肖 占

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司

0 引言

城鐵車(chē)輛的空調(diào)系統(tǒng)能耗較大，占比車(chē)輛總體能耗的30%左右，南方地區(qū)比例更高，開(kāi)展車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)的能耗研究意義重大。目前城鐵車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能研究主要停留在變頻空調(diào)機(jī)組、變新風(fēng)控制、機(jī)組熱泵技術(shù)等方面，從整車(chē)系統(tǒng)以及運(yùn)營(yíng)維保角度考慮較少。本文根據(jù)成熟項(xiàng)目的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及行業(yè)內(nèi)主要前沿技術(shù)，介紹全生命周期的系統(tǒng)空調(diào)節(jié)能經(jīng)驗(yàn)，包括從機(jī)組自身范疇、整車(chē)隔熱、氣流組織、溫控系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、智能運(yùn)維系統(tǒng)等多角度考慮，為車(chē)輛30年的全生命周期的節(jié)能運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)參考。

1 設(shè)計(jì)階段

1.1 配置直流直進(jìn)空調(diào)機(jī)組

傳統(tǒng)城鐵車(chē)輛空調(diào)機(jī)組由安裝于車(chē)下的輔助逆變器（SIV）進(jìn)行供電，該逆變器重量較大，以常見(jiàn)的6節(jié)編組A型地鐵車(chē)輛為例，每列車(chē)需要配置3套輔逆裝置，每套重量約1 500 kg。從整車(chē)減重、提高車(chē)下空間布局、減小車(chē)上空調(diào)柜尺寸、減少車(chē)下至車(chē)上的貫穿布線(xiàn)，以及提高電能轉(zhuǎn)化效率等角度考慮，可使用DC1 500 V或DC750 V直進(jìn)空調(diào)機(jī)組代替原AC 380 V空調(diào)機(jī)組。文獻(xiàn)[1]詳細(xì)介紹了兩種供電方式對(duì)比分析以及DC750 V直進(jìn)空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方案。直流直進(jìn)供電空調(diào)機(jī)組已經(jīng)有多條線(xiàn)路的應(yīng)用，如北京地鐵8號(hào)線(xiàn)[1]、土耳其薩姆松現(xiàn)代有軌電車(chē)及下一代地鐵等線(xiàn)路。DC750 V和AC380 V兩種供電型式的空調(diào)機(jī)組對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)乃至整車(chē)的影響簡(jiǎn)要對(duì)比見(jiàn)表1。

1.2 進(jìn)行K值計(jì)算，優(yōu)化整車(chē)隔熱

根據(jù)城鐵車(chē)輛的制冷負(fù)荷計(jì)算，車(chē)輛的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷占比整個(gè)車(chē)輛制冷負(fù)荷的8%左右（靜止?fàn)顟B(tài)AW2工況的計(jì)算結(jié)果，在車(chē)輛運(yùn)行時(shí)實(shí)際傳熱負(fù)荷增加），因?yàn)橄噍^于新風(fēng)負(fù)荷和乘員熱載荷占比較?。▋烧吒髡急?5%左右），在新車(chē)設(shè)計(jì)的整車(chē)隔熱設(shè)計(jì)中不被重視，加上車(chē)輛主機(jī)廠(chǎng)仿真計(jì)算資源的限制，新車(chē)設(shè)計(jì)周期較短等因素，一些新車(chē)項(xiàng)目未經(jīng)K值仿真計(jì)算而僅僅依據(jù)以往車(chē)輛設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，便確定了整車(chē)隔熱措施-防寒材料的布置。本文根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)要介紹一種耗時(shí)較短但較為準(zhǔn)確的k值理論計(jì)算方法，用于在設(shè)計(jì)之初進(jìn)行車(chē)輛圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱能力計(jì)算，確保整體滿(mǎn)足k值要求的同時(shí)可對(duì)隔熱薄弱的環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化。

