地铁车辆空调系统设计及节能技术王 正,易 柯(南车株洲电力机车有限公司技术中心,湖南株洲 412001)摘 要:介绍了宁波市轨道交通1号线地铁车辆空调系统的设计方案,详细介绍了空调系统中空调机组、空调控制系统、通风单元、风道、采暖系统及紧急逆变器等部件的技术参数及空调系统采用的节能技术。关键词:地铁车辆;空调系统;节能技术doi:10.3969/j.issn.1006-8554.2013.04.003

1 概述宁波市轨道交通1号线(以下简称宁波1号线)地铁车辆空调系统是南车株洲电力机车有限公司在自主研发的B型车平台空调系统上研发的新型节能型空调系统。该空调系统基于成熟的技术平台进行开发,主要由空调机组、空调控制系统、司机室通风单元、风道、废排、采暖系统及紧急逆变器及其他部件组成。该空调系统采用具有卸载功能的压缩机,单台机组可实现制冷量多级调节,并且采用电动新风调节门措施,新风门可实现多档调节,能根据载客量信号自动调节进入机组内的新风量,从而减少新风带来的负荷,实现节能。2 空调系统布置宁波1号线空调系统由单元式空调机组、空调控制系统、司机室通风单元(仅Tc车司机室)、风道、废排、座椅电加热器、紧急逆变器、足部取暖器(仅Tc车司机室)及其附属部件等组成。单元式空调机组分别安装在每节车厢车顶两端1/4和3/4处,每节车2台;空调控制系统安装在客室空调柜内,每节车1个,空调柜布置在车辆的I位端或II位端;风道布置在车辆的天花板上方,每节车一套,由4段组成;废排布置在车顶中间及I位端或II位端,每节车4个;采暖系统分司机室采暖和客室采暖,司机室采暖由司机室通风单元内的电加热器及足部取暖器组成,客室采暖由机组电加热和座椅电加热组成,机组电加热布置在空调机组内,座椅电加热器布置在座椅下方。空调系统布置见图1所示。

1)司机室通风单元;2)单元式空调机组;3)废排;4)风道;5)空调控制系统;6)紧急逆变器;7)座椅电加热器;8)足部取暖器图1 空调系统示意图3 主要技术参数空调系统主要设计参数夏季车外计算参数:干球温度:35e;相对湿度:65%;夏季车内计算参数:干球温度:27e;相对湿度:65%;车体表面积:198m2;车辆平均传热系数:2.4W/m2#K;总风量:8500m3/h;新风量:2600m3/h;车内定员:250人;制冷量:2@37kW4 空调系统的主要部件4.1 空调机组本空调系统采用具有成熟应用业绩的薄型单元式空调机组,所有必需的部件均安装在不锈钢壳体内。壳体采用不锈钢板材经焊接和铆接构成。空调机组由1个空气处理室、1个压缩室和1个冷凝室组成,空调机组主要技术参数见表1所5

