王鵬宇，王 峻

（蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 719300）

近年來城市軌道交通建設進程持續(xù)加快，人民生活水平不斷提高，安全正點快捷的運營要求已不能滿足乘客的需求。乘客對于地鐵車輛舒適性的要求愈加強烈，乘坐舒適性的要求逐步提上日程。電動客車的空調(diào)系統(tǒng)在滿足乘車舒適性方面顯得尤為重要，目前城市軌道交通大部分屬地下線路，地鐵車輛基本都在隧道區(qū)間運行，當列車進入隧道運行，車體表面將會有明顯的壓力變化，這種壓力變化極易造成乘車體驗感下降。加之地鐵車輛區(qū)間運行的活塞效應也是影響地鐵車輛內(nèi)負荷的原因之一，長時間的運營導致地層的蓄熱作用也使得車輛內(nèi)部溫度升高。所以地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)承擔著車內(nèi)溫度、濕度、新風量等舒適性指標能否達標的重任。

1 車輛空調(diào)系統(tǒng)概述

車輛空調(diào)系統(tǒng)包括客室空調(diào)機組、送風裝置、排風裝置及司機室送風裝置。其通過空調(diào)機組自帶新風口吸入的新風經(jīng)過濾后與來自客室的回風混合，經(jīng)空調(diào)機組蒸發(fā)器降溫除濕處理后送入均勻送風道，風道通過沿車長方向布置的條縫式送風格柵向車內(nèi)均勻送風；客室內(nèi)部分空氣通過設于車頂?shù)幕仫L口進入空調(diào)機組，與新風在蒸發(fā)器前混合，經(jīng)蒸發(fā)器降溫除濕后在送風機的作用下送入客室?；仫L口設濾網(wǎng)及電動風量調(diào)節(jié)機構?？褪也捎庙斨檬阶匀慌棚L裝置來保證室內(nèi)排風。A 型電動客車氣流組織圖如圖1 所示。

圖1 氣流組織圖

2 車輛空調(diào)額定工況制冷負荷分析

地鐵車輛內(nèi)的熱負荷是指單位時間內(nèi)散發(fā)到車內(nèi)的總熱量Q0，空調(diào)系統(tǒng)所需的通風量、制冷量、制熱量的確定取決于車內(nèi)熱負荷。通過車內(nèi)熱負荷的計算分析，能對空調(diào)進行選型提供支撐，判斷車內(nèi)溫度、濕度等各項指標在不同環(huán)境下能否達標。地鐵車輛熱負荷主要組成如下：

（1）通過車體絕熱墻壁的傳熱Q1；

（2）太陽輻射熱Q2；

（3）車內(nèi)電器設備的散熱量Q3；

（4）乘客的散熱（濕）量Q4；

（5）新風熱負荷Q5。

在車輛相同的條件下，第（1）（2）（3）各項熱負荷相同。在乘客量相同的條件下，乘客的散熱（濕）量相同，熱負荷總量即為Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5。

2.1 計算條件

車內(nèi)空氣計算參數(shù)：

溫度：27℃，相對濕度：65%，焓值：64.3kJ/kg，密度：1.15kg/m3。

車外空氣計算參數(shù)（隧道）：

溫度：33℃，相對濕度：65%，焓值：89 kJ/kg，密度：1.11kg/ m3。

其他參數(shù)見表1。

表1 計算條件下的其他參數(shù)

2.2 制冷負荷計算

電動客車空調(diào)機組制冷量往往高于實際空調(diào)負荷的最大值Q0，現(xiàn)分別計算Q1、Q2、Q3、Q4、Q5。

2.2.1 通過車體隔熱壁的熱負荷

式中：K——車體平均傳熱系統(tǒng)K 值，W/m2K；

F——車體平均傳熱面積，m2；

△t——車內(nèi)外溫差，℃。

計算結果：

2.2.2 太陽輻射熱負荷

軌道交通大多數(shù)為全地下線，本文按照地下線計算，太陽輻射熱負荷Q2=0W。

2.2.3 乘客散熱熱負荷

式中：n——定員數(shù)；

q——旅客的人均散熱量。

計算結果：

客室：Q3=310×116=35960W

司機室：Q3=1×116=116W

2.2.4 車內(nèi)設備散熱熱負荷

客室：Q4=1500W

司機室：Q4=1000W

2.2.5 新風熱負荷

Q5=G·（i2-i1）

式中：G——新風量，kg/s；

i2——車外空氣焓值，kJ/kg；

i1——車內(nèi)空氣焓值，kJ/kg。

隧道：Q5=3200×1.11×1000÷3600×（89-64.3）=24371W

2.2.6 車內(nèi)總熱負荷

M（Mp）車：Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=2880+0+35960+1500+24371=65071W

