陳萍張永利李超

青島市軌道交通車輛采用變頻空調滿足節(jié)能舒適健康的應用研究

陳萍1張永利2李超2

（1.青島地鐵集團有限公司，266000，青島；2.山東朗進科技股份有限公司，266071，青島//第一作者，高級工程師）

通過對青島市地區(qū)氣象條件和軌道交通11號線運營需求技術分析，結合其他城市變頻車輛空調運營的實際情況，以及變頻車輛空調可變制冷量、除濕控制、節(jié)能舒適的技術特點，對青島軌道交通運營車輛進行針對性的研究，提出了在青島地區(qū)采用變頻熱泵車輛空調來滿足青島海洋性氣候，實現(xiàn)軌道交通車輛綠色、智能、舒適的運營要求。

城市軌道交通車輛；變頻空調；節(jié)能；舒適性

First-author′s addressQingdao Metro Group Co.，Ltd.，266000，Qingdao，China

隨著我國城市軌道交通（以下簡為“城軌”）的快速發(fā)展及城市低碳經濟發(fā)展要求，特別是人民生活水平的不斷提高和健康意識的增強，對城軌車輛客室空調系統(tǒng)的舒適性要求也越來越高。車輛空調作為為車廂提供舒適性空氣環(huán)境的關鍵設備和車輛系統(tǒng)的第二大耗能設備，已成為節(jié)能和舒適性研究的重點之一。集節(jié)能和舒適性于一身的變頻空調技術，近年來成為城軌車輛節(jié)能和舒適性的研究熱點。

本文結合青島市軌道交通11號線車輛的運營要求，從變頻空調系統(tǒng)基本原理、節(jié)能控制模式、舒適度等方面，對變頻技術在沿海地區(qū)的應用進行探討和分析。

1 青島地區(qū)環(huán)境特點

青島地處北溫帶季風區(qū)域，屬溫帶季風氣候，略有海洋性氣候特征，空氣濕潤，溫度適中，四季分明。春季氣溫回升緩慢，較內陸遲1個月；夏季濕熱多雨；秋季天高氣爽，降水少；冬季風大溫低，持續(xù)時間較長，但并無嚴寒。

查閱青島地區(qū)近年的全年月平均溫度發(fā)現(xiàn)，青島全年溫度變化范圍為-3～28℃，夏季平均氣溫在25℃左右，氣候較為舒適；冬季平均氣溫在0℃左右，但冬季時間相對較長。青島全年溫度變化曲線如圖1所示。

圖1 青島全年溫度曲線圖

全年大氣濕度方面，青島地區(qū)年平均相對濕度為70%。3月份平均相對濕度最小，為62%，其中市區(qū)為66%，各區(qū)市在58%～67%之間；7月份平均相對濕度最大，為84%，其中市區(qū)為88%，各區(qū)市在80%～87%之間。

因此，青島軌道交通要配置的車輛空調不象其他炎熱城市以降溫為主要目的，濕度指標和溫度舒適性指標是車輛空調需要重點關注和控制的指標。同時，在保證溫度和濕度舒適性的基礎上，要作到盡可能以低功耗運行，實現(xiàn)綠色節(jié)能。

2 客室舒適度及控制

根據CJ/T 354—2010《城市軌道交通車輛空調采暖及通風裝置技術條件》的相關規(guī)定：在室外環(huán)境溫度33℃時，車輛空調的制冷能力應能保證在定員條件下，車內溫度不高于28℃±1℃，相對濕度不超過65%。根據這一技術條件和青島地區(qū)氣候環(huán)境特點，選擇具有可變制冷量、除濕智能控制、熱泵制熱等技術特點的變頻車輛空調，并輔以自動智能控制，可滿足乘客對車廂內溫度和濕度的需求，提升乘坐的舒適度。