技术与市场技术研发2013年第20卷第4期示,其制冷原理图见图2所示。

图2 制冷系统原理图表1 空调机组主要技术参数序号名称技术参数1外形尺寸(mm)3500(L)@1600(W)@330(H)(不包括安装座)2额定制冷量(kW)373通风量(m3/h)42504新风量(m3/h)13005电加热(kW)2@3.5kW6重量(kg)6664.2 空调控制系统空调控制系统采用微机控制器作为核心控制单元,外围采用断路器、接触器、继电器、传感器等元件,共同完成空调系统的控制、保护和故障诊断功能。空调控制器及其断路器、接触器等电气元件都集成安装在空调控制板上,空调控制板安装在客室内部的空调柜内。空调控制系统通过控制空调机组,将车内温度保持在舒适的环境下。同时,控制系统将对空调机组进行诊断,将空调系统各元件的状态信息以及故障信息发送给车辆控制器。每节车内的空调控制器通过总线结构与列车网络进行通讯,空调控制系统可对空调系统进行集中控制和本地控制。集中控制:司机室设有控制开关,在司机室内可对整列车空调进行开启/关闭操作。还可以通过HMI对整列车空调系统目标温度进行集中设定。本地控制:每节车空调电气柜中设有控制盘,控制盘上设有模式选择开关,能够对空调系统工作模式进行选择。空调控制系统的主要技术参数如下:电源:DC110V;海拔:[1200m;控制盘外形尺寸:约为1530mm(L)@600mm(W)@200mm(H);重量:57kg;4.3 司机室通风单元司机室通风单元安装在司机室天花板上,端部设有两个圆管接头,通过圆管风道与客室风道相连。空调机组内吹出的经处理的空气经客室风道、两段软风道进入司机室通风单元,经通风机增压后通过8个可调喷嘴向司机室送出。司机室通风单元的送风量可三档调节,其三档送风量分别为:240m3/h、410m3/h、645m3/h。通风单元运行在不同档位时,能够满足不同的外界环境条件下司机室的制冷量要求。同时,通风单元内设置2kW的电加热器,用于冬季采暖。4.4 风道风道包括送风道和回风道。4.4.1 送风道送风道安装在车顶天花板上方,全部为静压式风道,包括空调机组下方也为静压风道,以保证出风口送风的均匀性。其工作原理是空调机组送出经过滤、冷却的空气经风道进风口进入送风道,在沿送风道推进过程中进入静压箱进行静压平衡调节,使得送风道在不同截面上具有不同静压的空气在静压箱中得到平衡,并形成一定的静压值。空气通过静压箱上的开口将静压转换成一定的动压喷射到车厢内,从而达到均匀送风的目的。每节车由相同的4段风道组成,每台空调机组负责为2段风道送风。送风道的断面道示意图见图3所示。

图3 静压风断面道示意图6

技术研发TECHNOLOGYANDMARKETVol.20,No.4,20134.4.2 回风道回风道安装在车顶天花板上方,与空调机组回风口相连,客室内回风通过回风格栅,经回风道进入空调机组循环使用,与新风混合后,经过滤、处理后送入车内。每节车有2个回风道,分别与两台机组的回风口相连。4.5 废排每节车在车顶中间及I位端或II位端共安装有4个废排,车内与新风量等量的一部分空气作为废气,通过设在车辆顶部的废排排出车外,以保证客室内气压保持在正常水平。4.6 采暖系统采暖系统分为司机室采暖和客室采暖。4.6.1 司机室采暖司机室采暖由司机室通风单元内的2kW电加热器及司机台下方的800W足部取暖器组成,司机室通风单元电加热器和足部取暖器均可半暖和全暖控制。冬季采暖时,可确保室外-3e时,司机室内温度不低于14e。4.6.2 客室采暖宁波1号线空调采暖系统采用机组电加热与座椅电加热相结合的方式。采用此种采暖方式,机组电加热可对新风进行预热,避免冷风从机组吹出;客室座椅电加热均匀布置在座椅下方,对室内空气进行加热,可使客室内空气更加均匀。采用此种采暖方式,冬季采暖时,可确保室外-3e时,客室内温度不低于12e。机组电加热器布置在机组内蒸发器后方,功率为每台机组7kW,可实现半暖和全暖控制,且设有二级温度保护。每节车机组电加热功率为14kW。座椅电加热器均匀地布置在客室座椅下方,有750W和500W两种规格,电加热器内部设有二级温度保护,确保冬季采暖时安全可靠。Tc、Mp、M车座椅电加热器功率分别为8.5kW、10kW、10.25kW,座椅电加热器布置图见图4所示。座椅电加热也可半暖和全暖控制。