Tc 車：Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=2760+0+35960+1500+24371=64591W

司機室：Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=552+0+116+1000+0=1668W

根據(jù)以上計算結果，軌道交通A 型電動客車M（Mp）車制冷負荷為65071W，Tc 車制冷負荷為66259W（含司機室），因此Tc 車制冷負荷最大，空調(diào)制冷量按照Tc 車制冷負荷進行選取。根據(jù)車輛運行情況并留有適當余量即可，每輛車安裝兩臺制冷量為35kW 的空調(diào)機組能夠滿足車輛使用要求。司機室的地面制冷負荷最大，約為1.7kW。司機室的冷空氣取自客室的空調(diào)機組?？褪铱照{(diào)機組制冷量35kW，總風量5000 m3/h，司機室送風單元的最大送風量645m3/h。則送入司機室的制冷量：35÷5000×645=4.51kW。4.51kW＞1.7kW，司機室送風單元送入司機室的冷空氣能夠滿足司機室的制冷需要。

3 車輛新風調(diào)節(jié)

3.1 控制新風熱負荷

車輛空調(diào)系統(tǒng)設自動和手動兩種方式。各車廂觸摸屏設置集控位，空調(diào)機組的工作模式由司機室集中控制，為自動方式。也可在各車廂將控制模式置于其他位，從而實現(xiàn)對本車空調(diào)系統(tǒng)的單獨控制。在車輛內(nèi)外環(huán)境溫濕度一致的條件下，車輛空調(diào)一般通過減小車輛熱負荷的方式達到制冷時空調(diào)節(jié)能的要求，故科學合理有效的減小車輛熱負荷通常是通過降低新風熱負荷的方式實現(xiàn)，新風熱負荷也是唯一可控的。下面通過比較常規(guī)定頻空調(diào)新風量調(diào)節(jié)和新型節(jié)能定頻空調(diào)新風量調(diào)節(jié)兩種方案，闡述新型節(jié)能定頻空調(diào)新風量可調(diào)的模式如何實現(xiàn)節(jié)能。

常規(guī)定頻空調(diào)新風量調(diào)節(jié)方案控制方是單一，新風量分為全開、1/2 開、全閉3 檔調(diào)節(jié)，根據(jù)空調(diào)工作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，如預冷時新風口全閉；緊急通風時新風口全開；正常制冷通風時新風口全開等。目前某地鐵A 型電動客車的新型節(jié)能定頻空調(diào)采用與常規(guī)定頻空調(diào)完全不同的控制措施對新風進行調(diào)節(jié)，其新風量分為全開、3/4 開、1/2 開、1/4 開、全閉5 檔調(diào)節(jié)。新型節(jié)能定頻空調(diào)新風口開度根據(jù)車輛控制系統(tǒng)提供載客量信號智能開合，空調(diào)控制器接受載客量信號并調(diào)節(jié)新風門的開度，達到調(diào)節(jié)新風量的目的，并滿足人均新風量10m3/h 以上的基本要求。

采用新型節(jié)能定頻空調(diào)的方式，新風門風量調(diào)節(jié)優(yōu)化后，進入車內(nèi)的空調(diào)機組新風量會減少一部分，新風熱負荷變小。根據(jù)載客量信號智能開合新風口的方式，新增的1/4 開、3/4 開、1/4 開3 檔調(diào)節(jié)，比常規(guī)1/2 開經(jīng)統(tǒng)計新風量減小約16.7%。因新風熱負荷占車輛總的熱負荷約1/3～1/2，取最小值1/3，即新風調(diào)節(jié)后減少總的熱負荷5.6%。

3.2 客室溫度調(diào)節(jié)