2.1空調可變制冷量和智能控制

青島市軌道交通11號線全長約59.2 km，以高架敷設為主，全線設置車站22座（4座地下站，18座高架站），車輛按B型城軌車進行設計。根據其運營線路特點，綜合青島地區(qū)的氣象數據，特別是7月份平均相對濕度最大（全市平均濕度達到84%，明顯大于其他城市），通過車輛空調熱負荷理論計算，將空調額定制冷量確定為35 kW，而不是常規(guī)B型城軌車輛的額定制冷量29 kW，以確?？照{在夏季高溫高濕及高架運行環(huán)境下滿足客室舒適度的要求。同時，因為變頻空調可以根據環(huán)境的溫濕度變化和客流量的大小自動進行制冷量調節(jié)（可在7.6～36.7 kW之間進行無級調節(jié)），制冷量并不一直維持在35 kW，因此可滿足在熱負荷較小時的舒適度要求。

該項目采用變頻車輛空調，每臺空調采用2臺變頻壓縮機，每臺壓縮機頻率可在30～70 Hz連續(xù)調節(jié)，從而實現(xiàn)制冷量的大范圍、連續(xù)性調節(jié)。表1列出了該空調不同頻率下的制冷量數據。

表1 變頻空調在不同頻率下的制冷量和功率

由表1可以看出，單臺壓縮機頻率在30 Hz時制冷量為7.6 kW，2臺壓縮機在額定頻率65 Hz時制冷量為35.2 kW，在最大頻率70 Hz時制冷量為36.7 kW。變頻空調的頻率可從30 Hz到70 Hz以1 Hz為單位連續(xù)變化，其制冷量則從7.6 kW到36.5 kW連續(xù)變化，比較理想地解決了定速空調不能大范圍調節(jié)制冷量的問題。變頻空調可更好地根據客室的實際負荷變化，提供滿足實際需求的制冷量。

當客流量負荷大于AW 2（額定荷載），尤其是外界氣溫高于額定條件的情況下，可適當提高壓縮機及通風機運行頻率，以提高制冷量。例如，表1中空調每臺壓縮機頻率運行到70 Hz時，可提高制冷量到36.7 kW，超過空調的額定制冷能力。這種空調制冷量可大范圍連續(xù)調節(jié)，可按需供能，滿足不同季節(jié)時車輛的不同熱負荷要求，提高客室內溫度的舒適性。這是變頻空調在舒適性上的一個突出優(yōu)點。

2.2客室除濕智能控制

青島市年平均相對濕度為70%，青島軌道交通11號線以高架線路為主，車輛持續(xù)在高架運行，濕度控制就成為了一個重要課題。如果濕度不進行有效控制，即使客室溫度控制在標準要求的28℃±1℃，乘客體感舒適性也不能保證。

根據青島地區(qū)濕度大的特點，此項目變頻空調具備專門的除濕控制功能。在空調回風口處設濕度傳感器，實時檢測客室空氣的相對濕度，并根據實測數值與設定目標值的差異進行自動的獨立除濕控制，保證相對濕度滿足小于65%的目標。同時，不會因為空調的持續(xù)除濕運行，導致客室溫度進一步下降，引起客室溫度的不舒適感。變頻空調的獨立除濕功能，就是通過變頻壓縮機的頻率控制和制冷節(jié)流裝置的智能控制來實現(xiàn)不降溫除濕，達到溫度和濕度的雙舒適度要求。

2.3客室通風超強送風功能

在早晚高峰時段，客室內部乘客數量劇增，車輛內的通風會受站立乘客的影響，導致通風不順暢，造成舒適度下降。考慮到這種極端的運營狀況，結合變頻空調的技術特點，在該項目上提出了超強送風功能。即在早晚高峰時段內，車輛空調自動提升通風機運行頻率，實現(xiàn)超強風功能?？照{通過接收來自列車控制和管理系統(tǒng)（TCMS）的載客量信息，自動計算所需的通風量。當載客量超過AW 2時，空調會自動提高通風機運行頻率，從而提高通風機的送風量，滿足客室舒適度要求。圖2為變頻空調系統(tǒng)執(zhí)行超強風功能時的控制邏輯。

圖2 變頻空調系統(tǒng)超強風功能控制邏輯

3 車輛空調節(jié)能及控制

車輛運行的環(huán)境是不斷變化的，不同的季節(jié)、一天不同的時段，溫度和濕度一直處于變化過程中。青島地區(qū)由于受海洋環(huán)境影響，夏無酷暑、冬少嚴寒，空調系統(tǒng)采用變頻控制和熱泵采暖，在滿足客室溫濕度舒適性要求的同時，可實現(xiàn)節(jié)能運營。

