徐 青 陳 夏 楊大洋 鄧建明 駱 堅 周 斌

(1.華東交通大學土木建筑學院，330013，南昌;2.南昌鐵路局車輛段，330013，南昌∥第一作者，副教授)

節(jié)能是我國經濟可持續(xù)發(fā)展的一項基本國策，而交通運輸節(jié)能則是其中的重點工作之一。在旅客列車中，空調系統(tǒng)的能耗已經占到了較大的比重［1－2］，因此列車空調的節(jié)能越來越成為人們關注的焦點。鐵道部頒布的《鐵路節(jié)能技術政策》明確要求嚴格空調客車制冷制熱管理，減少不必要能耗，但現有的很多旅客列車空調系統(tǒng)(如YW25G型列車)仍采用定制冷量、定風量的運行模式。在該運行模式下，由于空調制冷量不能隨車內負荷變化進行連續(xù)調節(jié)，造成車廂內溫度波動大，不僅不能滿足旅客對舒適性的要求，而且能耗高，影響設備的使用壽命。

變頻技術已經廣泛應用于建筑空調系統(tǒng)，在調控室內舒適度和節(jié)能方面都取得了顯著的效果。高速列車和動車組的投運，也為其它空調列車的運行節(jié)能提供了許多寶貴的經驗。本文以YW25G型硬臥空調列車為例，分析其采用變頻控制后的車廂內氣流組織，為列車空調系統(tǒng)的節(jié)能改造提供理論依據［3－5］。

1 空調機組運行控制模式

YW25G型列車硬臥空調系統(tǒng)運行控制模式的主要工作狀態(tài)有以下幾種:

(1)強通風——通風量較大時，制冷開強通風。

(2)弱通風——通風量較小時，制冷開弱通風。

(3)半冷——制冷時，一半壓縮機工作，冷凝風機全部工作。

(4)全冷——制冷時，壓縮機和冷凝風機全部處于工作狀態(tài)。

該型號列車空調在夏季基本處于全冷工況(即最大負荷)下運行，車廂內的溫度調節(jié)通常是司乘人員憑感覺進行運行模式的手動切換，因而車箱內的溫度時高時低。這種控制模式的滯后性和車箱內空氣參數的不穩(wěn)定性，完全不能滿足旅客的舒適要求，同時也造成了不必要的能源浪費。針對該型硬臥列車空調控制模式存在的問題，項目組和南昌鐵路局合作，在一節(jié)臥鋪車廂上加裝了變頻裝置，在不改變機組送風量的前提下，通過對空調壓縮機轉速的調節(jié)對制冷量進行變頻控制。即當車廂內的冷負荷增大、溫度升高時，變頻器改變機組供電頻率，壓縮機轉速提高，增大制冷量;反之，降低壓縮機轉速，減小制冷量。變頻控制使機組制冷量與車廂內所需的制冷量相匹配，最終改變送風溫度滿足旅客的舒適感并達到節(jié)能的目的［6－7］。

2 空調車廂內氣流組織模擬

2.1 模型處理

取YW25G型空調硬臥列車的一節(jié)車廂為研究對象。該車廂長 18 838 mm，寬 2 885 mm，高2 750 mm，共設11個臥鋪單元。其空調系統(tǒng)采用一臺KLD40車頂單元式空調機組，額定制冷量40.7 kW，額定送風量8 000 m3/h;采用頂送風方式，送風口布置于每個單元中部，車廂內空氣通過車廂兩端車門集中回風［8］。

由于列車結構非常復雜，完全按照其真實實體建立計算模型存在一定困難，因此在建模中對車內區(qū)域進行了簡化。假定整個車體內部為規(guī)則的長方體，忽略車兩端乘務員室、配電間、廁所及洗臉室等，只以整體臥鋪區(qū)域作為計算區(qū)域。模型以列車首個臥鋪包間左側臥鋪底角為坐標原點，列車的長度方向為X軸，高度方向為Y軸，寬度方向為Z軸;包廂按送風方向進行編號，共11個包間。人體及臥鋪幾何計算模型如圖1所示。車廂體的熱邊界按第三類邊界條件進行計算，傳熱量折算成熱流密度;進入車內的太陽輻射也折算成熱流，加在各壁面的熱流內。

