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軌道車輛空調(diào)的節(jié)能技術(shù)

文檔作者：王興江文檔來源：廣州中車軌道交裝備股有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年04月27日
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研究與開發(fā)
機電工程技術(shù)2011年第40第08期
軌道車輛空調(diào)的節(jié)能技術(shù)
王興江
廣州中車軌道交裝備股有限公司,廣東廣州510285
■摘要:從冷壓縮機的選和控制方面對軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)進行了述,介紹了適用于軌道車輛空調(diào)節(jié)能的幾種方案
并對幾種方案這幾種節(jié)能方案在軌道車輛上應(yīng)用特點進行了比較分析
關(guān)鍵詞:道車輛:空調(diào):節(jié)能;壓縮機;載;并聯(lián);變;數(shù)碼旋
中圖分類號:U270383
文獻標識碼:A文章編號:1009-9492(2011)08-0066-03
1引言
所謂定排量壓縮機就是壓縮機在工作過程中,其單位時間
軌道車輛空調(diào)機組是一種特殊的空調(diào)產(chǎn)品,它主要包
的排氣量保持不變,此時空調(diào)機組輸出的制冷量也不變,
括制冷(熱)系統(tǒng)和通風(fēng)裝置軌道車輛屬于移動建筑當車內(nèi)溫度達到設(shè)定目標溫度時,壓縮機停止工作,然后
空調(diào)產(chǎn)品要滿足風(fēng)吹、日曬、雨淋、震動、沖擊、載客量再以“開機一停機一開機”的工作方維持室內(nèi)的溫度。
大及空間狹窄等特殊要求,而在使用中往往強調(diào)制冷能力所謂變排量壓縮機是指壓縮機工作時的排氣量是可變的,
和高可靠性,長期以來忽視對能效比的考。不管是鐵路
在制冷的全過程中,壓機始終是工作的,制冷強度的調(diào)
旅客車輛還是地鐵車輛,通常是在車頂兩端或一段裝有兩
節(jié)是在空調(diào)控制器的控制下通過調(diào)整排氣量來實現(xiàn)的。
臺或一臺車頂單元式空調(diào)機組,典型軌道車輛空調(diào)機組通
空調(diào)機組中的核心部件是制冷壓縮機,電能的消耗主
常采用2臺壓縮機,組成兩個制冷系統(tǒng),空調(diào)機組的制冷
要來自于壓縮機,對于軌道車輛空調(diào)來說,盡管從設(shè)計到
量大、通風(fēng)量大、新風(fēng)量大、送風(fēng)距離遠,但是空調(diào)機組應(yīng)用都可以采取必要和可行的措施降低電力的消耗,達到
的尺寸空間到限制,制冷量的調(diào)節(jié)范圍小,只能通過壓節(jié)能的目的,但是最重要的也是最有效的就是想辦法降低
縮機的啟停來實現(xiàn),存在車和內(nèi)溫度波動大,能耗較多的壓縮機的能耗。通過選擇不同形式的壓縮機和不同的控制
問題
方式,既可以達到節(jié)能的效果,又可以達到減少車廂內(nèi)溫
在我國,鐵路車輛從20世紀80年代初開始加裝空度波動,提高車內(nèi)溫度制精度和提高舒適性的目的本

研究事
是指采用直流變頻控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的直流變頻壓縮機的
空調(diào)器．其節(jié)能效果最強。直流變頻壓縮機的獨特優(yōu)點在
于它摒棄了原有的“交流電壓一直流電壓一交流電壓一變
轉(zhuǎn)速方式交流電機” 的循環(huán)工作方式．采用先進的“交流
電壓一直流電壓一變轉(zhuǎn)速方式數(shù)字電機” 控制技術(shù)．減少
電流在工作中轉(zhuǎn)變次數(shù)，使電能轉(zhuǎn)化效率大大提高。
