7716夏迅7738范强龙轨道车辆变频空调的可推广性研究讲解.docx

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7716夏迅7738范强龙轨道车辆变频空调的可推广性研究讲解

轨道车辆变频空调机组的

应用及可推广性研究

组员：

20127716夏迅

20127738范强龙

指导老师：

殷俊

成绩：

2015.6.18

摘要

从采用变频技术这个方面介绍轨道车辆变频节能空调机组节能原理。

在上海轨道交通5号线上，选取列车进行了安装测试，介绍轨道车辆变频节能空调机组的实际应用效果，为变频空调在轨道车辆空调中的推广应用提供一定的借鉴作用。

空调装置是轨道车辆系统的重要组成部分，在保证旅客舒适性方面具有重要作用，其能源消耗、环保舒适、可靠运行等方面一直以来都是轨道车辆空调行业的重要研究课题。

目前我国能源利用现状令人堪忧，能源储备总量丰富，但人均不足，而且利用效率低，浪费严重。

随着国际社会对环保要求的日益提高，我国也承诺：

到2020年，单位GDP二氧化碳排放下降40%～45%；非化石能源比

重达到15%左右；森林面积增加4000万亩，储蓄量比2005年增加13亿立方米。

这使轨道交通行业包括轨道车辆及其空调装置，在节能减排方面的技术进步面临着新挑战和发展机遇。

关键词：

城市轨道交通；列车；变频空调；节能

TOC\o"1-3"\h\u一.变频空调技术优势及应用4

1.1变频空调的原理4

1.2变频空调技术优势4

1.3变频空调技术应用4

1.4变频空调机组运行的可靠性5

1.5变频空调客室温度的舒适性6

二.变频空调节能效果及数据分析8

2.1制冷比较8

2.2节电率比较8

2.3低速运行下理论能效比提高9

2.4低速运行下压缩机的容积效率提高10

2.5低速运行下开关损耗减少10

三．变频空调机组的可推广性10

四.结论11

五．参考文献11

一.变频空调技术优势及应用

1.1变频空调的原理

所谓的“变频空调”是与传统的“定频空调”相比较而产生的概念。

众所周知，轨道交通空调常用电压为380伏、50赫兹，在这种条件下工作的空调称之为“定频空调”。

由于供电频率不能改变，传统定频空调的压缩机转速基本不变，依靠其不断地“开、停”压缩机来调整室内温度。

而与之相比，“变频空调”变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速。

依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，室温波动小、舒适度较好。

1.2变频空调技术优势

据清华大学热能系教授、博士生导师韩礼钟介绍,现在国内轨道车辆生产过程中大量使用的单冷定速空调,还是上世纪60年代从日本引进后改造而来,已大大落后于世界轨道车用空调的技术水平。

中国南方机车车辆总公司技术专家委员会委员宁德容认为,根据行业调查,我国现有铁路、地铁、城铁车用空调机组基本上是单冷定速空调,其中新造铁路车辆的98%仍采用单冷定速空调机组。

目前我国刚上路运行的动车组空调大部分是日本、德国进口空调,其中从德国进口的仍是定速空调。

我国轨道交通空调节能的空间很大。

变频空调技术是传统定速空调的产业升级技术,具有巨大节能潜力,在国外使用较为普遍。

韩礼钟教授说,与传统定速空调相比,变频空调温度风速可调,节能环保,制造和运行成本低。

2006年12月,长春轨道公司在轻轨车辆中改装我国朗进集团开发的变频热泵空调,多组试验显示,变频热泵空调比传统定速空调的节电率高达55%。

清华大学热能系副教授李辉表

示,清华大学专家组多年实验显示,变频空调技术的节能节电潜力仍有较大空间,低频运行时其效率比定速空调高出1至2倍。

　　朗进集团董事长李敬茂说,新型变频节能空调的制造和维护成本也大大低于传统定速空调。

目前,一节城市轻轨车厢采用国产的传统定速空调机组,总配套价格60万元左右,而采用新型变频热泵空调机组,总配套价格只有32万元左右,节约成本近50%。

1.3变频空调技术应用

上海轨道交通5号线在我国轨道车辆变频空调技术应用上率先破冰。

自2009年8月起，对现役空调机组进行改造，将原定频空调机组更换为变频热泵空调机组，共涉及17列列车，136台空调。

实际运营结果表明，变频空调机组解决了原定频空调机组存在的诸多问题，同时在节能方面也取得了良好效果。

为验证变频空调实际运行节能效果，将其中2列列车作为变频空调定频空调耗电量对比的试验车辆，2列列车的TC1、MP1车厢均安装变频空调，MP2、TC2车厢均安装定频空调，每天记录每台空调耗电量，以计算变频空调的节电率。

