王彥魯，李子建，劉忠慶，陰啟明

(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)的交通十分繁忙，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。大多數(shù)軌道交通車輛都要安裝空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗問題日漸突出[1]。

為達到節(jié)能目的，需要根據(jù)使用地區(qū)的環(huán)境溫度和相對濕度，通過對空調(diào)系統(tǒng)與軌道車輛性能的匹配，優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)工作策略，對空調(diào)系統(tǒng)在不同工況下工作的能耗評價，是做好空調(diào)系統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)性研究。

本文著重建立統(tǒng)一的試驗工況,通過研究整車空調(diào)系統(tǒng)能耗情況為整車空調(diào)能耗的計算和能級劃分提供參考依據(jù),為相關(guān)標準的制訂提供理論支撐。由于地鐵車輛采暖主要以電加熱為主，并且全國較多城市冬季地鐵車輛不需要開啟采暖系統(tǒng)，因此，本文主要研究分析地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)制冷季能耗。

1 研究方法選擇

對于地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)的能耗，目前使用較多的是監(jiān)控測量法與數(shù)值計算法。對地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗進行全年監(jiān)控測量的方法對于尚未下線正式運營的車輛不可行，也不適用不同車輛之間的對比；數(shù)值計算法可以得到整車空調(diào)系統(tǒng)的能耗甚至是全年能耗，但受制于各方面因素，并不是每節(jié)車廂都能建立模型，也不適用不同車輛之間的對比。

為能達到節(jié)能減排的目的，同時為了不同車輛之間能夠進行對比，必須有統(tǒng)一的測試工況和計算方法對整車空調(diào)系統(tǒng)進行能級劃分。試驗工況越接近實際運行條件,得到的空調(diào)系統(tǒng)能耗值越精確。通過對每天各時刻的各個參數(shù)(溫度、相對濕度、載客量等)分別進行平均，然后進行修正，以1 min或者5 min作為時間間隔即可構(gòu)造典型天的參數(shù)。EN 13129：2016[2]列出了鐵道車輛典型天工況。對于典型天工況，各個參數(shù)變化頻繁，目前國內(nèi)整車熱工試驗室無法完成測試。

本文通過選取合適的工況參數(shù)，分析中國典型地區(qū)的制冷各溫度區(qū)域的時間分布，結(jié)合相關(guān)標準，構(gòu)建適合地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗試驗的通用靜止試驗工況，繼而結(jié)合各工況的權(quán)重進行計算，得到地鐵車輛整車空調(diào)系統(tǒng)制冷季能耗。

2 影響因素分析

地鐵車輛在實際運行時，車門頻繁開關(guān)，車體K值和新風量也是變化的，在構(gòu)建地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗試驗通用靜止工況時，需要對各影響因素進行綜合分析。

2.1 開關(guān)門

地鐵車輛在運行時到站停車并不斷地進行開門-關(guān)門，地鐵車輛的開關(guān)門會對地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗造成影響。本文參照EN 14750-1：2006[3]B類車開關(guān)門試驗對被試車空調(diào)系統(tǒng)能耗進行測試，在整車熱工試驗室進行。測試結(jié)果如表1所示。

表1 地鐵車輛車門開關(guān)時空調(diào)系統(tǒng)變化

由表1可知，開關(guān)門時會增加空調(diào)系統(tǒng)能耗，但在車內(nèi)外溫差較小時(22 ℃和28 ℃工況)，能耗值影響很?。卉噧?nèi)外溫差較大時(31.5 ℃和35 ℃工況)，空調(diào)系統(tǒng)能耗值增加約10%。整體而言，地鐵車輛在開關(guān)門時，尤其是在站臺有空調(diào)的情況下，車內(nèi)外溫差很小，開關(guān)門時對空調(diào)系統(tǒng)能耗影響很小。故在構(gòu)建通用工況時，不再考慮開關(guān)門對地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響。

2.2 其他因素

地鐵車輛運行時,車體K值和新風量也是變化的。地鐵車輛新風量不僅受車速影響而且還與隧道以及隧道通風機有關(guān)，在運行過程中是復(fù)雜多變的。由于地鐵車輛運行速度不高，因而構(gòu)建通用工況時，新風量統(tǒng)一采用靜止時數(shù)值。

地鐵車輛運行時，隨著運行速度的提高，車廂外表面對流換熱系數(shù)增大，通過車體傳入車廂內(nèi)熱量增大，進而增大空調(diào)系統(tǒng)能耗。TB 1951—1987[4]附錄表A2給出了不同車速下的客車的車體K值，地鐵車輛運行時速多在30～70 km/h之間，選取運行速度60 km/h進行分析。靜止時,車體K值為1.16 W/(m2·K);車速在60 km/h時,車體K值為1.70 W/(m2·K)。參照EN 14750-1：2006[3],外溫35 ℃時，車內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度約為29 ℃，車體面積取248 m2,以此為基礎(chǔ)進行計算，結(jié)果如表2所示。