3.1制冷節(jié)能運營

空調最重要的功能就是滿足制冷和除濕的要求。在滿足制冷和除濕的同時又能實現(xiàn)節(jié)能并不是所有空調設備都具備的功能。變頻空調技術則天然具備了這樣的條件。變頻空調通過智能變頻控制系統(tǒng)實時調整壓縮機運行頻率和電子膨脹閥的開度，大范圍調整制冷劑流量，從而實現(xiàn)空調制冷量的大范圍調節(jié)，將客室溫度維持在設定溫度±1℃。當車內人員較少或氣溫較低時，壓縮機維持在低頻運行狀態(tài)，合理控制冷量輸出，減小電力消耗，同時避免壓縮機頻繁啟停，達到了節(jié)能目的。因此，變頻空調節(jié)能原理，一是減少了壓縮機的開關損耗，二是低頻運行時的能效比提高。

3.1.1 減少壓縮機開關損耗

傳統(tǒng)定速空調靠壓縮機的開機和停機來實現(xiàn)制冷量的調節(jié)，開機則100%輸出制冷量，關機則無制冷量輸出。壓縮機每次開機時，大約有2min的時間來建立制冷輸出所需要的壓力差，在此時間內無制冷量輸出，因此，這2m in所消耗的電力是不作功的。壓縮機每次停機，這2min所建立的壓力差又被釋放掉，如此反復，稱為定速壓縮機的開關損耗。

變頻空調工作時，是以調節(jié)壓縮機頻率來調節(jié)制冷量的。當客室溫度較高時，壓縮機高頻率運行，輸出制冷量大，使溫度迅速降低；當客室溫度較低時，壓縮機低頻率運行，輸出制冷量小，從而維持客室溫度不再降低。因此，變頻空調不需要壓縮機頻繁開關機，從而節(jié)省了壓縮機的開關損耗。在春秋季的過渡季節(jié)和客流量較小時，車輛熱負荷需求小，定速空調壓縮機為維持客室溫度，開關頻繁，造成開關損耗增多。而變頻空調因為一直低頻率運行，運行效率很高，所以節(jié)電。變頻空調根據熱負荷的變化調節(jié)頻率、輸出需求制冷量，使客室溫度趨近設定溫度；而定速空調通過開關壓縮機調整客室溫度，受控制方式局限，能耗大、客室溫度波動大。

3.1.2 低頻率運行效率高

變頻空調壓縮機低頻率運行時，單位時間內壓縮機排出的制冷劑減少，冷凝器和蒸發(fā)器的面積相對增大，空調制冷效率提高。即空調能效比提高，用電量減少。圖3為青島市軌道交通11號線車輛變頻空調在不同頻率時的實測能效比，可以看出，壓縮機低頻運行時能效比較高，最高可達2.6以上。變頻空調低頻運行時的能效比提高，輸入功率減少，用電量減少，降低了能耗。

圖3 變頻空調在不同頻率下的能效比

3.2 冬季空調熱泵制熱

根據青島地區(qū)冬季風大、氣溫不是非常低，以及青島市軌道交通11號線高架運行的特點，車輛空調采用了變頻熱泵采暖技術。根據氣象統(tǒng)計，青島冬季日均最低氣溫在-3℃以上，極端日平均氣溫也在-10℃以上。這個溫度正好是熱泵制熱最合適的氣溫條件。變頻熱泵空調可在-13℃以上持續(xù)高效運行，在滿足客室溫度達到18℃以上標準要求的同時，可實現(xiàn)節(jié)能運行。

傳統(tǒng)電加熱器的制熱效率最大為1.0，而變頻空調熱泵制熱效率在額定工況時可達2.0以上，即使在最低氣溫-10℃時仍達1.5以上。因此，采用變頻熱泵空調可實現(xiàn)比電加熱50%以上的節(jié)能。