2009年10月，节能试验车辆开始运行，截至2010年10月共1年时间，制冷年度的平均节电率为31%，制暖年度的平均节电率为69.3%，全年平均节电率为50.15%，显示了变频空调比定频空调在节电能力上的优势。

1.4变频空调机组运行的可靠性

变频空调机组的控制方式是：

主控制板定时采集室内温度，由当前室内温度与设定温度的温差计算压缩机电设定频率，变频器平滑调整压缩机转速，达到能力输出实时跟随负荷需求变化的目的。

变频空调在制冷、制暖、系统压力、故障报警等功能参数上均有全面的硬软件保护，可以保障空调稳定可靠运行。

以上海轨道交通5号线车辆变频空调为例，2009年10月—2010年10月运行期间（包括上海世博会时期），17列列车变频空调机组取得了低故障率、零投诉率的佳绩，以其稳定运行、节能舒适等优点获得了运营方的肯定。

上海轨道交通5号线车辆变频空调与定频空调运行1年时间内的平均无故障距离（MDBF）数据对比见图1。

图一定频空调与变频空调MDBF对比

由图2可见，变频空调2—7月MDBF值明显优于定频空调，8—11月2种空调MDBF值相当。

在夏季高温天气情况下，变频空调故障率仍能保持在较低的水平上。

变频空调比定频空调可靠性高，是由于变频空调能根据实际客室负荷进行适当的能力调节。

即使夏季最热的8月也有29.8%的节电能力，说明变频空调工作在部分负荷的情况，正是由于变频空调这种优越的自我调节能力，使变频器与空调系统的可靠性大幅提高，从而保证了变频空调系统的整体可靠性高于定频空调系统。

1.5变频空调客室温度的舒适性

变频空调在客室温度调节控制上，采用模糊控制算法及精确的回差控制技术，使温度变化曲线更加平滑，人体感受更为舒适。

在上海轨道交通5号线轨道车辆正线运营中，检测并记录以下数据内容：

每天在7：

00、9：

00、13：

00、15：

00和17：

00分别在两节车6个位置检测客室温度，并进行详细数据记录。

要求将每天客室内温度数据整理成表，绘制全天客室温度曲线，观察温度波动范围。

6个温度检测位置点是：

T1（末端1），T2、T3、T4、T5、T6（末端2）。

检测位置点示意图见图2。

图二车辆客室温度检测点位置示意图

由温度曲线（见图3）可以看出：

变频空调温度曲线与UIC553标准温度曲线基本吻合，客室温度稳定，曲线平滑，波动范围小；而定频空调温度曲线在不同时段的客室温度差异较大，温度曲线陡峭，波动范围大。

由此可见，变频空调在客室温度舒适性方面有着明显优势。

图三定频空调与变频空调某天客室曲线对比

二.变频空调节能效果及数据分析

2.1制冷比较

在客室温度一致条件下，上海轨道交通5号线轨道车辆空调节能试验车辆对比实测节能效果如下：

在2012年10月—2013年10月试验期间，全年夏季（5—10月）制冷平均节电率为31%；在环境温度最高的8月，节电率达到29.8%；9—10月制冷平均节电率为41.3%；制暖平均节电率为69.3%（变频空调与电加热对比）。

全年变频空调比定频单冷空调平均节电率为50.15%。

2.2节电率比较

变频空调节电数据分析（以2013年8月为例）。

变频空调节电率=（定频空调机组用电量－变频空调机组用电量）/定频空调机组用电量×100％。

图4、图5为节能车辆2013年8月节电数据曲线图，直观地反映了变频空调优良的节电能力。

计算得出变频空调机组节电38%左右，即使在上海气温高达40℃以上时，变频空调机组的平均节电率仍达35.2%，月最低节电率也达到23.88%，显示了变频空调机组优良的节电能力。

