王自鑫?馮俊杰?李冰

摘 要：本研究介紹了鄭州地鐵定頻和變頻空調(diào)機(jī)組試驗(yàn)列車配置情況，并對(duì)車輛定頻和變頻空調(diào)控制原理進(jìn)行了闡述?？照{(diào)系統(tǒng)是與車輛整車性能密切相關(guān)的重要部件，夏季能耗占比較大。因此，對(duì)比分析了夏季制冷月份定頻空調(diào)和變頻空調(diào)的能耗。結(jié)果表明：試驗(yàn)條件下，變頻空調(diào)機(jī)組較定頻空調(diào)機(jī)組更加節(jié)能，在7—8月節(jié)電率約為10%。

關(guān)鍵詞：車輛空調(diào)系統(tǒng);定頻;變頻;能耗

中圖分類號(hào)：U270.383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）34-00-04

Comparative Research on Energy Consumption of Fixed Frequency and Inverter Air Conditioner in Zhengzhou Metro Vehicle

WANG Zixin FENG Junjie LI Bing

（Zhengzhou Metro Group Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： This study introduces the configuration of test train of constant frequency and variable frequency air conditioning unit in Zhengzhou metro， and expounds the control principle of vehicle constant frequency and variable frequency air conditioning. Air conditioning system is an important component closely related to the performance of the whole vehicle， and its energy consumption accounts for a large proportion in summer. At the same time， the energy consumption of fixed frequency air conditioning and variable frequency air conditioning in summer refrigeration month is compared. The results show that under the test conditions， the variable frequency air conditioning unit saves energy compared with the constant frequency air conditioning unit， and the power saving rate is about 10% from July to August.

Keywords： vehicle air conditioning system;fixed frequency;frequency conversion;energy consumption

隨著鄭州市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國(guó)家中心城市建設(shè)步伐的加快，城市軌道交通建設(shè)力度不斷加大。地鐵電客車電能消耗主要由牽引和空調(diào)兩個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生，其中空調(diào)系統(tǒng)能耗占車輛總能耗的20%～30%[1]。因此，研究地鐵電客車空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能具有重大意義。

鄭州地鐵根據(jù)夏季城市氣候特點(diǎn)和車輛運(yùn)營(yíng)實(shí)際情況，選定城郊線電客車作為定、變頻空調(diào)能耗試驗(yàn)列車，變頻機(jī)組安裝在列車1單元，定頻機(jī)組安裝在列車2單元。為了準(zhǔn)確研究城郊線電客車變頻空調(diào)的節(jié)能性，本試驗(yàn)通過(guò)實(shí)測(cè)手段，利用空調(diào)控制柜中的電能表記錄列車兩種空調(diào)在相同運(yùn)營(yíng)工況下的單元能耗，結(jié)合電客車走行千米數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，以期為后續(xù)新車采購(gòu)時(shí)空調(diào)選型提供科學(xué)的依據(jù)。

1 定頻和變頻空調(diào)控制原理

1.1 定頻控制原理

定頻空調(diào)主要由空調(diào)控制器和空調(diào)機(jī)組組成。1臺(tái)控制器控制一節(jié)車的2臺(tái)空調(diào)機(jī)組，如圖1所示?？照{(diào)控制器由主控制器、斷路器、接觸器、馬達(dá)保護(hù)器及中間繼電器等控制器件組成?？照{(diào)機(jī)組由通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、電磁閥、冷凝器、蒸發(fā)器及毛細(xì)管等部件構(gòu)成。

定頻空調(diào)機(jī)組控制邏輯較為簡(jiǎn)單，通過(guò)壓縮機(jī)的啟停來(lái)控制客室內(nèi)溫度[2]。在壓縮機(jī)運(yùn)行期間，空調(diào)機(jī)組持續(xù)輸出最大制冷量。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，機(jī)組內(nèi)兩臺(tái)壓縮機(jī)逐臺(tái)關(guān)閉，可進(jìn)行兩擋制冷量調(diào)節(jié)。

1.2 變頻控制原理

變頻空調(diào)是指空調(diào)機(jī)組根據(jù)負(fù)荷大小，其制冷能力在一定范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)變化的空調(diào)。在結(jié)構(gòu)上，變頻空調(diào)和定頻空調(diào)的主要區(qū)別是前者配套了可變速的變頻壓縮機(jī)、變頻控制板和改變制冷劑節(jié)流性能的電子膨脹閥。