控制開關在自動位時，車內(nèi)溫度調(diào)節(jié)按照UIC553 標準的溫度曲線進行調(diào)節(jié)，空調(diào)機組制冷量能夠根據(jù)不同的負荷條件自動減少或增加。此時，按下述公式自動計算設定溫度如圖2 所示。

圖2 自動計算設定溫度圖

同時目標溫度可以隨著載客量變化適當調(diào)整，當列車載客量信號有效時，目標溫度調(diào)整策略見表2。

表2 目標溫度調(diào)整策略表

控制開關在手動位時，在載客量人數(shù)≤80 人時，控制器設定目標溫度為27℃，其余狀態(tài)按照手動模式進行調(diào)節(jié)。載客量的不同對節(jié)能效果影響很大，為了最大程度滿足車內(nèi)的溫度舒適性該種方式能夠達6%～10%的節(jié)能效果。

3.3 壓縮機舒適性可靠性

某地鐵空調(diào)機組采用三菱ZEN117YZA-C 型臥式渦旋壓縮機。壓縮機具有卸載功能，可以實現(xiàn)100%、85%、70%、50%、35%、0 共6 級功能。

具體制冷量以及壓縮機對應電磁閥工作狀態(tài)見表3。

表3 制冷量以及壓縮機對應電磁閥工作狀態(tài)表

空調(diào)機組制冷量通過兩臺壓縮機以及相關電磁閥之間的運行來調(diào)節(jié)。由于壓縮機卸載運行之后，制冷管路內(nèi)的制冷劑流量減少，相應的壓縮機輸出制冷能力減小，實現(xiàn)多級調(diào)節(jié)功能。

隨著客室內(nèi)的熱負荷的變化，通過對比客室回風溫度與目標溫度設定值，空調(diào)機組通過下面的控制邏輯圖，能夠自動輸出相應的制冷量，客室內(nèi)的溫度波動則會變化很小，舒適性會相應提升如圖3 所示。

圖3 制冷控制曲線

為提高壓縮機軸承潤滑，保證壓縮機長時間停機后的啟動以及在室外低溫時壓縮機的啟動，在壓縮機啟動時打開旁通電磁閥。此時壓縮機排氣側與吸氣側連通，提高壓縮機吸氣的溫度和壓力，并將壓縮機排出的油返回到吸氣側，避免出現(xiàn)吸氣壓力過低的故障，同時能夠提高壓縮機缸體溫度，讓電機持續(xù)得到潤滑。

若不實現(xiàn)旁通，在壓縮機啟動初期，內(nèi)部有大量制冷劑存在的狀態(tài)下，由于低壓側大量吸入制冷劑，冷凍機油內(nèi)混合的制冷劑同時起泡，油就會從壓縮機中排出，壓縮機電機軸的潤滑變差，有時會出現(xiàn)燒損壓縮機的現(xiàn)象。

這種卸載啟動功能，能夠有效地保證每次壓縮機啟動時電機的潤滑，壓縮機的運行可靠性得到保證。由于進入壓縮機內(nèi)部循環(huán)的制冷劑量沒有發(fā)生變化，壓縮機做功沒有降低，只是由于外部換熱器內(nèi)循環(huán)的制冷劑量有減少，少量的制冷劑使用全部的換熱器進行換熱，獲得更好的換熱效果，適當?shù)靥嵘酥评湫?，但制冷量會下降，因此采用卸載功能時，空調(diào)能效比是略有下降，實際上沒有節(jié)能的效果。

4 結論

（1）對車體參數(shù)及人員載荷進行負荷計算，可以確定空調(diào)機組總體方案，有利于合理的選擇空調(diào)設備和控制新風量；

（2）軌道交通A 型電動客車Tc 車制冷負荷最大，空調(diào)制冷量按照Tc 車制冷負荷進行選取。根據(jù)車輛運行情況并留有適當余量，每輛車安裝兩臺制冷量為35kW 的空調(diào)機組能夠滿足車輛使用要求；

（3）采用卸載功能后，空調(diào)能夠提供多級調(diào)節(jié)功能，客室內(nèi)的溫度舒適性會有明顯改善，壓縮機的運行可靠性有很大提高，但沒有節(jié)能效果；

（4）根據(jù)載客量信號智能開合新風口的方式會使新風量減小，減少總的熱負荷，可以起到節(jié)能降耗的目的。