进排气结构。燃油系统中唯一的进排气装置位于下油箱顶部，通过图1、图2燃油系统结构原理所示，车上油箱唯一的进排气装置为上下油箱之间的溢油管（进排气管）。然而车上油箱排油管及溢油管共用一根管路，存在溢油管被燃油堵塞，导致车上油箱内空气无足够流通量的问题。因此现有燃油管路结构需做出相应改造，以解决问题。
2.2送风参数
通过所建立的EHT及PMV近似模型，采用序列二次规划优化算法（NLPQL）进行送风参数的设计。NLPQL算法是将目标函数以二阶泰勒级数展开，将约束条件线性化，通过解二次规划得到下一个设计点，然后根据两个可供选择的优化函数执行一次线性搜索，该算法的特点是较为稳定。设定太阳高度角为60°，太阳辐射强度为800W?m?2，根据该算法，本文对不同热舒适设计需求下的空调送风参数进行了设计。表5给出了基于PMV及EHT评价方法的送风参数设计结果。由表5可知，随着热舒适设计需求由偏冷向偏热的转变，空调的送风角度增加。在基于PMV方法的设计结果中，送风角度的增幅较大，而EHT方法所对应的送风角度基本维持在15°左右。送风角度的不同主要是由于EHT评价方法考虑了人体各部位的不同热敏感度，而PMV评价方法并没有这方面的考量。
对比送风温度可以发现，随着热舒适设计需求由偏冷向偏热转变，空调送风温度明显增加，且PMV对应的送风温度的增幅更大，在偏冷或适中状态下，PMV对应的送风温度低于EHT的对应值，但在偏热状态下，则正好相反。在同一热舒适设计需求下，两种设计方法得到的送风速度的区别并不明显，而随着设计需求向偏热的转变，两者的送风速度差异变大。综合设计结果可以发现，送风温度与送风速度对人体的热感觉的确起到了较为关键的作用。
2.3将排油管与溢油管分开后直接与下油箱连接
将原5辆试验发电车车上油箱排油管与上油箱溢油管分隔开，分别直接与下油箱连接。确保上油箱排油管、溢油管为独立管路，管路连接如图6所示，按此结构变更后燃油系统运行原理如图7所示，管路安装完后进行泵、排油试验，结果如表5所示，泵、排油时间缩短、速度加快。
2.4车体本身性能的优化
变频系统空调的客车中，需要根据车体内部的热能环境要求，结合实际客车的性能水平，逐步优化客车内外温度，合理的调控温差，改善车体封闭空间的性能调控。按照车体空调温度的变化要求，结合实际效果，提升客车整体的运行性能水平。重点对冬季、夏季进行温度调控。夏季的温度、湿度水平高，太阳辐射性能强，会导致车体内部温度快速升高，客车的隔热性能无法满足实际隔热的需求，导致辐射的热量全部进入到车体内部。在准确的测定中分析，空调封闭环境下，室外温度35℃，室内温度可以达到40℃，这是直接影响客车室内的。借助车载变频的IPD技术，可以对室内外的温度进行探测，做好模糊分析，根据环境温度变化和天气情况，对车体的温度做好预期的调控，做好温度的累积和调控，加强对客车内部温度和湿度的控制。对于整车的运行而言，需要根据系统做好预期的设定。准确的分析车体内实际环境的变化，结合具体的规律要求，实施车整体性能的提升。
2.5热力膨胀阀
热力膨胀阀有节流降压、调节流量、保持一定过热度、防止液击和异常过热等作用，使从冷凝器来的高温高压液态制冷剂节流降压成为容易蒸发的低温低压的气液混合物进入蒸发器。四象限图是膨胀阀单体性能验证的关键，从中可以看出膨胀阀的感温包充注特性、钢球压力位移特性、阀芯开度流量特性及温度流量特性等。第一象限（充注特性）：测试膨胀阀出口温度范围为0℃~40℃的，膨胀阀出口温度压力曲线。一维仿真模型按照试验结果进行建模。
结束语
通过一维系统仿真分析可以为空调系统的开发提供一定的指导，尤其是平台车型开发以及换代车型的开发，同时也为低成本的空调系统开发提供思路。目前的技术方案及成果还有可以进一步改善的空间，比如：目前地试验数据均为稳态工况点下地试验，如果能进行瞬态工况的模拟，那无非对于空调的设计开发或匹配工作，尤其是模型验证会提升一大步。目前采用的四容腔的乘员舱模型还是比较粗糙地划分了区域，如果能采用CFD建模的方式来构建乘员舱并和一维的冷媒回路及暖风水路进行耦合，那么对于HVAC整体模型的评估可以更加贴近实际。模型增加空调控制器相关信息及试验数据如空调控制器的基本策略、EXV控制命令、压缩机转速、鼓风机档位等，可以扩展当前的模型为闭环系统模型[5]。后续需要评估有效的方法来进一步提升仿真建模工作的准确性及效率。
参考文献：
[1]范文英,蒋绿林,马晶晶,施元庆,徐川,梁勇,沈冰燕.一种蓄冷式高铁动车组列车地面空调车系统性能的研究[J].低温与超导,2021,49(05):84-90.
[2]赵兰萍,郑振鹏,徐鑫,杨志刚.基于驾乘人员热感觉的车内空调送风参数设计[J].同济大学学报(自然科学版),2021,49(05):721-730.
[3]丘明,秦海洋.空调发电车燃油系统管路结构工艺优化[J].内燃机与配件,2021(09):23-25.
[4]周传东,宋延涛.浅析高铁动车组列车电动空调选型设计对整车主要性能的影响[J].时代高铁动车组列车,2021(09):114-115.
[5]张志,阮先轸,席日成,胡珂.一维仿真计算在高铁动车组列车空调系统开发的应用[J].高铁动车组列车实用技术,2021,46(08):86-89.