周　陽(yáng)　畢海權(quán)　魯華偉　黃若奕（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院　成都　610031）

?

基于LMSAMESim的城市軌道交通車輛空調(diào)制冷系統(tǒng)研究

周陽(yáng)畢海權(quán)魯華偉黃若奕
（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院成都610031）

【摘要】介紹了基于LMS AMESim軟件進(jìn)行城市軌道交通車輛空調(diào)制冷系統(tǒng)仿真的研究，主要分析了壓縮機(jī)效率對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)的影響。通過(guò)LMSAMESim空調(diào)制冷系統(tǒng)模型的仿真計(jì)算，可得到城軌車輛空調(diào)制冷系統(tǒng)不同工況下各部件的運(yùn)行參數(shù)及系統(tǒng)制冷量和能耗。LMS AMESim可以為城軌車輛空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】LMSAMESim；城市軌道交通車輛；空調(diào)制冷系統(tǒng)；壓縮機(jī)效率

0　引言

隨著城市的發(fā)展，城市內(nèi)的交通問(wèn)題日趨嚴(yán)重，發(fā)展地鐵、輕軌或有軌電車等軌道交通方式成為解決城市交通問(wèn)題的策略和措施[1]。由于城市軌道交通車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗占總運(yùn)行能耗的30%[2]，因此，有必要對(duì)城軌交通車輛的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究，以減少城軌交通車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗。

本文采用多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)LMS AMESim軟件建立了城軌交通車輛空調(diào)制冷系統(tǒng)的計(jì)算模型，分別搭建了壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管和蒸發(fā)器模型，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，并分析了壓縮機(jī)效率對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷量和能耗的影響。

1　城市軌道交通車輛空調(diào)系統(tǒng)建模

1.1 LMS AMESim軟件簡(jiǎn)介

LMS AMESim（Advanced Modeling Environment for Performing Simulation of Engineering Systems）為一維多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)，已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天、車輛、船舶、工程機(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域。

1.2空調(diào)制冷系統(tǒng)模型建立及驗(yàn)證

本文所用車輛及空調(diào)機(jī)組參數(shù)由于涉及企業(yè)的商業(yè)機(jī)密，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)等不便列出，可參考文獻(xiàn)[3,4]。

LMS AMESim采用模塊化建模，可根據(jù)不同的需求搭建模型。對(duì)于空調(diào)制冷系統(tǒng)可選取壓縮機(jī)、制冷劑管、毛細(xì)管、翅片管、制冷劑、氣液分離器、干燥器等模塊建模。

制冷系統(tǒng)仿真原理詳見(jiàn)文獻(xiàn)[5,6]，限于篇幅本文不做詳細(xì)說(shuō)明。

本文模擬的城軌車輛采用渦旋壓縮機(jī)，渦旋壓縮機(jī)容積效率ηv和電效率ηs隨蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓比變化，變化復(fù)雜，可由實(shí)驗(yàn)值求得，通過(guò)多項(xiàng)式來(lái)回歸。

通過(guò)LMS AMESim搭建的空調(diào)制冷系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　 AMESim空調(diào)制冷系統(tǒng)模型Fig.1 AMESim model of air conditioning and refrigeration systems

根據(jù)《鐵道客車車頂單元式空調(diào)機(jī)組試驗(yàn)方法TB/T 2432-93》[7]規(guī)定，空調(diào)機(jī)組性能測(cè)試分別在4種工況下進(jìn)行，如表1所示。

表1　空調(diào)機(jī)組試驗(yàn)工況Table 1 Air conditioning unit test conditions

圖2　模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比Fig.2 Comparison of the simulation results with the experimental values

使用AMESim模型分別對(duì)4種工況下的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，試驗(yàn)值和模擬值的對(duì)比如圖2所示。

由圖2的對(duì)比結(jié)果可知，模擬值的誤差在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了AMESim模擬空調(diào)制冷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。AMESim建模靈活，可根據(jù)實(shí)際需要添加或優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的組件，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有參考價(jià)值。

2　壓縮機(jī)效率對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)的影響

2.1壓縮機(jī)效率介紹

容積效率ηv：實(shí)際循環(huán)輸氣量與理論輸氣量的比值稱為容積效率[8]，即：

容積效率ηV與容積系數(shù)λV、壓力系數(shù)λp、溫度系數(shù)λT、泄露系數(shù)λl有關(guān)，關(guān)系式為：

ηV=λVλpλTλl（2）

等熵效率（指示效率）ηis：ηis為等熵功率Ps與指示功率Pi之比，用于考慮實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的輸入功率的差別，即：

機(jī)械效率ηm：機(jī)械效率用于考慮摩擦功率的影響，計(jì)算式為：

式中，Pe為軸功率；Pm為摩擦功率。

軸效率ηe：衡量壓縮機(jī)軸功率有效利用程度的指標(biāo)為軸功率ηe，即：

電效率ηel：ηel是等熵功率Ps與電功率Pel的比值，即：

式中，ηmo為電動(dòng)機(jī)效率。

2.2壓縮機(jī)效率對(duì)制冷系統(tǒng)的影響

城軌交通車輛運(yùn)行工況多變，室外環(huán)境參數(shù)變化、車廂內(nèi)人員變化等因素都會(huì)改變制冷系統(tǒng)的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度，從而改變壓縮機(jī)效率，對(duì)制冷系統(tǒng)造成影響。