圖1 YW25G型空調硬臥列車物理模型

2.2 氣流組織模擬結果分析

在氣流組織模擬中，由于列車的移動性，列車空調模擬起來比建筑空調更為復雜，但沿途室外氣候參數、車內人員等因素的變化和建筑物在一天的變化又有一定的相似性。因此，通過計算逐時冷負荷可以得出任何時刻列車所需制冷量。以南昌－廈門－重慶－廈門－南昌整個行程為例，2010年8月11日列車從南昌出發(fā)后，選取幾個氣候變化有代表性的站點參數分別作為工況1～6，并列出了各對應工況下所需制冷量和列車空調額定制冷量(見表1)，可見，行程中列車空調所需制冷量變化是很大的。因此通過變頻調節(jié)，使空調機組的運行適應制冷量的變化，就顯得非常重要。

表1 各工況對應站點參數表

圖2 ⑥號包間中心點溫度

由于篇幅所限，本文將重點討論變頻運行工況和全冷(即額定制冷量)運行工況對車廂內氣流組織所產生的影響。

列車回風口布置在車廂一端，但運行時車廂兩端車門一般不關閉，即實際的回風是從兩端車門進行的，車廂內的氣流組織可近似認為對稱，故選取首個包間①和中部包間⑥為主要研究對象進行分析。

圖2列出了包間⑥各工況下中心點的模擬計算溫度值。在全冷工況下，機組始終按最大負荷運行，送風溫度是不變的，而所選6個工況實際所需的負荷是不同的(見表1)，這就造成車箱內的溫度有較大的波動，如工況2車廂內溫度低至22℃(見圖2)，乘客有明顯的冷感。而在變頻工況下，通過壓縮機轉速的改變，機組的制冷量依據車廂內實際需要的負荷自動變化使得送風溫度改變，車廂內的溫度在各時刻都能維持在一個比較穩(wěn)定的范圍(24～25℃)，制冷機組的能耗也可相應減少。

再以典型工況2為例對車廂內人體周圍的溫度和速度分布狀況進行分析，選取4個比較有代表性的截面:Z向截面選取人體最敏感的頭部(Z=0.3 m)和腳部(Z=1.8 m)所在平面(主要選取氣流具有代表的包間①和包間⑥);Y向截面選取中鋪人體上方區(qū)域(Y=1.625 m);X向截面選取車廂中部包間⑥即沿人體中心縱向剖開位置(X=9.968 m)。包間①和包間⑥在 Z=0.3 m、Z=1.8 m斷面處的溫度場如圖3、4所示，速度場如圖5、6 所示。

由圖3和圖4可知，在全冷運行方式下，車廂內的溫度偏低，局部區(qū)域低至21℃，由于工況2下列車處于夜間運行，人體活動量小，這樣的溫度特別容易使人產生冷感;采用變頻調節(jié)后，車廂溫度提高到23～25℃，舒適感得到了改善。

圖3 Z=0.3 m斷面處的溫度場

圖4 Z=1.8 m斷面處的溫度場

由圖5和圖6可知，由于氣流運動過程中受到床鋪的阻擋，送風口正下方區(qū)域的速度場較床鋪正上方明顯要強烈很多，導致床鋪上方空氣溫度較風口正下方區(qū)域的溫度高。另外，走廊區(qū)域由于集中回風，包間①的速度場較包間⑥強烈，即距車門越近的區(qū)域，其氣流運動越劇烈，使人產生較強的吹風感，降低了舒適感，而靠近車廂中部區(qū)域的氣流運動則相對較弱，提高了舒適感。由于本文所討論的變頻改造僅是通過改變壓縮機的供電頻率來改變制冷量，整個制冷系統(tǒng)的管網特性(即送風量)并不變，因此全冷工況和變頻工況下車廂內氣流的速度場基本相同(見圖5)。

圖5 Z=0.3 m斷面處的速度場

圖6 Z=1.8 m斷面處的速度場

圖7 、圖8分別為Y=1.625 m斷面處的溫度場和速度場。由圖7可見，車廂前端如包間①中，人體頭部區(qū)域和腳部區(qū)域的溫度均低于中部，而包間⑥由于氣流運動較弱，溫度略高;在變頻調節(jié)后，整個車廂水平面上的溫度分布較全冷工況下均勻，溫度梯度較小，低溫區(qū)域總體提高2℃。由圖8可見，在每個送風口下方存在一個小旋渦，并且離車門越近，旋渦越明顯，說明越靠近車門的位置氣流組織越好，而車廂中部區(qū)域的氣流運動不顯著，不利于空氣污染物的排放。