由于車(chē)體各部位結(jié)構(gòu)與隔熱材質(zhì)不同，采用分層分區(qū)法進(jìn)行整車(chē)K值計(jì)算，整車(chē)按照結(jié)構(gòu)不同劃分為若干個(gè)典型分區(qū)，如底架、端墻、側(cè)墻、車(chē)頂、車(chē)門(mén)、車(chē)窗、車(chē)頭、貫通道等，通過(guò)計(jì)算得出每個(gè)分區(qū)截面的K值，最終根據(jù)面積加權(quán)得出整車(chē)K值。計(jì)算中需求的計(jì)算輸入?yún)?shù)，如車(chē)體內(nèi)、外表面的對(duì)流換熱系數(shù)，則根據(jù)鐵標(biāo)《鐵道客車(chē)采暖通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)》(TB1955-2000)，《鐵路空調(diào)客車(chē)熱工計(jì)算方法》(TB1957-91)和《客車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)》(TB1951-87)來(lái)確定[2-4]。一般情況下可選取，當(dāng)車(chē)輛處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)推薦為8 W/(m2·k)，外表面對(duì)流換熱系數(shù)推薦為16 W/(k·m2)。如某有軌電車(chē)的K值計(jì)算結(jié)果顯示，車(chē)窗（3．5 W/(K．m2)）和車(chē)門(mén)（4．5 W/(K．m2)）區(qū)域的K值較大，傳熱較多，因在地面運(yùn)行，需要進(jìn)行車(chē)窗的貼膜，提高隔熱能力，避免運(yùn)營(yíng)后產(chǎn)生乘客投訴。

1.3 提高座椅底部-側(cè)墻回風(fēng)方式的側(cè)墻隔熱能力

傳統(tǒng)車(chē)輛使用的是側(cè)頂活門(mén)間隙回風(fēng)的方式，如部分車(chē)輛項(xiàng)目該區(qū)域間隙可達(dá)到15 mm，該方式送回風(fēng)循環(huán)路徑短小，乘客舒適性較差，回風(fēng)短路現(xiàn)象明顯，造成制冷量及能源浪費(fèi)。為減緩該問(wèn)題，很多車(chē)輛主機(jī)廠(chǎng)開(kāi)發(fā)使用了座椅底部-側(cè)墻的回風(fēng)方式，即車(chē)廂內(nèi)的回風(fēng)先進(jìn)入座椅底部的孔板，經(jīng)過(guò)側(cè)墻、側(cè)頂，再進(jìn)入空調(diào)機(jī)組的回風(fēng)口，如圖1所示。該回風(fēng)方式在上海地區(qū)的城鐵車(chē)輛項(xiàng)目應(yīng)用較多，但伴隨而來(lái)的問(wèn)題是，隔熱能力降低，即側(cè)墻內(nèi)的回風(fēng)與車(chē)外環(huán)境的隔熱僅有側(cè)墻及其表面的隔熱材料（泡棉），相較于常規(guī)車(chē)輛的側(cè)墻隔熱缺少了夾雜空氣層的內(nèi)裝側(cè)墻。對(duì)于此問(wèn)題，必須替換使用導(dǎo)熱系數(shù)更低的隔熱材料鋪設(shè)側(cè)墻，以進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，如果繼續(xù)沿用傳統(tǒng)側(cè)頂回風(fēng)方式的側(cè)墻隔熱方案，必然造成側(cè)墻傳熱量大幅增加，車(chē)輛能耗增加，這也是部分南方城鐵車(chē)輛在夏季高濕天氣，外側(cè)墻出現(xiàn)冷凝水的緣故之一。

