王彥魯,劉忠慶,孫德世,陰啟明,李子建

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

隨著城市經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市內(nèi)的交通問題日趨嚴重，越來越多的城市開始考慮將發(fā)展地鐵、輕軌或有軌電車等不同軌道交通方式作為解決城市交通問題的策略和措施.但是在城市軌道交通中，無論是在市內(nèi)和市郊地鐵、輕軌等軌道車輛上，還是有軌電車上，空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗問題都日漸突出.

國內(nèi)外學者雖然對空調(diào)系統(tǒng)能耗做了很多研究，但主要是以數(shù)值計算的方式進行[1-3].本文以整車熱工試驗為主，整車熱工試驗不方便進行時，采用數(shù)值計算的方式，研究各個因素對地鐵車輛空調(diào)能耗的影響，為地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能提供依據(jù).

1 研究對象

本文選取青島某地鐵中間車作為研究對象，車上共安裝2臺變頻熱泵空調(diào)機組.單臺機組額定制冷量為35 kW.文中載客均以AW2為定員，AW2定員為250人.

空調(diào)機組新風閥的工作位置可以通過控制系統(tǒng)進行設定，根據(jù)網(wǎng)絡提供的載荷信息提供三種工作位置:

(1)當載荷<80人時，新風閥開度為1/3狀態(tài)；

(2)當80≤載荷<160人時，新風閥開度為2/3狀態(tài)；

(3)當載荷≥160人時，新風閥開度為全開狀態(tài).

2 研究思路和方法

車外環(huán)境溫濕度、太陽輻射強度、載客量、新風量、車體K值、車內(nèi)設定溫度、地鐵車輛運行速度以及運行過程中車門開關都能影響空調(diào)系統(tǒng)的能耗，各個因素對空調(diào)系統(tǒng)能耗影響的大小不同.

本文采用整車熱工試驗為主，數(shù)值計算為輔的方式，研究各個因素對空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響.由于地鐵車輛制熱主要以電采暖為主，因此本文只針對制冷季空調(diào)系統(tǒng)能耗進行分析和研究. 整車熱工試驗是在熱工試驗室進行的.試驗參照EN 14750-1-2006和EN 14750-2-2006進行.

地鐵車輛車外的新鮮空氣與車內(nèi)的回風混合后會經(jīng)過空調(diào)系統(tǒng)進行加熱或者冷卻，處理后的空氣通過風道送到車內(nèi)，車內(nèi)的部分空氣排至車外，更多的車內(nèi)空氣通過回風口與新風混合.與此同時，車內(nèi)的空氣會與車內(nèi)外環(huán)境進行熱交換.如圖1所示.

圖1 地鐵車輛空氣循環(huán)示意圖

制冷劑、空氣等在各個流動環(huán)節(jié)均遵守質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒，在此基礎上本文采用微元化進行數(shù)值計算.

為了驗證模型的準確性，對被試車按照EN 14750進行了整車熱工試驗和能耗測試，結(jié)果對比如表1所示.

表1 計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

由表1對比結(jié)果可知，計算模型具有較高的精度，可以用來計算制冷季地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗.

3 各因素影響分析

3.1 車外環(huán)境溫濕度和設定溫度

由EN 14750可知,在制冷工況中,當車外環(huán)境溫度變化時,車內(nèi)設定溫度也是隨之適應和變化的.因此把這兩個因素首先綜合起來研究,然后再分別討論.

同樣由EN 14750可知，在各制冷工況中，車外環(huán)境相對濕度與車外環(huán)境溫度是相互對應的.因此，本文不再單獨研究車外相對濕度對空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響，把兩個變量合并起來，僅以車外溫度表示，車外相對濕度與之相對應.

表2為無載客和有載客不同車外溫時空調(diào)系統(tǒng)平均功率變化，設定溫度是參照EN 14750選取的，數(shù)據(jù)是通過整車熱工試驗獲得的，其中設定溫度參照EN 14750選取.