圖7 Y=1.625 m斷面處的溫度場

圖9 、圖10分別為X=9.968 m斷面處的溫度場和速度場。對比臥鋪區(qū)域和過道區(qū)域，對于各臥鋪單元，臥鋪區(qū)域的溫度高于過道區(qū)域溫度。這主要是因為過道區(qū)域沒有任何阻隔，受到氣流直吹，越靠近風口處溫度越低，且向兩側呈45°擴散。但車廂各層臥鋪區(qū)域的溫度分布也有差異(見圖9)，下鋪區(qū)域溫度較低，中鋪次之，上鋪溫度較高。究其原因，是由于床鋪對氣流流動有一定的阻礙作用，而下鋪區(qū)域空間較上、中鋪都大，使得氣流可以充分發(fā)展，形成一定的回旋氣流，能夠更快地散除人體發(fā)出的熱量。變頻工況下，車廂包間溫度過低的現象得到明顯改善，溫度由21～23℃上升了近2℃，使人體感覺較為舒適。而從圖10的速度場可以看出，人體上方存在明顯的氣流上升運動，有利于人體的散熱。下鋪區(qū)域的上升氣流最明顯，其首要原因是鋪位縱向間隔不同所致。從圖2可知下鋪與中鋪之間的距離大于中鋪與上鋪、上鋪與車頂之間的距離，因此下鋪上方區(qū)域的垂直高度較大，有利于氣流組織的充分發(fā)展，因此下鋪區(qū)域的上升氣流最明顯。在變頻工況下亦是如此。

圖8 Y=1.625 m斷面處的速度場

圖9 X=9.968 m斷面處的溫度場

圖10 X=9.968 m斷面處的速度場

3 列車空調變頻改造試驗與模擬對比

本次列車變頻改造在YW25G型空調列車中選擇一節(jié)硬臥車廂進行試驗。變頻系統(tǒng)分為變頻器、無線傳感器和數據接收采集控制板等三大部分。試驗中，硬臥變頻車廂內分別設置了6個無線溫、濕度傳感器，溫度的控制精度可達0.25℃。6個測點均勻分布，安裝在走廊一側(見圖11)，編號為101～106。

圖11 硬臥車廂無線傳感器

圖12 各測點的測量與模擬溫度對比

經過運行測試，安裝變頻節(jié)能控制裝置的車廂內各測點溫度恒定在24～25℃之間，乘客也反映較為舒適。將實際運行中6個測點所測得的數據與相應條件下模擬所得數據進行對比(見圖12)，可以看出，模擬數據與測量數據的變化規(guī)律是一致的，但實際測量值與模擬值有差異。其原因是模擬計算時，車廂內的熱源只考慮了旅客的散熱，而忽略了車內燈具及其它散熱的影響，從而造成模擬值比實際測量值略低。這種偏差是在允許范圍內的?？梢?，本文所采用計算模型的計算結果與實際情況是比較符合的。因此，采用數值模擬的方法對列車進行研究是可行的，并且為今后進一步的節(jié)能研究提供了理論參考依據［9］。

由模擬結果可見，加裝變頻裝置后車廂內的溫度場不均勻性得到了明顯改善，但車廂內溫、濕度控制與空調機組的節(jié)能效果如何達到一個最佳匹配狀態(tài)，還需在后續(xù)工作中完成。

4 結語

(1)應用變頻技術對列車空調制冷量進行調節(jié)，能夠使機組制冷量與車廂內實際負荷相匹配，改善車廂內出現的過冷或過熱現象，滿足旅客的舒適度需求。

(2)通過車廂內的流場以及溫度場的模擬計算可知，應用變頻技術不僅能使車廂內氣流組織的不均勻性得到明顯改善，還能降低空調機組的能耗，符合環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求，同時也為列車空調系統(tǒng)的節(jié)能改造提供一定的理論依據。

(3)變頻技術在列車空調系統(tǒng)中的應用潛力很大，但由于其運行的特殊性，在具體的改造中還存在一些問題。例如，如何合理確定車廂內外的設計參數來計算車內負荷，以便準確地調節(jié)機組的供電頻率;在溫度合適的前提下如何進行濕度的匹配等。

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