變頻壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是根據(jù)客室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷而成比例變化的。當(dāng)室內(nèi)溫度和設(shè)定點(diǎn)溫度差值較大，需要急速降溫或升溫時(shí)，空調(diào)負(fù)荷加大，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速加快，制冷量就按比例增加;當(dāng)客室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，壓縮機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保持客室內(nèi)溫度不變。

定頻空調(diào)機(jī)組制冷量分擋控制，所以客室內(nèi)溫度波動(dòng)范圍相對(duì)較大。變頻空調(diào)機(jī)組制冷量在一定范圍內(nèi)可以無(wú)極調(diào)節(jié)，在所需制冷負(fù)荷不發(fā)生劇烈變化時(shí)，可以更精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度[3]。圖2為定頻空調(diào)和變頻空調(diào)相對(duì)目標(biāo)設(shè)定溫度的變化曲線。

2 空調(diào)能耗試驗(yàn)方案

在新車設(shè)計(jì)建造之初，通過(guò)技術(shù)方案設(shè)計(jì)、論證、裝車及功能測(cè)試驗(yàn)證，最終在鄭州地鐵城郊線選取兩列同一平臺(tái)車型分別完成了一個(gè)單元的變頻空調(diào)安裝調(diào)試工作，同時(shí)完成了能耗數(shù)據(jù)、走行千米數(shù)監(jiān)測(cè)計(jì)量設(shè)備的安裝和核準(zhǔn)工作，具備了能耗對(duì)比測(cè)試的技術(shù)條件。另外，測(cè)試過(guò)程中，保證兩列安裝變頻空調(diào)機(jī)組的地鐵列車客室溫度設(shè)定一致和在一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)的測(cè)試周期內(nèi)基本一致的運(yùn)用工況。

2.1 空調(diào)機(jī)組裝車

在鄭州地鐵城郊線兩列試驗(yàn)車（0926車、0927車）的Tc1車、Mp1車、M1車上分別安裝KLR-35V型變頻空調(diào)機(jī)組，而在Tc2車、Mp2車、M2車上均保留原來(lái)的KLD-35型定頻空調(diào)機(jī)組不變，空調(diào)安裝示意圖見(jiàn)圖3。

2.2 能耗及千米數(shù)監(jiān)控

在客室空調(diào)控制柜內(nèi)為每臺(tái)空調(diào)機(jī)組安裝1臺(tái)iEM3150系列綜合監(jiān)控電能表，通過(guò)監(jiān)控空調(diào)機(jī)組對(duì)應(yīng)的三相380 V電纜每一相的電壓和電流，以及RS485與主控制板的通信，準(zhǔn)確記錄并顯示出每臺(tái)空調(diào)機(jī)組的總用電能耗。監(jiān)控電能表接線原理見(jiàn)圖4。

在兩端司機(jī)室電氣柜內(nèi)分別安裝1臺(tái)記錄列車走行千米數(shù)的里程計(jì)，見(jiàn)圖5。為減少記錄千米數(shù)數(shù)值誤差，每次記錄數(shù)據(jù)以1車的里程計(jì)數(shù)值為統(tǒng)計(jì)依據(jù)。

2.3 試驗(yàn)機(jī)組參數(shù)

在空調(diào)機(jī)組硬件配置方面，試驗(yàn)用變頻空調(diào)和定頻空調(diào)除壓縮機(jī)電機(jī)形式、節(jié)流元件、控制方式外，其余性能參數(shù)基本保持一致：制冷劑R407C，制冷量35 kW，送風(fēng)量4 500 m/h，新風(fēng)量1 468 m/h，額定制冷功率

18 kW;兩組空調(diào)機(jī)組的尺寸、對(duì)外接口、質(zhì)量也基本一致。排除機(jī)組型式不同對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響外，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。試驗(yàn)空調(diào)機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表1。

3 空調(diào)能耗對(duì)比分析

鄭州市屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冷暖氣團(tuán)交替頻繁，春夏秋冬四季分明。夏季比較炎熱，降水高度集中;秋季氣候涼爽，時(shí)間短促。全年平均氣溫為15.6 ℃;8月份最熱，月平均氣溫為25.9 ℃。地鐵車輛空調(diào)會(huì)在6—7月進(jìn)入制冷狀態(tài)。進(jìn)入8月，高溫持久穩(wěn)定，晝夜溫差小，此時(shí)的空調(diào)機(jī)組基本都處于全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。隨著時(shí)間的推移，到10月份，晝夜溫差開(kāi)始增大，地鐵車輛空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)從夏秋過(guò)渡季節(jié)逐漸轉(zhuǎn)為通風(fēng)狀態(tài)[4]。