變頻空調(diào)在額定頻率運行時。由于變頻器本身需要消
耗少量功率， 與定頻空調(diào)相比能效比稍低．此時并不能節(jié)
能，所以在夏季變頻空調(diào)的節(jié)能效果并不明顯。但當空調(diào)
運行在低制冷負荷工況時，定頻空調(diào)需要通過開停壓縮機
來實現(xiàn)制冷能力調(diào)節(jié)，頻繁啟停壓縮機導(dǎo)致能耗增加。而
變頻空調(diào)通過自動調(diào)整合適的壓縮機運行頻率．實現(xiàn)“不
停機運轉(zhuǎn)”，從而達到節(jié)能的目的。
為降低年度能耗， 實現(xiàn)長遠意義上的節(jié)能，需要對壓
縮機采取高效運行的有效控制．利用專用的車輛空調(diào)控制
器，通過溫度傳感器反饋車內(nèi)回風(fēng)溫度、新風(fēng)溫度甚至通
過重量傳感器反饋車內(nèi)乘客的多少．按照UIC553國際鐵
路聯(lián)盟標準中規(guī)定的溫度曲線自動控制壓縮機的工作頻
率，實現(xiàn)了“無級”調(diào)速，使壓縮機始終處在最好的工作
狀態(tài)，不僅提高了舒適程度．而且大幅度節(jié)能。
變頻空調(diào)不但具有明顯的節(jié)能效果。還可以實現(xiàn)軟啟
動，壓縮機啟動電流小，不會造成對供電系統(tǒng)的沖擊，空
調(diào)機組工作初期，通過提高壓縮機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)快速制冷．降
溫速度可以比定頻空調(diào)提高1～2倍，穩(wěn)定工作后。車內(nèi)空
氣溫度變化波動小，提高乘客的舒適性。
變頻壓縮機的工作必須配以變頻器控制。變頻器的可
靠性嚴重影響到空調(diào)機組運行的可靠性，變頻器除了滿足
其基本功能外，還必須滿足軌道車輛上空間緊張、散熱條
件差、震動、沖擊、電磁干擾的影響，國內(nèi)開發(fā)的變頻器
在車輛上應(yīng)用還難以滿足可靠性的要求．對軌道車輛變頻
空調(diào)的推廣形成制約。
3壓縮機并聯(lián)工作的節(jié)能
壓縮機并聯(lián)技術(shù)，是指在一個制冷系統(tǒng)中將兩個或多
個小冷量的壓縮機并聯(lián)使用。代替一個大冷量壓縮機的技
術(shù)_2]。在軌道車輛空調(diào)機組中，通常具有兩個獨立的制冷
系統(tǒng)，每個制冷系統(tǒng)中配置兩臺壓縮機并聯(lián)使用。
軌道車輛空調(diào)運用壓縮機并聯(lián)技術(shù)具有非常明顯的優(yōu)
點。
一是降低了空調(diào)機組的高度， 避免使用臥式壓縮機。
對于軌道車輛尤其是地鐵輕軌車輛來說， 空調(diào)機組都是安
裝在車輛頂部，如果選用立式渦旋壓縮機，空調(diào)機組的高
度尺寸較高， 由于車輛限界的限制，絕大部分地鐵輕軌車
輛的空調(diào)機組必須設(shè)計成薄型結(jié)構(gòu)，只能使用臥式壓縮
機。能夠滿足車用條件的臥式壓縮機價格很貴，采用壓縮
機并聯(lián)技術(shù)可以用立式渦旋壓縮機替代臥式渦旋壓縮機，
既降低了空調(diào)機組的高度尺寸．又降低了空調(diào)機組的成
本
二是可以實現(xiàn)節(jié)能控制。采用壓縮機并聯(lián)技術(shù)的空調(diào)
機組中有四臺壓縮機，通過控制壓縮機的工作臺數(shù)，實現(xiàn)
25％ 、5O％ 、75％及100％ 四級制冷量調(diào)節(jié)．保證機組以最
經(jīng)濟的運行方式進行工作，最大限度節(jié)約能源。
三是提高系統(tǒng)運行的可靠性，保證系統(tǒng)在部分壓縮機
損壞情況下，能繼續(xù)工作，不至于因部分壓縮機損壞而導(dǎo)
致空調(diào)機組不能制冷。
壓縮機并聯(lián)使用的技術(shù)難點是回油問題，空調(diào)機組工
