吳楠楠，臧建彬，趙亮

（1. 淮陰工學(xué)院 機(jī)械與材料工程學(xué)院江蘇省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實驗室，江蘇淮安，223000；2. 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海，200092）

列車牽引能耗是地鐵列車的主要能耗，而列車空調(diào)機(jī)組作為地鐵列車的輔助系統(tǒng)，其能耗占比達(dá)到30%以上［1］。在較為寒冷的地區(qū)，空調(diào)制熱在輔助系統(tǒng)總能耗中占比達(dá)到45%［2］。隨著我國地鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷發(fā)展，地鐵列車空調(diào)能耗的問題也逐漸引起廣泛關(guān)注。

目前我國在運(yùn)營的地鐵列車普遍采用單冷型空調(diào)機(jī)組，制熱季采暖通過電加熱來完成，空調(diào)自帶電加熱和車輛地板加熱是地鐵列車車廂內(nèi)實現(xiàn)電加熱采暖的兩種方式。通過電加熱實現(xiàn)冬季采暖不僅能效比低，在車輛中布置電加熱器還將為車廂安全帶來隱患［3］。因此，列車空調(diào)領(lǐng)域的專家學(xué)者們將熱泵技術(shù)引入地鐵列車中，在冬季運(yùn)行時減少或代替當(dāng)前的電加熱裝置，合理使用低位熱能，以提供冬季地鐵列車車廂所需的熱量。將熱泵技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通中，不僅提高了能源利用率，大幅降低列車空調(diào)系統(tǒng)的能耗，還減少了電加熱帶來的安全問題。

利用熱泵技術(shù)能夠提高能源利用率，節(jié)能效果顯著已經(jīng)得到普遍認(rèn)可。但地鐵列車空調(diào)應(yīng)用熱泵機(jī)組實際可達(dá)到的節(jié)能率，尚需進(jìn)一步研究。因此，本文將通過一維仿真的方法，對所研究的熱泵系統(tǒng)的全年能耗進(jìn)行仿真計算，結(jié)合季節(jié)性能評價指標(biāo)APF，分析其全年能效及節(jié)能率。

1 研究方法

1.1 研究對象

當(dāng)前列車空調(diào)機(jī)組通常采用兩套制冷系統(tǒng)，兩套制冷系統(tǒng)中分別單獨(dú)使用一臺冷凝器，蒸發(fā)器一般采用雙回路翅片管換熱器，即將換熱管通過管路連接劃分給兩個不同的制冷系統(tǒng)中。這種設(shè)計在半載工況時，空調(diào)機(jī)組僅運(yùn)行一套制冷系統(tǒng)。此時因為蒸發(fā)器設(shè)置為雙回路結(jié)構(gòu)，在整個空調(diào)機(jī)組中，兩套蒸發(fā)器各一半處于工作狀態(tài)，相當(dāng)于蒸發(fā)器的換熱面積增大。系統(tǒng)的制冷量降低，冷凝風(fēng)機(jī)的功耗不變，同時由于蒸發(fā)器的相對換熱面積增大、冷凝器換熱面積未改變等因素，將導(dǎo)致壓縮機(jī)增大功耗，半載工況下的機(jī)組能效比下降。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，將機(jī)組的兩個制冷回路通過冷凝器并聯(lián)，在半載時，僅使用單臺冷凝器一半，這樣就相當(dāng)于增大了冷凝器的換熱面積，從而提高制冷劑的過冷度，有利于減小壓縮機(jī)的能耗，并且提高機(jī)組的耐高溫能力［4］。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 熱泵系統(tǒng)原理圖

1.2 研究方法

地鐵列車熱泵空調(diào)系統(tǒng)由壓縮機(jī)、換熱器（冷凝器和蒸發(fā)器）、膨脹閥和風(fēng)機(jī)等主要部件，以及氣液分離器、儲液器和干燥過濾器等輔助部件組成。主要部件在地鐵列車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中是不可或缺的，而輔助部件是否選用是根據(jù)車型和運(yùn)行工況的需要決定的。本文對地鐵列車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的仿真將忽略輔助部件和連接管路對系統(tǒng)性能的影響，僅研究由主要部件構(gòu)成的熱泵系統(tǒng)的性能，使得仿真模型具有較高的通用性。