表2 不同外溫時空調(diào)系統(tǒng)平均功率變化

由表2可知，雖然設定溫度在提高，但隨著車外空氣溫度的增加，地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗也增加.這是因為車外空氣溫度增加后，從車外經(jīng)過車體壁面?zhèn)魅胲噧?nèi)的熱量增加，而且新風溫度升高也會導致新風熱負荷增加，在這雙重因素的影響下空調(diào)系統(tǒng)能耗增加.并且增加幅度較大.可知車外環(huán)境溫度對空調(diào)系統(tǒng)能耗影響大.

設定溫度也對空調(diào)系統(tǒng)能耗有影響，理論上同樣條件下，設定溫度越高，空調(diào)系統(tǒng)能耗值越小.表3為不同設定溫度時，被試車空調(diào)系統(tǒng)平均功率對比，表中的數(shù)據(jù)是通過數(shù)值計算獲得.其中，選取的環(huán)境溫度為28℃，載客為50%定員,車外無太陽輻射.

表3 不同設定溫度時空調(diào)系統(tǒng)平均功率變化

由表3可知，車內(nèi)溫度設定值的減小會使得空調(diào)系統(tǒng)能耗大幅度增大，車內(nèi)設定溫度對空調(diào)系統(tǒng)能耗影響大.

3.2 載客量和新風量

載客量變化時，新風量也會相適應.載客量是自變量，新風量是因變量.因此把這兩個因素首先綜合起來研究,然后再分別討論.本文把載客量劃分為5檔：0%、25%、50%、75%和100%.表4為外溫28℃、31.5℃和35℃時，不同載客量空調(diào)系統(tǒng)平均功率對比情況，表中數(shù)據(jù)是通過整車熱工試驗獲取的.

表4 不同外溫、載客量時空調(diào)系統(tǒng)平均功率對比

由表4可知，隨著載客量的增加，地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗也增加.載客負荷和新風負荷的雙重增大，使得空調(diào)系統(tǒng)能耗增幅較大.在被試車控制邏輯中，空載和25%定員時新風量是相同的，75%定員和100%定員時新風量是相同的.由表4中可知，僅在載客量增大時，空調(diào)系統(tǒng)能耗增大并且增大幅度大，可知載客量對空調(diào)系統(tǒng)能耗影響大.

新風量增大時，空調(diào)系統(tǒng)負荷會增加，能耗也會相應增加.表5為不同新風量時，被試車空調(diào)系統(tǒng)平均功率對比.表中數(shù)據(jù)是通過數(shù)值計算獲得的.其中，選取的環(huán)境溫度為28℃，載客為50%定員，車外無太陽輻射.

表5 不同新風量時空調(diào)系統(tǒng)平均功率變化

由表5可知，新風量增大時，空調(diào)系統(tǒng)能耗增大.新風閥開度增大1/3時，新風量增加約867 m3/h，空調(diào)系統(tǒng)能耗增加20%以上，增加幅度大，可知新風量對空調(diào)系統(tǒng)能耗影響大.

3.3 太陽輻射強度

本文對比了不同環(huán)境溫度條件下有無太陽輻射時空調(diào)系統(tǒng)平均功率的變化，其中不同環(huán)境溫度下的太陽輻射強度參照EN14750選取.對比結(jié)果如表6所示.表中數(shù)據(jù)是通過整車熱工試驗獲取的.

表6 有無太陽輻射時空調(diào)系統(tǒng)平均功率變化

由表6可知，車外有太陽輻射時，地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗增加.這是因為車外有太陽輻射強度增加后，車體壁面溫度增高，導致從車體壁面進入車內(nèi)的熱量增加，并且透過車窗進入車內(nèi)的輻射熱增加，進而導致空調(diào)系統(tǒng)能耗增加.從增加幅度來看，有無太陽輻射對空調(diào)系統(tǒng)能耗影響大.

3.4 車門開關

地鐵車輛運行過程中，車門開關比較頻繁.文中開關門試驗參照EN14750進行，開20 s、關2 min.開關門試驗時載客量50%，無太陽輻射，連續(xù)開關門40次.有無開關門試驗時空調(diào)系統(tǒng)平均功率對比結(jié)果如表7所示.