作時，少量的潤滑油與排出氣體一起進入系統(tǒng)， 隨著整個
系統(tǒng)的正常運行．必須使這部分油與制冷劑一起在一定的
比值下返回到壓縮機．并且要做到兩臺壓縮機的回油量一
致，保持其系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率和各臺壓縮機曲軸箱的正常油
位?；赜偷姆椒ê芏啵容^適合于軌道車輛空調(diào)的是在兩
臺并聯(lián)壓縮機之間加裝均壓管和均油管。在空調(diào)機組工作
時配合時間控制，使壓縮機周期性地重啟， 可以確保壓縮
機工作時壓力和油的平衡，使壓縮機安全、正常工作。
壓縮機并聯(lián)使用時， 可以分級啟動．減小啟動電流。
可以實現(xiàn)多級能量調(diào)節(jié)， 通過分級控制．適應(yīng)車廂內(nèi)空
調(diào)負荷的變化，減少車廂內(nèi)溫度波動。兩臺壓縮機既可
以同時工作，也可以根據(jù)負荷情況單臺工作。由于兩臺
壓縮機并聯(lián)在一個冷媒循環(huán)系統(tǒng)中， 當同一制冷系統(tǒng)中
一臺壓縮機停止，另一臺壓縮機工作時，制冷量遠大于
同時工作時的平均制冷量，能效比大幅度提高。根據(jù)試
驗數(shù)據(jù)， 當滿載工作時，空調(diào)機組的能效比約為2．1． 當
半載工作時即兩個系統(tǒng)中各有一臺壓縮機工作時．空調(diào)
機組的能效比達到2．7。
4活塞壓縮機卸載功能的節(jié)能
活塞式制冷壓縮機在軌道車輛空調(diào)中已經(jīng)很少使用．
主要是因為其體積大、重量重、COP值不高且易損件較
多， 目前，我國軌道車輛包括鐵路客車和地鐵輕軌車輛，
基本上都是用渦旋壓縮機。而博客公司開發(fā)的軌道車輛等
移動設(shè)備用的半封閉活塞式壓縮機，由于采用了鋁合金外
殼和2極電機， 其體積和重量都比傳統(tǒng)的活塞壓縮機小，
可以滿足車輛空調(diào)的使用要求。該壓縮機裝有能量調(diào)節(jié)
閥，能量調(diào)節(jié)范圍為50％ 和100％ ，可變頻運行在15
50Hz的頻率范圍內(nèi) 。但由于這種特殊的活塞式制冷壓
縮機價格較貴，且傳統(tǒng)的鐵路車輛空調(diào)已經(jīng)完成了從半封
閉活塞式壓縮機到全封閉活塞式壓縮機再到全封閉渦旋式
壓縮機的過度， 所以沒有應(yīng)用的潛力。只是在地鐵車輛
上，作為多種可用壓縮機之一，增加了一種選擇。
5數(shù)碼渦旋壓縮機的節(jié)能
數(shù)碼渦旋壓縮機是艾默生谷輪公司基于其渦旋壓縮機
的軸向柔性原理開發(fā)的最新容量調(diào)節(jié)壓縮機。數(shù)碼渦旋壓
縮機的控制循環(huán)周期包括一段“負載期” 和一段“卸載
期”。負載期間，壓縮機像常規(guī)渦旋壓縮機一樣工作，傳
遞全部容量，壓縮機輸出為100％ 。卸載期間。由于壓縮
機的柔性設(shè)計．兩個渦旋盤在軸向有一個微量分離．不再
有制冷劑通過壓縮機，壓縮機輸出為0。數(shù)碼渦旋壓縮機
一個工作“周期時間” 包括“負載狀態(tài)” 時間和“卸載狀
態(tài)” 時間， 這兩個時間的不同組合決定壓縮機的容量調(diào)
節(jié)。通過改變這兩個時間，就可以在10％一100％的范圍內(nèi)
調(diào)節(jié)壓縮機的輸出容量L4]。
數(shù)碼渦旋系統(tǒng)具有其獨特的優(yōu)點?？赏ㄟ^改變負載和
卸載周期時間調(diào)整容量，在10％～lo0％范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)
節(jié)。由于壓縮機在負載周期內(nèi)滿負荷運行，負載周期內(nèi)的
氣體速度足以使油回至壓縮機，所以使用數(shù)碼渦旋壓縮機
無需擔(dān)心回油問題， 即使在負荷最低時都可以使?jié)櫥突?