3.1 能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

為準(zhǔn)確反映列車上線載客運(yùn)營(yíng)與空調(diào)能耗的關(guān)系，研究者使用空調(diào)節(jié)電率K衡量列車空調(diào)機(jī)組每千米的用電量[5]，公式為：

式中：Q為定頻空調(diào)列車單元每千米耗電量;Qb為變頻空調(diào)列車單元每千米耗電量。兩個(gè)參量的計(jì)算方法分別見(jiàn)式（2）和式（3）。

式中：P表示每節(jié)車2個(gè)空調(diào)機(jī)組的總能耗，這里X指Tc、Tc、Mp、Mp、M、M;S表示列車在該記錄時(shí)間段內(nèi)的走行千米數(shù)。

3.2 能耗試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)電客車空調(diào)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，對(duì)智能變頻空調(diào)與定頻空調(diào)5—10月共6個(gè)月的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并記錄走行千米數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算后，得到庫(kù)內(nèi)和正線不同工況下電客車定頻空調(diào)和變頻空調(diào)的能耗數(shù)據(jù)，如表2所示。

由表2可知，試驗(yàn)用的6臺(tái)變頻空調(diào)與6臺(tái)定頻空調(diào)相比，6—10月份，在相同工況下，變頻空調(diào)比定頻空調(diào)節(jié)能，節(jié)電率為1.67%～10.9%。綜合考慮庫(kù)內(nèi)與正線情況的不同，車輛載客率和外界環(huán)境溫度也是動(dòng)態(tài)變化的。上述變頻空調(diào)節(jié)能只適用于該工況下的試驗(yàn)列車。

3.3 試驗(yàn)對(duì)比分析

考慮到鄭州市夏季高溫分布時(shí)段，圖6為試驗(yàn)車輛單元機(jī)組每千米的總能耗量對(duì)比。從圖6可知，5月份兩種空調(diào)機(jī)組能耗相同，空調(diào)未進(jìn)入制冷模式，僅進(jìn)行空調(diào)通風(fēng)，因此能耗相同。6—10月，變頻空調(diào)每月每千米能耗均小于定頻空調(diào)，總體上變頻空調(diào)比定頻空調(diào)節(jié)能。其中，5—8月定頻、變頻空調(diào)機(jī)組每千米耗電量均不斷上升，分別從0.419 kW·h上升至1.166 kW·h和

1.063 kW·h，8月份達(dá)到最高峰，9月和10月又呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。綜上，空調(diào)能耗大小與月份密切相關(guān)，8月份平均溫度最高，制冷需求量大，因此兩種空調(diào)能耗均表現(xiàn)為最高。

為研究變頻空調(diào)相比定頻空調(diào)在不同制冷月份的節(jié)電表現(xiàn)，綜合了兩列試驗(yàn)列車的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。圖7為試驗(yàn)車輛變頻空調(diào)在不同月份的節(jié)電率走勢(shì)。5月份因無(wú)制冷需求，通風(fēng)模式下兩種空調(diào)機(jī)組無(wú)節(jié)電差別。在氣溫較高的7月和8月，變頻空調(diào)節(jié)電率達(dá)到最高，平均值約為10%，因此制冷需求強(qiáng)烈，空調(diào)機(jī)組滿載運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，壓縮機(jī)能耗在整個(gè)空調(diào)機(jī)組用電量中的占比高，變頻壓縮機(jī)會(huì)比定頻壓縮機(jī)更省電。其他月份，空調(diào)機(jī)組制冷不能全負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，定頻空調(diào)機(jī)組會(huì)出現(xiàn)半載或變頻空調(diào)機(jī)組降頻甚至通風(fēng)的工況。減載模式下，變頻空調(diào)的節(jié)電率

會(huì)下降。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鄭州地鐵電客車定頻空調(diào)與變頻空調(diào)能耗進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論。

①夏季制冷月份，變頻空調(diào)機(jī)組與定頻空調(diào)機(jī)組相比，在減少電能消耗方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。氣溫較高的7月和8月，變頻空調(diào)節(jié)電率約為10%，在節(jié)能降耗、減少二氧化碳排放方面具有重大意義。可見(jiàn)，軌道交通車輛采用變頻空調(diào)技術(shù)是軌道交通發(fā)展的必然趨勢(shì)。

②車輛變頻空調(diào)技術(shù)在軌道交通行業(yè)內(nèi)的發(fā)展處于應(yīng)用起步階段，在車輛30年壽命周期中運(yùn)營(yíng)檢修、成本核算等方面，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注車輛變頻空調(diào)在后續(xù)運(yùn)營(yíng)檢修中的實(shí)際表現(xiàn)。

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