根據(jù)壓縮機(jī)性能曲線求得壓縮機(jī)容積效率ηv、電效率ηel與冷凝溫度、蒸發(fā)溫度的關(guān)系，如圖3、4所示。

現(xiàn)取名義工況下的壓縮機(jī)效率對(duì)最大負(fù)荷、低溫及凝露工況進(jìn)行仿真，和壓縮機(jī)效率隨工況變化的情況進(jìn)行對(duì)比，分析壓縮機(jī)效率變化對(duì)制冷系統(tǒng)的影響。對(duì)比結(jié)果如表2所示。

由對(duì)比可知：

（1）最大負(fù)荷工況下，容積效率和電效率下降，導(dǎo)致制冷量下降，能耗上升，COP下降，COP誤差為3.01%。

（2）低溫工況下，容積效率下降，電效率上升，導(dǎo)致制冷量下降，能耗下降，COP上升，COP誤差為2.41%。

（3）凝露工況下，容積效率上升，電效率上升，導(dǎo)致制冷量上升，能耗下降，COP上升，COP誤差為1.44%。

圖3　容積效率與冷凝溫度、蒸發(fā)溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between volumetric efficiency and the condensing temperature, evaporating temperature

圖4　電效率與冷凝溫度、蒸發(fā)溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between electrical efficiency and the condensing temperature, evaporating temperature

表2　壓縮機(jī)效率對(duì)制冷系統(tǒng)的影響Table 2 The influence of compressor efficiency of the refrigeration system

車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)溫度和環(huán)境溫度的變化，會(huì)引起冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的變化，雖然經(jīng)過(guò)分析得出誤差在3%左右，但在極端天氣下，此誤差還會(huì)增大，會(huì)影響制冷系統(tǒng)仿真的正確性。因此，在計(jì)算時(shí)，需要考慮壓縮機(jī)效率的變化，而不應(yīng)該設(shè)為一個(gè)定值。對(duì)于渦旋壓縮機(jī)，壓縮機(jī)效率不是壓比的單值函數(shù)，需要通過(guò)多項(xiàng)式來(lái)擬合，保證系統(tǒng)仿真的準(zhǔn)確性。

3　結(jié)論

本文主要介紹了利用LMS AMESim軟件對(duì)軌道交通車輛的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，并分析了壓縮機(jī)效率變化對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)的影響。

城軌交通車輛運(yùn)行工況復(fù)雜，壓縮機(jī)效率的變化會(huì)造成制冷系統(tǒng)性能的變化，在制冷系統(tǒng)仿真中，需要考慮壓縮機(jī)效率的動(dòng)態(tài)變化。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊亮,高潔,張春路.某地鐵列車空調(diào)制冷系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化[J].制冷學(xué)報(bào),2014,35(6):53-57.

[2] C Dullinger, W Struckl, M Kozek. A modular thermal simulation tool for computing energy consumption of HVAC units in rail vehicles[J]. Applied Thermal Engineering, 2015,78(S):616-629.

[3] Li W, Sun J. Numerical simulation and analysis of transport air conditioning system integrated with passenger compartment[J]. Applied Thermal Engineering, 2013,50(1):37-45.

[4]陸強(qiáng),楊美傳,蒲思培.列車空調(diào)制冷系統(tǒng)的仿真與分析[J].制冷與空調(diào),2011,25(5):471-474.

[5]張春路.制冷空調(diào)系統(tǒng)仿真原理與技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[6]丁國(guó)良,張春路.制冷空調(diào)裝置智能仿真[M].北京:科學(xué)出版社,2012.

[7] TB/T 2432-93,鐵道客車車頂單元式空調(diào)機(jī)組試驗(yàn)方法[S].中華人民共和國(guó)鐵道部,1994.

[8]吳業(yè)正,李紅旗,張華,等.制冷壓縮機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

Research of Urban Rail Vehicle Air Conditioning and Refrigeration Systems Based LMSAMESim

Zhou Yang Bi Haiquan Lu Huawei Huang Ruoyi
( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

【Abstract】This paper describes the study of urban rail vehicle air conditioning and refrigeration systems based LMS AMESim simulation software. And on this basis, the impact of the efficiency of the air conditioning compressor refrigeration system has been analyzed. Through the simulation results of air conditioning and refrigeration systems conducted by using LMS AMESim simulation software, operating parameters of the various components of urban rail vehicle air conditioning systems can be obtained under different conditions, as well as system cooling capacity and energy consumption. In summary, using LMS AMESim simulation software can provide a reference for the design of urban rail vehicle air conditioning systems.

【Keywords】LMS AMESim; urban rail transit vehicles; air conditioning and refrigeration systems; compressor efficiency

中圖分類號(hào)TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)：1671-6612（2016）01-020-03

通訊作者：畢海權(quán)（1974.12-），男，博士，教授，E-mail：bhquan@163.com

收稿日期：2015-05-13