在數(shù)值模擬過程中，想要完全復(fù)刻制冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，建立真實的系統(tǒng)模型是難以實現(xiàn)的。所以對空調(diào)系統(tǒng)性能進(jìn)行研究時，常對系統(tǒng)進(jìn)行簡化處理，主要集中在一些關(guān)鍵部件或部位的參數(shù)對系統(tǒng)整體的影響。因此，可以根據(jù)部件的物理特性，將工質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)簡化為沿流動方向一維分布，這樣不僅有利于降低數(shù)值模擬的難度，還可以提高計算速度。

本文研究對象是地鐵列車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組集成在列車車頂。利用KULI軟件仿真模型，對某軌道車輛空調(diào)公司現(xiàn)有地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組進(jìn)行了制冷工況下的仿真模擬。該空調(diào)機(jī)組使用渦旋式壓縮機(jī)，制冷劑為R410A，節(jié)流元件為電子膨脹閥。利用地鐵列車空調(diào)機(jī)組及各個主要部件的結(jié)構(gòu)尺寸和試驗測試數(shù)據(jù)，在KULI軟件中搭建地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)一維模型，如圖2所示。

圖2 地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)一維模型

空氣回路有兩條，因為蒸發(fā)器的進(jìn)風(fēng)量是由蒸發(fā)風(fēng)機(jī)控制的，而冷凝器的進(jìn)風(fēng)量由冷凝風(fēng)機(jī)控制，兩條回路之間互不干涉。

1.3 研究方法檢驗

本文利用KULI仿真軟件，對現(xiàn)有地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組進(jìn)行了制冷工況下的仿真模擬后，將得到的結(jié)果與某軌道車輛空調(diào)公司提供的機(jī)組性能測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證仿真結(jié)果是否可信。

利用焓差試驗臺對機(jī)組進(jìn)行性能測試，通過兩個環(huán)境控制室裝備的空氣調(diào)節(jié)設(shè)備來調(diào)節(jié)試驗工況所要求達(dá)到的溫度和濕度?，F(xiàn)有機(jī)組的試驗測試工況，冷凝器進(jìn)風(fēng)干球溫度35℃，蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)干球溫度和濕球溫度分別為29.5℃和24.6℃。從表1試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比來看，仿真結(jié)果與試驗值的誤差小于8%，因此說明本文利用KULI仿真軟件對地鐵列車熱泵空調(diào)系統(tǒng)仿真是可信的。

表1 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比

2 仿真結(jié)果

當(dāng)熱泵機(jī)組的制冷量大于7.1kW時，采用額定制冷、中間制冷、最小制冷、額定制熱、中間制熱、最小制熱和低溫制熱7個工況點(diǎn)的功耗來推定機(jī)組全年總耗電量。參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17758-2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》［5］，利用仿真手段，在規(guī)定工況下進(jìn)行機(jī)組仿真，得到車外環(huán)境溫度35℃時和29℃的額定制冷、中間制冷和最小制冷機(jī)組性能，和車外環(huán)境溫度7℃時的額定制熱、中間制熱和最小制熱以及車外環(huán)境溫度2℃時低溫制熱時機(jī)組性能，其中超低溫制熱時（即車外環(huán)境-8.5℃）的性能參數(shù)可以由7℃和2℃的結(jié)果進(jìn)行計算得到，如表2所示。

表2 各規(guī)定工況點(diǎn)下單臺機(jī)組性能參數(shù)

3 節(jié)能性分析

空調(diào)設(shè)備性能評價指標(biāo)用于區(qū)分產(chǎn)品的優(yōu)劣，規(guī)范產(chǎn)品市場?？照{(diào)設(shè)備的性能評價指標(biāo)可以被分為兩類，名義性能指標(biāo)和季節(jié)性能指標(biāo)。名義性能指標(biāo)需要空調(diào)設(shè)備在名義工況下，經(jīng)過試驗檢驗設(shè)備的運(yùn)行性能。季節(jié)性能指標(biāo)則用于描述空氣調(diào)節(jié)產(chǎn)品在整個制冷季、制熱季或全年的綜合運(yùn)行性能。季節(jié)性能指標(biāo)又可以分為兩個體系，APF（Annual Energy Efficiency）體系和IPLV（Integrated Part Load Value）體系。IPLV于2008年開始在我國正式應(yīng)用，最開始時IPLV指標(biāo)主要考慮制冷狀態(tài)下的設(shè)備的評價，而熱泵空調(diào)在冬季制熱的應(yīng)用越來越受到人們關(guān)注，應(yīng)用愈發(fā)廣泛，此時IPLV指標(biāo)已經(jīng)不再適用于熱泵空調(diào)的全年綜合運(yùn)行性能的評價。因此，在2013年GB 21455-2013《轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》中，IPLV被APF指標(biāo)取代［6］。