表2 35 ℃工況時通過車體傳遞的熱量

由表2可知，在靜止時,通過車體傳遞的熱量為1 726.08 W;運行速度60 km/h時,通過車體傳遞的熱量為2 529.60 W，通過車體傳遞的熱量差值為803.52 W。地鐵車輛空調(diào)的能效比約為2.2，以此計算，整車空調(diào)系統(tǒng)能耗值差值僅為365 W，差值很小。而且不同地鐵車輛的運行K值變化規(guī)律基本是相同的，在做能耗計算及對比時以靜止時K值為基準是可取的。

3 構(gòu)建通用工況

測試工況的建立必須兼顧各個地區(qū)不同的城市，需要制定統(tǒng)一的工況。地鐵線路分地下段和地上段，目前國內(nèi)地鐵車輛主要在地下運行，太陽輻射強度暫不在研究范圍之內(nèi)。

地鐵車輛在地下段運行時的溫濕度和氣象站的溫濕度是不同的，不僅受氣象參數(shù)影響，而且還與線路條件設(shè)置、隧道所在地土壤溫度、隧道壁面溫度以及隧道空氣初始溫度等有關(guān)。這就造成了不同城市、不同線路、不同建造時間的隧道內(nèi)空氣溫度的千變?nèi)f化，利用SES軟件可以把氣象溫度轉(zhuǎn)算成隧道內(nèi)的空氣溫濕度。但這樣不僅工程浩大，而且會使得構(gòu)建的工況失去通用性。因此，本文在保證一定精度的前提下采用氣象數(shù)據(jù)來保證該方法的通用性。

在不考慮太陽輻射強度并以車體靜止K值和靜止新風量為基準的情況下，環(huán)境溫度和載客量是最重要的變化因素，也是傳統(tǒng)意義上工況劃分的依據(jù)。

按照我國鐵路以往進行車輛熱工計算的慣例，北京以南地區(qū)制冷季氣候以武漢作為代表城市?？紤]地鐵車輛每天實際使用空調(diào)機組運行的時間為18 h，對各溫度發(fā)生時間進行統(tǒng)計[5]。空調(diào)機組在制冷季節(jié)需要制冷的各溫度發(fā)生時間見表3。

將夏季制冷時整個環(huán)境溫度劃分成4個區(qū)，22～25 ℃，26～29 ℃，30～33 ℃，34～40 ℃，通過加權(quán)平均計算出4個溫度區(qū)的試驗點溫度為23.5 ℃、27.5 ℃、31.3 ℃和35.2 ℃。這4個溫度點對應(yīng)的相對濕度分別是：80%、70%、65%和60%。參照GB/T 33193.2—2016[5]，4個工況節(jié)點修約為：22 ℃/80%、28 ℃/70%、31.5 ℃/65%和35 ℃/60%。

載客量劃分為25%定員、50%定員、75%定員和100%定員4個節(jié)點，除此之外，地鐵車輛還有空載狀態(tài)。因此，本文將載客量劃分為：0%(0～15%)、25%(15%～37.5%)、50%(37.5%～62.5%)、75%(62.5%～85%)和100%(≥85%)5個節(jié)點，定員為AW2定員。

根據(jù)以上劃分標準，可得具體靜止試驗工況，如表4所示。

(2) 車體K值應(yīng)滿足標準要求;

(3) 車內(nèi)實際平均溫度偏離表中規(guī)定值<±1K;

(4) 被試車新風量應(yīng)滿足標準和設(shè)計要求。

4 計算權(quán)重

為便于不同地區(qū)、不同型號的地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗做統(tǒng)一對比和評判，需要制定統(tǒng)一的工況和計算權(quán)重：通過統(tǒng)一的靜止試驗工況，采用相同的計算權(quán)重進行計算，繼而進行評判。本文為了驗證該方法的可行性與準確度，計算權(quán)重暫以被試車當?shù)氐挠嬎銠?quán)重進行計算。

4.1 研究對象

選取重慶地鐵6號線第45列車的Tc1車和Mp1車作為研究對象，每輛車安裝2臺頂置式、薄型單元式空調(diào)機組。該空調(diào)機組采用單冷型式、微機控制并具有自診斷功能。整列車采用6輛車編組，編組型式為=Tc*Mp*M=M*Mp*Tc=。其中，Tc為有司機室的拖車，Mp為帶受電弓的動車，M為不帶受電弓的動車，=為半自動車鉤，*為半永久牽引桿。列車載客能力見表5。

表5 重慶地鐵6號線地鐵列車載客能力表 人

4.2 當?shù)貦?quán)重

4.2.1溫度權(quán)重

對于重慶地鐵6號線第45列車而言，運行時間主要為6:00～22:00，統(tǒng)計重慶市3月30日至11月2日標準年氣象數(shù)據(jù)[6],可得各個時間溫度的時長,詳細數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 各個時間各溫度節(jié)點時長 h