图四2013年8月501车节电数据曲线

图五2013年8月517车节电数据曲线

2.3低速运行下理论能效比提高

当蒸发温度T0不变、压缩机降低运行频率时，压缩机功率降低。

同时冷凝器换热面积不变，则相对换热面积增大，所以，冷凝温度Tk’降低，循环状态参数的变化情形如图6所示。

若冷凝温度由Tk’降低到Tk则1-2’-3’-4’-5’-6’-1变化为1-2-3-4-5-6-1。

比较这2个循环可知，其性能指标发生了下列的变化：

（1）单位制冷量由q0’增大到q0；

（2）单位压缩功由w0’减小到w0。

由此可得出结论，当蒸发温度T0不变而压缩机降低频率时，由于冷凝器相对换热面积的增加，单位制冷量增加，同时压缩功减小，制冷能效比显著提高。

图六制冷循环状态

2.4低速运行下压缩机的容积效率提高

由于压缩机余隙的存在，例如活塞式压缩机，由于活塞和汽缸底部不能碰撞接触而存在一块空间，此空间称为余隙容积。

压缩后的高压气体排出后，留在余隙容积的气体在吸气时膨胀，占据了一部分吸入气体的比例。

此比例受压比的影响较大，当压比达到一定程度时，容积效率为0，无气体排出。

低频下，压比降低，容积效率提高，消耗相同功率的情况下，低频运行时压缩机排气的气体流量增加，能效比增加。

2.5低速运行下开关损耗减少

定速压缩机从开机到建立制冷、制热所需的压力，大约需要30  s～1  min时间，这期间是以满功率运转。

当达到车厢规定的温度时停机，然后高低压平衡而卸掉压力。

每次开关机造成的这一压力损耗定义为开关损失。

假设每次运行4  min，其中的开关损失1  min，每次损耗最大约占实际耗电量的25%，可见用开关维持恒温损失是比较大的。

3．变频空调机组的可推广性

我国“十二五”规划要求：

在5年内GDP能耗降低16%，节能减排约束目标更高，难度明显加大，任务更加艰巨。

2011年是“十二五”规划的第一年，规划明确指出：

“十二五”期间将加大重点耗能企业节能减排力度，变地方政府监管为中央直接监管。

在节能减排、加强环保等强制性的政府管理措施下，变频技术成为提升空调能效等级，达到国家规定新能效标准的有效途径。

轨道空调能源消耗在轨道车辆运行能耗中占有很大比例，节能降耗能力亟待提高。

变频空调的发展及应用填补了国内轨道车辆空调行业变频技术的空白，大幅度提高了轨道车辆的节能降耗能力，满足“十二五”规划绿色环保要求，并在客室温度舒适性及运行稳定性等方面具有更好的优越性。

可以预见，变频空调必将在未来轨道车辆中拥有非常广阔的市场应用前景。

在购置成本方面，虽然变频空调机组单机造价比定频空调稍高，但应用变频空调后可减少车辆辅助控制柜、紧急通风逆变器等部件，所以变频空调整体应用成本并不高于定频空调的应用成本。

随着电子产业的迅速发展，电子器件成本也越来越低。

可以展望，变频空调技术将成为轨道车辆空调行业在节能、可靠性、舒适性领域的重要发展方向。

四.结论

根据变频空调机组在上海轨道交通5号线运行1年的实际效果及测试数据，有力地证明了变频空调机组适用于轨道交通车辆。

在可靠性、客室舒适性及节能效果等方面有明显的优越性，符合乘客对轨道交通行业的高标准要求和国家节能减排的政策导向，具有广泛的推广应用价值。

采用变频节能轨道车辆空调后，全年可实现节能30%以上。

轨道车辆变频节能空调，适应轨道交通和空调技术向节约型和智能化方向转变的需求，其可观的节能能力将产生巨大的经济效益和社会效益。

五．参考文献

[1]李晓江.轨道交通和其他交通方式需协调发展[EB/OL].[2010-03-18].

[2]GBT19842-2005轨道车辆空调机组[S].2005.

[3]刘豹.现代控制理论[M].2版.北京：

机械工业出版社，2000.

[4]张少军,杜金城.交流调速原理及应用[M].北京：

中国电力出版社，2003.