圖1 座椅底部-側(cè)墻回風(fēng)方式氣流組織示意圖

1.4 合理布置溫度傳感器

國(guó)內(nèi)城鐵車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行大多依據(jù)UIC553曲線(xiàn)，客室內(nèi)的平均溫度值是溫控系統(tǒng)的核心參數(shù)，即如何布置客室溫度傳感器以準(zhǔn)確獲取客室平均溫度尤為重要，也直接影響了空調(diào)機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，將影響空調(diào)機(jī)組的能耗。因乘客觸手可達(dá)，為確保傳感器不被損壞、功能可靠，溫度傳感器無(wú)法布置到數(shù)值最為準(zhǔn)確的客室內(nèi)區(qū)域，只能安裝在客室內(nèi)裝與車(chē)體結(jié)構(gòu)之間，此外，從溫度傳感器的布線(xiàn)以及后期維護(hù)便利等因素的考慮，大部分車(chē)輛項(xiàng)目的客室溫度傳感器安裝在側(cè)頂活門(mén)內(nèi)的側(cè)墻上，如圖2中A傳感器位置。該位置處空氣溫度較客室平均溫度偏高3℃左右，存在以下三個(gè)不足：一是該位置靠近車(chē)體結(jié)構(gòu)弧頂，雖鋪設(shè)了隔熱材，依然存在較大的熱輻射；二是該處溫度傳感器的支架安裝在側(cè)墻上，支架一般為鋁合金材料，導(dǎo)熱系數(shù)高，易形成熱橋，對(duì)溫度傳感器產(chǎn)生熱輻射；三是該處溫度傳感器感受的多是側(cè)墻下部流經(jīng)上來(lái)的空氣溫度，該部分空氣因流經(jīng)側(cè)墻被側(cè)墻加熱后，空氣溫度較客室內(nèi)溫度偏高幾度。這種溫度傳感器的布置方案，一般是通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)進(jìn)行補(bǔ)償控制，即通過(guò)測(cè)量實(shí)際運(yùn)行后的幾個(gè)關(guān)鍵工況數(shù)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在控制軟件中進(jìn)行目標(biāo)溫度的上下漂移補(bǔ)償，但因?yàn)橹挥腥舾蓚€(gè)有限的工況點(diǎn)，無(wú)法覆蓋復(fù)雜多變的各類(lèi)工況，很難做到精確控制，必然帶來(lái)能耗的增加。部分車(chē)輛主機(jī)廠(chǎng)提出了B方法的客室溫度傳感器布置方案，如圖2的B傳感器位置。該傳感器安裝在內(nèi)裝側(cè)頂活門(mén)上，并在傳感器下方的側(cè)頂活門(mén)開(kāi)孔，可更接近客室內(nèi)空氣。該方案避免了側(cè)頂?shù)臒彷椛洌惭b于側(cè)墻支架的熱橋，以及側(cè)墻加熱后的空氣流，更加接近客車(chē)室內(nèi)空氣溫度，維修可達(dá)性和空間上也很便利。合理布置客室溫度傳感器，如使用B種布置方案，可提供較為準(zhǔn)確的客室平均溫度，使空調(diào)機(jī)組執(zhí)行較為準(zhǔn)確的溫度控制，提供較為舒適的客室溫度，也可避免過(guò)度制冷帶來(lái)的能耗增加和空調(diào)機(jī)組停機(jī)后的車(chē)內(nèi)冷凝水問(wèn)題。