4.2.2載客權(quán)重

對于載客量，隨日期變化規(guī)律不太明顯，主要隨時間變化，因此可以做出一個典型天的載客數(shù)據(jù)：統(tǒng)計工作日和非工作日載客變化規(guī)律，按照權(quán)重求其均值，即可得出典型天載客數(shù)據(jù)。圖1和圖2分別為Tc1車和Mp1車典型天載客變化情況。

圖1 Tc1車典型天載客變化

圖2 Mp1車典型天載客變化

4.2.3計算權(quán)重

綜合溫度權(quán)重和載客權(quán)重，可得當?shù)貦?quán)重，Tc1車和Mp1車的計算權(quán)重如表7所示。

表7 Tc1和Mp1車計算權(quán)重 %

5 能耗計算

5.1 計算模型

受制于場地和時間因素，不能對所有通用工況進行試驗測試，因此本文采用地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)制冷季能耗模擬計算AMESim模型[7]對被試車通用工況空調(diào)系統(tǒng)能耗進行計算。圖3為所建地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)制冷季能耗模擬計算AMESim模型。模型中包含了壓縮機模型、蒸發(fā)器模型、冷凝器模型、車廂熱系統(tǒng)模型以及車外氣象參數(shù)、新風參數(shù)、載客量等輸入接口及空調(diào)系統(tǒng)控制模塊和車廂新、回風補充模塊等。

圖3 空調(diào)系統(tǒng)制冷季能耗模擬計算AMESim整體模型

該模型的數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比如表8所示[8]。

表8 空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬計算及試驗結(jié)果對比表

由表8可知，計算模型具有較高的精度，可以用來計算地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)靜止工況制冷能耗。

5.2 計算結(jié)果

采用章節(jié)5.1的AMESim計算模型對各個通用工況計算，可得各個工況的能耗值，計算結(jié)果可見表9。

表9 Tc1車以及Mp1車各試驗工況空調(diào)系統(tǒng)能耗值及計算權(quán)重

每個工況的能耗值與其權(quán)重相乘并累加后，與總運行時長相乘可得Tc1車和Mp1車制冷季總能耗，詳見表10。實測能耗值是通過在被試車中安裝G4430能耗測試儀采集的。

表10 Tc1車和Mp1車制冷季能耗

由表10可知，誤差均在15%以內(nèi)，精度較高，該靜止試驗方法可以對地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)制冷季進行能耗預(yù)測。而且試驗工況均可在試驗室實現(xiàn)。即通過合理分配靜止試驗各個工況的權(quán)重進行測試和計算，得到的地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)制冷能耗具有較高的精度?？捎糜诘罔F車輛空調(diào)系統(tǒng)制冷能耗的計算和預(yù)測，繼而用于評價地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)。

5.3 通用權(quán)重

采用通用工況和本地權(quán)重計算地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)制冷季能耗具有較高的精度，這種方法是可行的。為了便于不同地區(qū)、不同型號的地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗做統(tǒng)一對比和評判，需要做出統(tǒng)一的通用權(quán)重。

對于通用權(quán)重中的溫度權(quán)重，可以按照本地權(quán)重的算法進行。按照我國鐵路以往進行車輛熱工計算的慣例，北京以南地區(qū)制冷季氣候以武漢作為代表城市。因此,在做通用權(quán)重時，溫度權(quán)重采用武漢溫度。

對于載客權(quán)重，則需要通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計載客變化規(guī)律,繼而得出各個載客分區(qū)的權(quán)重。

6 結(jié)論與展望

分析了地鐵車輛運行時與車輛靜止時的不同，研究了主要不同點對空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響:開關(guān)門以及運行車速對空調(diào)系統(tǒng)能耗影響不大。故在構(gòu)建通用靜止工況時不再考慮。

按照我國鐵路以往進行車輛熱工計算的慣例，北京以南地區(qū)制冷季氣候以武漢作為代表城市。通過統(tǒng)計武漢地區(qū)的溫度，并參照相關(guān)標準，構(gòu)建了通用靜止試驗工況。

以重慶地鐵6號線作為基礎(chǔ)做出了本地權(quán)重，并給出了通用權(quán)重的制定方法。

以重慶地鐵6號線第45列車的Tc1車和Mp1車作為研究對象，采用通用靜止試驗工況和本地權(quán)重，得到了空調(diào)系統(tǒng)制冷季能耗，并與試驗測試值進行對比，具有較高的精度，表明該方法是可行的。

為便于不同地區(qū)、不同型號的地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)能耗做統(tǒng)一對比和評判，需要在通用工況基礎(chǔ)上制定通用權(quán)重，這也是今后重點研究的方向。隨著數(shù)據(jù)的不斷增加,當?shù)貦?quán)重和通用權(quán)重會不斷更新和完善。