APF指在空氣調(diào)節(jié)季節(jié)中，空調(diào)機(jī)組從室內(nèi)除去（或送入）的熱量與機(jī)組耗電量之比，該指標(biāo)綜合考慮了制冷季和制熱季熱泵機(jī)組的性能，對機(jī)組的評價更加全面。因此，本文將對設(shè)計的地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組的季節(jié)總負(fù)荷進(jìn)行計算，并結(jié)合仿真結(jié)果對機(jī)組能效進(jìn)行分析。

在計算季節(jié)負(fù)荷時選取武漢地區(qū)逐時氣象參數(shù)，因為武漢處于冬季和夏季均需要進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，且武漢地鐵發(fā)展迅猛，截至2021年3月武漢已開通9條地鐵運(yùn)營線路，車站總數(shù)超過200座，總運(yùn)營里程達(dá)到300km以上，武漢地鐵開通運(yùn)營情況統(tǒng)計如圖3所示。另外，武漢地鐵計劃于2024年前形成14條運(yùn)營線路，總長606km，城市軌道交通出行占公共交通出行的60%［7］。因此，選取武漢地區(qū)地鐵列車作為研究對象。

圖3 武漢地鐵開通運(yùn)營情況統(tǒng)計圖

為了得到更接近地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組運(yùn)行實際情況的結(jié)果，在計算地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組全年運(yùn)行能耗時，采用武漢地區(qū)典型氣象年的逐時氣象參數(shù)［8，9］，并且剔除地鐵列車非運(yùn)營時段（即當(dāng)晚23:00～次日06:00）的氣象數(shù)據(jù)，僅研究地鐵列車運(yùn)營時段的機(jī)組能耗，如圖4所示。對全年地鐵列車運(yùn)行時段各溫度發(fā)生時間進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。

圖4 地鐵列車運(yùn)營時段全年車外逐時溫度

圖5 全年地鐵列車運(yùn)行時段各溫度發(fā)生時間

目前，各種相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，機(jī)組耗電量的計算方式有兩種：直接計算法和間接計算法。直接計算法是對空調(diào)機(jī)組幾個規(guī)定工況點(diǎn)進(jìn)行仿真后，通過對這幾個點(diǎn)進(jìn)行差值計算得到空調(diào)機(jī)組滿足列車負(fù)荷運(yùn)行時的能耗曲線。間接計算法的著手點(diǎn)是系統(tǒng)COP，將機(jī)組運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行劃分，計算出每個區(qū)間段的COP，利用插值法得到區(qū)間段中每個溫度點(diǎn)對應(yīng)的COP，之后再由相應(yīng)溫度點(diǎn)下的負(fù)荷除以機(jī)組能效得到該溫度點(diǎn)的能耗。有研究表明，直接計算法計算出的結(jié)果與空調(diào)機(jī)組實際能耗更加貼合，準(zhǔn)確性更高［10］。因此，本文將采用直接計算法，對設(shè)計機(jī)組進(jìn)行季節(jié)能耗進(jìn)行計算。

3.1 制冷季能效

地鐵A型車車廂中額定承載人數(shù)為310人，由負(fù)荷計算方法得到地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組在制冷季中的負(fù)荷曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17758-2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》規(guī)定，和表2中規(guī)定工況機(jī)組仿真結(jié)果，可以對制冷季機(jī)組耗電量進(jìn)行計算，結(jié)果如圖6所示。

圖6 制冷季機(jī)組耗電量計算

根據(jù)GB/T 17758-2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》，制冷季能效比SEER（Seasonal Energy Efficiency Ratio）按照公式（1）計算：