圖2 兩種客室溫度傳感器布置示意圖

1.5 變風(fēng)量VAV送風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用

城鐵車(chē)輛空調(diào)的送風(fēng)基本是定量送風(fēng)，僅新風(fēng)量是根據(jù)人員載荷進(jìn)行分級(jí)控制，一般為四級(jí)控制。變風(fēng)量送風(fēng)方式在建筑行業(yè)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用廣泛且節(jié)能效果明顯，有研究結(jié)果表明，變風(fēng)量系統(tǒng)相較于定風(fēng)量系統(tǒng)可節(jié)能35%左右[5]。城鐵車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的客流量存在明顯的潮汐現(xiàn)象，即只有工作日早晚高峰時(shí)段的載客量是滿(mǎn)負(fù)荷甚至超負(fù)荷的，其他大部分時(shí)間載客量較低，這種現(xiàn)象提供了車(chē)輛變風(fēng)量系統(tǒng)的應(yīng)用空間。當(dāng)前運(yùn)營(yíng)的城鐵車(chē)輛均設(shè)置了強(qiáng)風(fēng)模式，用于在AW3載客工況，加強(qiáng)通風(fēng)，也屬于變風(fēng)量的一種方法，為增加風(fēng)量的變風(fēng)量，可謂兩檔的變風(fēng)量系統(tǒng)。目前已有部分車(chē)輛主機(jī)廠(chǎng)和空調(diào)機(jī)組廠(chǎng)進(jìn)行了風(fēng)量變化范圍更廣的城鐵車(chē)輛變風(fēng)量系統(tǒng)的研究，如文獻(xiàn)[6]提出了城鐵車(chē)輛空調(diào)變風(fēng)量系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)方式，可通過(guò)調(diào)整新風(fēng)門(mén)、回風(fēng)門(mén)和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛變風(fēng)量送風(fēng)。使用變風(fēng)量系統(tǒng)，根據(jù)乘員載荷信息，空調(diào)系統(tǒng)提供相應(yīng)的新風(fēng)量以及總送風(fēng)量，具備以下優(yōu)勢(shì)：一是提高客室乘員舒適性，在乘客量較小的情況下可降低吹風(fēng)感；二是降低噪音，風(fēng)量減小，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，噪音也隨之降低；三是降低風(fēng)機(jī)以及機(jī)組的能耗。

2 運(yùn)營(yíng)階段

2.1 變新風(fēng)控制技術(shù)

新風(fēng)負(fù)荷占比整個(gè)空調(diào)負(fù)荷的35%左右，諸多的新車(chē)采購(gòu)合同中也明確了要求使用變新風(fēng)控制?？照{(diào)機(jī)組通過(guò)接收車(chē)輛載荷信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度，調(diào)整新風(fēng)量，降低新風(fēng)負(fù)荷，進(jìn)而減小空調(diào)機(jī)組輸出功率，達(dá)到節(jié)能目的。新風(fēng)門(mén)的調(diào)節(jié)根據(jù)車(chē)輛載客量進(jìn)行調(diào)節(jié)，新風(fēng)門(mén)可根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)指令進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，保證不同開(kāi)度下對(duì)應(yīng)的新風(fēng)量滿(mǎn)足客室內(nèi)乘員需求。新風(fēng)門(mén)的不同開(kāi)度參數(shù)可在空調(diào)機(jī)組與風(fēng)道匹配試驗(yàn)以及整車(chē)氣候試驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試調(diào)節(jié)。

2.2 自動(dòng)溫控技術(shù)

由于變頻空調(diào)技術(shù)在軌道交通空調(diào)領(lǐng)域的成功推廣，目前新造的大部分城鐵空調(diào)機(jī)組已經(jīng)使用了變頻空調(diào)技術(shù)。車(chē)輛運(yùn)營(yíng)方應(yīng)充分發(fā)揮變頻空調(diào)的優(yōu)勢(shì)，盡量開(kāi)自動(dòng)檔位運(yùn)行，減少使用手動(dòng)制冷模式尤其是最低溫手動(dòng)制冷模式的人為干預(yù)。變頻空調(diào)及其配套的控制系統(tǒng)，采用PID-熱力學(xué)自動(dòng)優(yōu)化控制，在任何工況下，均可保證空調(diào)機(jī)組始終以最高效率運(yùn)行,可有效提高空調(diào)季節(jié)能效比，有利于空調(diào)節(jié)能，也減少了客室溫度的波動(dòng)，提高客室溫度舒適性。

3 維保階段

3.1 配置智能運(yùn)維PHM技術(shù)