由表7可知，開關門試驗時空調(diào)系統(tǒng)平均功率相比關門時地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)平均功率增大，并且隨著車內(nèi)外溫差的增大，空調(diào)系統(tǒng)功率增加值增大.但即使在35℃外溫時，開關時空調(diào)系統(tǒng)功率也僅增大10%，在28℃外溫和22℃外溫時，空調(diào)系統(tǒng)功率增大幅度不足5%.

表7 有無開關門試驗時空調(diào)系統(tǒng)平均功率及對比

地鐵車輛在露天站臺時，制冷季車內(nèi)外溫差相對非露天站臺時偏大，開關門時會明顯增大空調(diào)負荷，進而增加空調(diào)系統(tǒng)能耗，即功率增大，但增大幅度小.地鐵車輛在非露天站臺時，由于站臺有空調(diào)，開關門時車內(nèi)外溫差很小，開關門時對空調(diào)系統(tǒng)能耗沒有明顯的影響.

綜上可知，開關門時對空調(diào)系統(tǒng)能耗影響小.

3.5 車體K值

車體K值亦稱車體傳熱系數(shù)，為單位面積的熱流密度與穿過相關車輛隔熱壁的車內(nèi)平均溫度和車外平均溫度的溫差值的比值.代表著車輛的保溫效果.

分別取地鐵車輛車體K值為實測值的50%、100%、150%進行計算.外溫取28℃和35℃，載客取50%定員，無太陽輻射.得到地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬計算結(jié)果，如圖2所示.

圖2 車體K值對地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗影響

由圖2可知，隨著車體K增加，空調(diào)系統(tǒng)功率也增加.這是因為車輛車體K值增大導致經(jīng)車體壁面從車外傳入車內(nèi)的熱量增大，進而導致地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗增加.從增加幅度來看，車體K值對地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗影響小，這是因為在制冷季，車內(nèi)外溫差小，由車體K值增加導致的熱負荷增加幅度較小.

3.6 運行速度

運行速度變化時，車體氣密性、新風量以及空調(diào)冷凝風量等都在變化.運行速度是個綜合影響因素.新風量以及空調(diào)冷凝風量變化與運行線路有關，不在本文研究范圍之內(nèi)，故不再討論.在不考慮車體氣密性的前提下，分別取地鐵車輛運行速度為30、60、90和120 km/h進行計算，外溫取28℃和35℃，載客取50%定員，無太陽輻射.得到了地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬計算結(jié)果，如圖3所示.車體外表面對流換熱系數(shù)取自標準TB1951-87.

圖3 列車運行速度對地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗影響

地鐵車輛運行速度提高后車體外表面對流換熱系數(shù)小幅增大，從車外通過車體壁面?zhèn)魅胲噧?nèi)熱量增大，從而導致空調(diào)系統(tǒng)能耗增大.由圖3可知，隨著運行速度的增加，地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗增大幅度非常小，由此可知，在不考慮氣密性的前提下，運行速度對地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗影響小.這是因為運行速度增大引起的車體K值增加幅度有限，并且制冷季時，車內(nèi)外空氣溫差較小.

4 結(jié)論

車體K值增大導致經(jīng)車體壁面從車外傳入車內(nèi)的熱量增大，但由于制冷季時，地鐵車輛車內(nèi)外溫差小，因而K值增大時，空調(diào)系統(tǒng)能耗增加幅度小.地鐵車輛開關時會影響空調(diào)系統(tǒng)的能耗，但由于車內(nèi)外溫差小，頻繁開關門引起的空調(diào)系統(tǒng)能耗增加幅度不大，尤其是地鐵站臺為封閉空間時，這部分能耗差值很小.地鐵車輛運行速度提高后車外表面對流換熱系數(shù)增大，從車外通過車體壁面?zhèn)魅胲噧?nèi)熱量增大，進而會增大空調(diào)系統(tǒng)能耗，但由于地鐵車運輛運行速度不高，對空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響很小.載客量、新風量、車外環(huán)境溫濕度對空調(diào)系統(tǒng)的能耗影響大.當?shù)罔F車輛車外有太陽輻射時，會明顯增加空調(diào)系統(tǒng)能耗.