图4 座椅电加热布置图4.7 紧急逆变器紧急逆变器安装在每节车的空调电气柜中,安全可靠,并且便于日常维护。当电源中断或辅助交流电源发生故障,造成空调机组3相AC380V、50Hz断电时,空调控制系统将自动启动紧急通风。紧急通风时由车载蓄电池提供DC110V电源,由紧急逆变器逆变输出为三相交流电源,给空调机组通风机供电,为客室和司机室提供通风45min以上,风量不小于3200m3/h和60m3/h。紧急逆变器的主要技术参数如下:输入电压:DC110V(DC77V~DC137.5V);额定输出电压:3相AC220V?5%;额定输出频率:35Hz?0.5Hz;输出电压波形:准正弦波;输出电压31次以下相对谐波含量:[5%;额定输出容量:1.1kVA;额定效率:\85%。4.8 其他部件宁波1号线空调系统的其他部件,主要是空调排水管和回风温度传感器。4.8.1 空调排水管空调排水管安装在空调机组平台下方,连接车体积水盒与车体雨檐,并且积水盒和雨檐存在一定的高度差,确保空调水和雨水顺利地排出。每台空调机组4根排水管,每节车共8根。7

技术与市场技术研发2013年第20卷第4期4.8.2 回风温度传感器回风温度传感器安装在客室天花板上方的回风道上,用于监测客室内的回风温度,并将温度信号反馈给空调控制系统,用于客室内温度控制,每个回道上安装1个,1节车2个。5 节能技术宁波1号线空调系统设计充分采用节能技术,最大限度地实现了节能。在该系统中,采用具有卸载功能的压缩机技术及新风门调节技术,可根据载客量自动实现制冷量0%、35%、50%、70%、85%、100%六级调节及新风门全闭、1/3开、2/3开、全开四档调节。采用此两种节能技术,在保证车厢舒适度的同时,实现了节能。5.1 采用具有卸载功能的压缩机技术压缩机是空调机组中耗能最大的部件。制冷量为37kW的机组中,压缩机的耗电量约占空调机组耗电量的76%左右。因此,如何降低压缩机的能耗,是降低空调机组能耗的关键因素。制冷量为37kW的机组中,普通压缩机无卸载功能,其单台压缩机,只要开启,其输入功率均为7kW。具有卸载功能的压缩机有70%、100%两种输出容量,其在70%和100%输出容量时对应的输入功率分别为4.9kW和7kW。因此,在35%和70%制冷工况下,宁波1号线空调系统节能比达到了30%,节能效果显著。5.2 采用电动可调新风门技术在轨道交通车辆空调中,新风能耗约占空调总能耗的40%以上甚至更高。因此,减少新风负荷是轨道交通车辆节能的有效途径。该空调系统的新风量可调就是出于这一目的,使空调机组的新风量随着乘客负载进行变化,以减少空调机组在制冷模式下的功耗。该空调系统的单节车总的新风量为2600m3/h,其电动新风门可实现全闭、1/3开、2/3开、全开四档调节,其调节方案及在不同档位下减少的新风量见表3所示。表3 新风调节方案及不同档位下减少的新风量

序号每节车乘客数量(人)每节车新风量(m3/h)减少的新风量(m3/h)新风门档位1000全闭21~8090017001/3开381~16017009002/3开4>16026000全开

从表3可看出,采用新风门调节技术,在载客量较少时可减少新风输入,从而减少新风带来的负荷,实现节能,且节能效果显著。6 结语宁波1号线车辆空调系统是基于南车株洲电力机车有限公司B型车平台空调系统基础上开发的节能型空调系统。该空调系统技术成熟、可靠,同时采用了具有卸载功能的压缩机及新风门调节技术,具有显著的节能效果。参考文献:[1] 赵荣义,范存养,薛殿华,钱以明.空气调节[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.[2] GB/T7928-2003,地铁车辆通用技术条件[S].[3] TB/T1957-91,铁路空调客车热工计算方法[S].基金项目:2012年度宁波市第三批科技项目5轨道交通车辆轻量化技术的研究与应用6(2012C5008)作者简介:王 正,2008年毕业于湖南农业大学机械设计制造及其自动化专业,现从事城轨车辆研发工作。