隨著智能技術(shù)在軌道交通行業(yè)的逐步應(yīng)用，車(chē)輛PHM系統(tǒng)逐漸被城鐵運(yùn)營(yíng)方接受并應(yīng)用在新車(chē)及舊車(chē)改造項(xiàng)目上。車(chē)載空調(diào)PHM系統(tǒng)，利用空調(diào)機(jī)組自身各傳感器采集數(shù)據(jù)，結(jié)合車(chē)輛的運(yùn)行環(huán)境、線(xiàn)路條件和負(fù)載狀況等相關(guān)信息，開(kāi)展故障預(yù)測(cè)及健康管理活動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)：

1)對(duì)空調(diào)設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)控，通過(guò)預(yù)設(shè)的預(yù)測(cè)和健康管理模型，預(yù)測(cè)空調(diào)系統(tǒng)可能發(fā)生的故障及潛在影響，及時(shí)推送給車(chē)輛運(yùn)營(yíng)方報(bào)警信息和建議措施；

2)根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的健康狀態(tài)，將空調(diào)機(jī)組的計(jì)劃修優(yōu)化為狀態(tài)修，及時(shí)維修維護(hù)，有效減緩機(jī)組性能衰減，確?？照{(diào)機(jī)組長(zhǎng)期維持在健康狀態(tài)，進(jìn)而降低空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間的能耗，同時(shí)也可降低空調(diào)系統(tǒng)的在線(xiàn)故障率。

智能運(yùn)維PHM系統(tǒng)的配置對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能影響不僅體現(xiàn)在車(chē)輛空調(diào)機(jī)組的節(jié)電量，還體現(xiàn)在如減少混合風(fēng)濾網(wǎng)的更換次數(shù)和清洗次數(shù)、減少材料浪費(fèi)，還包括在維修車(chē)間的各種維修工種的能耗節(jié)約。

3.2 大修時(shí)清洗送風(fēng)風(fēng)道

為實(shí)現(xiàn)均勻性送風(fēng)，空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)風(fēng)道一般為靜壓腔結(jié)構(gòu)形式，并在風(fēng)道內(nèi)部設(shè)置了多個(gè)擾流板，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后風(fēng)道內(nèi)積累大量的灰塵和污垢，較大程度影響送風(fēng)空氣質(zhì)量和送風(fēng)總量，需要進(jìn)行必要的清洗。上海某項(xiàng)目的風(fēng)道清洗前的通風(fēng)量測(cè)試結(jié)果顯示，運(yùn)行10年的風(fēng)道內(nèi)積灰嚴(yán)重，送風(fēng)量降低達(dá)20%以上。送風(fēng)量的減少，則降低了混合風(fēng)與蒸發(fā)器的換熱效率，為提供相同的制冷量，則必然增加送回風(fēng)溫差，增大了壓縮機(jī)負(fù)載，降低了機(jī)組能效比，增加空調(diào)系統(tǒng)能耗。這也是車(chē)輛運(yùn)營(yíng)多年后，空調(diào)系統(tǒng)能耗上升的一個(gè)重要原因。

隨著軌道交通市場(chǎng)向維保方向的轉(zhuǎn)變，市場(chǎng)上可執(zhí)行城鐵車(chē)輛風(fēng)道清洗的廠(chǎng)家也日益增多，大多廠(chǎng)家是從商用中央空調(diào)清洗廠(chǎng)家轉(zhuǎn)變而來(lái)，主要的清洗方法是，車(chē)輛大修期間保持送風(fēng)風(fēng)道不拆除，僅拆除送風(fēng)格柵和風(fēng)道下部的導(dǎo)流孔板，使用手持式旋轉(zhuǎn)刷清潔風(fēng)道，同時(shí)使用集塵器同步回收揚(yáng)塵。

4 總結(jié)

本文根據(jù)成熟項(xiàng)目的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及行業(yè)內(nèi)的主要前沿技術(shù)，從空調(diào)系統(tǒng)、整車(chē)系統(tǒng)以及運(yùn)營(yíng)維保角度分析，分別從設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和維保三個(gè)階段闡述了全生命周期內(nèi)城鐵車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)，為車(chē)輛30年的全生命周期的節(jié)能運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)參考。