到壓縮機。數(shù)碼渦旋系統(tǒng)能使容量低至10％ ，所以無需旁
通管，使系統(tǒng)簡化[57。渦旋盤的負載和卸載只是在電磁閥
控制下的一個簡單的機械操作，系統(tǒng)不需要配套變頻器或
變頻模塊，所以數(shù)碼渦旋系統(tǒng)產(chǎn)生極小的電磁干擾。增加
了可靠性和簡易性， 當用于軌道車輛空調(diào)時，具有明顯的
電磁兼容優(yōu)勢。
數(shù)碼渦旋壓縮機用于軌道車輛空調(diào)時，具有結(jié)構(gòu)和控
制系統(tǒng)都較簡單的優(yōu)點，將傳統(tǒng)車輛空調(diào)的普通渦旋壓縮
機換成數(shù)碼渦旋壓縮機即可，可以獲得理想的精度控制和
節(jié)能效果
壓縮機的高度尺寸是影響空調(diào)機組高度尺寸的主要因
素。目前還沒有臥式數(shù)碼渦旋壓縮機，立式數(shù)碼渦旋壓縮
機自帶的控制電磁閥位于頂部．又增加了壓縮機的總體高
度尺寸，所以地鐵輕軌車輛空調(diào)無法使用數(shù)碼渦旋技術(shù)，
對于鐵路車輛來說。也只有部分空調(diào)機組可以接受數(shù)碼渦
旋壓縮機的高度尺寸， 由于不能實現(xiàn)系列化應(yīng)用．難以推
廣使用， 目前只能是試驗性應(yīng)用。
6幾種節(jié)能方案在軌道車輛上的應(yīng)用與比較
通過壓縮機的選型和控制可以有效地降低空調(diào)機組的
能耗，采用變頻壓縮機并配以變頻器、壓縮機并聯(lián)技術(shù)、
具有卸載功能的活塞壓縮機以及數(shù)碼渦旋壓縮機．都可以
達到節(jié)能的目的。在實際應(yīng)用上，除了數(shù)碼渦旋，其它方
案都有少量的應(yīng)用案例．應(yīng)用最早的是廣州中車股份引進
日立技術(shù)生產(chǎn)的薄型車輛變頻空調(diào)，從2004年開始就用
于重慶單軌列車項目
從各種節(jié)能方案的使用效果來看．的確有一定的節(jié)能
效果．為節(jié)能空調(diào)的推廣和普及奠定了一定的基礎(chǔ)。但是
由于應(yīng)用案例不夠多，尤其是還沒有長時間、系統(tǒng)性的測
試數(shù)據(jù)，缺少節(jié)能應(yīng)用的量化數(shù)據(jù)，每種方案都有其優(yōu)勢
的一面也有其不足的地方，所以很難下結(jié)論說哪種方案是
最好的。下面按照一臺空調(diào)機組的配置對各種方案進行定
性比較。為了便于比較。對上述各種方案在車輛上的應(yīng)用
配置給以定義。 “變頻控制” 方案指一臺空調(diào)機組用兩臺
變頻壓縮機和兩臺變頻器： “兩組并聯(lián)”方案指一臺空調(diào)
機組用四臺壓縮機，每兩臺壓縮機并聯(lián)為一組： “活塞卸
載” 方案指一臺空調(diào)機組用兩臺帶卸載功能的活塞壓縮
機； “數(shù)碼渦旋” 方案指一臺空調(diào)機組用兩臺數(shù)碼渦旋壓
縮機。表1是從各個角度對上述四種方案的比較。
表1 各種節(jié)能方案的比較
注 ：指采用臥式渦旋壓縮機時。
7結(jié)束語
調(diào)節(jié)空調(diào)機組的制冷能力． 可以達到提高車內(nèi)溫度精
度和節(jié)約能源的雙重目的．旅客對提高舒適度的要求和業(yè)
主對節(jié)能的要求都越來越高，隨著更多的項目開始使用節(jié)
能技術(shù)產(chǎn)品，將推動節(jié)能空調(diào)在軌道車輛上的普及應(yīng)用，
節(jié)能空調(diào)的技術(shù)亦將Et趨完善和成熟。
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作者簡介：王興江，男，1956年生，遼寧人，大學(xué)本科，高級工
程師。研究領(lǐng)域：軌道車輛制冷與空調(diào)。
f編輯：向 飛)

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