4 客室環(huán)境健康及防疫

軌道交通車輛內環(huán)境相對封閉、空氣流通量有限、氣流組織固定、人員密集，為保證車廂內良好的空氣清潔度，必須考慮車廂內的空氣凈化問題。采取先進高效的空氣凈化技術對車廂內的空氣進行除塵、殺菌，可為車廂提供潔凈的新鮮空氣。

空氣凈化裝置對室內空氣中的污染物提供吸附、隔離、分解、消殺、祛除等功能。根據青島市軌道交通11號線車廂內空氣凈化的要求，在空調回風腔內部安裝了低溫等離子體空氣凈化裝置。

4.1低溫等離子體空氣凈化原理

等離子體場中含有大量的高能自由基,能直接與微生物內蛋白質和核酸物質發(fā)生反應,導致微生物的死亡。等離子體產生的激發(fā)高速粒子直接對細菌和病毒體進行高速射擊,致其死亡，而且具有廣譜性。實驗中發(fā)現(xiàn)，它能高效殺滅葡萄球菌、大腸桿菌、枯草桿菌、霉菌、真菌、支原體、病毒等，在短時間內,能99.9%清除空氣中浮游的傳染性、流行性、過敏性病毒，如流行性感冒、禽流感、非典，以及軍團菌、肺結核等病菌。

等離子導電流中含有大量氧原子、氫離子、高能自由基等活性物質，這些活性物質與化學有機物直接進行化學反應，加上脈沖高頻高壓電化學分解作用，使各種污物得到快速分解消除；同時，空氣中的有害氣體和有機物在電子網的沖擊下，被分解成水分子和二氧化碳。

4.2低溫等離子體空氣凈化裝置的特點

相對于目前軌道交通常用的光等離子空氣凈化裝置，低溫等離子體空氣凈化裝置具有以下特點：

（1）技術先進：采用完全自主知識產權的國際領先的等離子技術，可根據用戶差異化需求設計各類不同結構、不同特點的產品。

（2）安全可靠：已通過凈化性能、環(huán)境、安全、沖擊振動、電磁兼容、防火等檢測，能充分滿足軌道交通空氣凈化裝置運用要求。

（3）綠色環(huán)保：無噪聲、低能耗、不產生二次污染、不使用光學原件、不產生輻射污染，且零部件均可回收再利用。

（4）全壽命周期成本低：等離子管使用壽命長，無需定期更換（光等離子空氣凈化裝置需要定期更換光等離子管），且運營過程中無需特別維護，節(jié)約了大量材料、人工和時間成本。

5 結語

變頻空調在解決車輛空調熱負荷變化大、客室溫度波動大及客室舒適性等方面有明顯的優(yōu)點。通過空調可變制冷量智能控制、客室除濕智能控制、客室超強送風及熱泵制熱功能等的應用，車廂內溫度、濕度和風量都可實現(xiàn)智能調節(jié)和控制，從而為乘客提供舒適的乘車環(huán)境，同時實現(xiàn)運營節(jié)能。低溫等離子體空氣凈化裝置對車廂內的空氣進行除塵、殺菌，提升了車廂內的空氣質量。待11號線運營時，通過進一步跟蹤檢驗，期望以上應用可為提高沿海高溫高濕地區(qū)軌道交通車輛空調系統(tǒng)節(jié)能及舒適性提供參考。

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Application of Frequency Conversion Air-conditioning in Qingdao Rail Transit Vehicle

CHEN Ping，ZHANG Yongli，LIChao

Through technical analysis of the meteorological condition of Qingdao City and the operation conditions of rail transit Line 11，and combined w ith practical operation of the vehicle frequency conversion air-conditioning in other cities，the characteristics of the technology，such as the refrigeration capacity conversion，dehum idification control，com fort and energy-saving are studied.Based on the operating vehicles of Qingdao rail transit，a frequency conversion heat pump airconditioning system is proposed，which w illmeet the demands of the maritime climate in Qingdao and achieve the goal of green，intelligence and com fortoperation.

urban rail transit vehicle；frequency conversion air-conditioning；energy-saving；com fort

U270.38+3

10.16037/j.1007-869x.2017.07.028

2016-12-09）