式中，CSTL——制冷季總負(fù)荷，kW?h；

CSTE——制冷季總耗電量，kW?h。

由圖5中制冷季各溫度發(fā)生時間和6中制冷季機(jī)組耗電量的計算結(jié)果，可以得到地鐵列車單臺熱泵空調(diào)機(jī)組制冷季能效比，如表3所示。

表3 單臺機(jī)組制冷季能效比

3.2 制熱季能效

由負(fù)荷計算方法得到地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組在制熱季中的負(fù)荷曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17758-2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》規(guī)定，結(jié)合表2中各規(guī)定工況機(jī)組仿真結(jié)果，可以對制熱季機(jī)組耗電量進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)車外環(huán)境溫度降低到-2℃時，地鐵車廂內(nèi)實際熱負(fù)荷等于地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組的實際制熱量，兩者的交點(diǎn)稱為平衡溫度點(diǎn)［11］。在平衡溫度點(diǎn)的右側(cè)，即車外環(huán)境溫度高于平衡溫度時，地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組的實際制熱量大于地鐵車廂內(nèi)實際熱負(fù)荷，地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組供熱量有余。在平衡溫度點(diǎn)的左側(cè)，即車外環(huán)境溫度低于平衡溫度時，地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組的實際制熱量小于地鐵車廂內(nèi)實際熱負(fù)荷，地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組供熱量不足。此時需要開啟電加熱進(jìn)行輔助制熱，以滿足地鐵車廂內(nèi)乘客熱舒適的需求。

圖7 制熱季單臺機(jī)組耗電量計算

根據(jù)GB/T 17758-2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》，制熱季能效比HSPF（Heating Seasonal Performance Factor）按照公式（2）計算：

式中，HSTL——制熱季總負(fù)荷，kW?h；

HSTE——制熱季總耗電量，kW?h。

由圖5中制熱季各溫度發(fā)生時間和7中制熱季機(jī)組耗電量的計算結(jié)果，可以得到地鐵列車單臺熱泵空調(diào)機(jī)組制熱季能效比，如表4所示。

表4 制熱季能效比

3.3 全年節(jié)能性分析

根據(jù)GB/T 17758-2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》，APF由式（3）計算：

APF=(CSTL+HSTL)/(CSTE+HSTE) （3）

經(jīng)計算熱泵機(jī)組的APF為2.50，大于GB/T 17758-2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》規(guī)定的2.1。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前某地鐵A型車安裝單制冷空調(diào)機(jī)組，冬季采暖使用電加熱，其單臺機(jī)組制冷耗電量和制熱耗電量分別為35987kW?h和5574kW?h，其APF為1.8。與地鐵列車單制冷，冬季采用電加熱采暖的空調(diào)機(jī)組相比，設(shè)計熱泵機(jī)組的節(jié)能性如表5所示，地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組制冷季節(jié)能率22%，制熱季節(jié)能率53%，全年節(jié)能率為26%。

表5 地鐵列車單臺熱泵空調(diào)機(jī)組節(jié)能量

由以上研究可知，基于地鐵列車熱泵空調(diào)機(jī)組全年與實際應(yīng)用的匹配程度更高。機(jī)組設(shè)計容量優(yōu)化后，不僅減小了設(shè)備的初投資費(fèi)用，其運(yùn)行費(fèi)用也將有所降低。

4 結(jié)論

本文通過一維仿真的方法，對地鐵空調(diào)熱泵機(jī)組在各規(guī)定工況點(diǎn)下單臺機(jī)組性能進(jìn)行仿真計算，以得到制冷季和制熱季的機(jī)組能耗，得出以下結(jié)論：

（1）對空調(diào)機(jī)組的APF進(jìn)行計算，熱泵機(jī)組的APF為2.5，大于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.1。單制冷空調(diào)機(jī)組APF僅為1.8。因此，設(shè)計熱泵空調(diào)機(jī)組符合能效標(biāo)準(zhǔn)。

（2）與地鐵列車單制冷，冬季采用電加熱采暖的空調(diào)機(jī)組相比，熱泵空調(diào)機(jī)組制冷季節(jié)能率22%，制熱季節(jié)能率53%，全年節(jié)能率為26%。

從仿真結(jié)果來看，本文所研究的熱泵機(jī)組在制冷季和制熱季均具有良好的節(jié)能效果，能夠在地鐵列車上推廣應(yīng)用。