青岛市轨道交通车辆采用变频空调满足节能舒适健康的应用研究

陈萍张永利李超

青岛市轨道交通车辆采用变频空调满足节能舒适健康的应用研究

陈萍1张永利2李超2

（1.青岛地铁集团有限公司，266000，青岛；2.山东朗进科技股份有限公司，266071，青岛//第一作者，高级工程师）

通过对青岛市地区气象条件和轨道交通11号线运营需求技术分析，结合其他城市变频车辆空调运营的实际情况，以及变频车辆空调可变制冷量、除湿控制、节能舒适的技术特点，对青岛轨道交通运营车辆进行针对性的研究，提出了在青岛地区采用变频热泵车辆空调来满足青岛海洋性气候，实现轨道交通车辆绿色、智能、舒适的运营要求。

城市轨道交通车辆；变频空调；节能；舒适性

First-author′s addressQingdao Metro Group Co.，Ltd.，266000，Qingdao，China

随着我国城市轨道交通（以下简为“城轨”）的快速发展及城市低碳经济发展要求，特别是人民生活水平的不断提高和健康意识的增强，对城轨车辆客室空调系统的舒适性要求也越来越高。车辆空调作为为车厢提供舒适性空气环境的关键设备和车辆系统的第二大耗能设备，已成为节能和舒适性研究的重点之一。集节能和舒适性于一身的变频空调技术，近年来成为城轨车辆节能和舒适性的研究热点。

本文结合青岛市轨道交通11号线车辆的运营要求，从变频空调系统基本原理、节能控制模式、舒适度等方面，对变频技术在沿海地区的应用进行探讨和分析。

1 青岛地区环境特点

青岛地处北温带季风区域，属温带季风气候，略有海洋性气候特征，空气湿润，温度适中，四季分明。春季气温回升缓慢，较内陆迟1个月；夏季湿热多雨；秋季天高气爽，降水少；冬季风大温低，持续时间较长，但并无严寒。

查阅青岛地区近年的全年月平均温度发现，青岛全年温度变化范围为-3～28℃，夏季平均气温在25℃左右，气候较为舒适；冬季平均气温在0℃左右，但冬季时间相对较长。青岛全年温度变化曲线如图1所示。

图1 青岛全年温度曲线图

全年大气湿度方面，青岛地区年平均相对湿度为70%。3月份平均相对湿度最小，为62%，其中市区为66%，各区市在58%～67%之间；7月份平均相对湿度最大，为84%，其中市区为88%，各区市在80%～87%之间。

因此，青岛轨道交通要配置的车辆空调不象其他炎热城市以降温为主要目的，湿度指标和温度舒适性指标是车辆空调需要重点关注和控制的指标。同时，在保证温度和湿度舒适性的基础上，要作到尽可能以低功耗运行，实现绿色节能。

2 客室舒适度及控制

根据CJ/T 354—2010《城市轨道交通车辆空调采暖及通风装置技术条件》的相关规定：在室外环境温度33℃时，车辆空调的制冷能力应能保证在定员条件下，车内温度不高于28℃±1℃，相对湿度不超过65%。根据这一技术条件和青岛地区气候环境特点，选择具有可变制冷量、除湿智能控制、热泵制热等技术特点的变频车辆空调，并辅以自动智能控制，可满足乘客对车厢内温度和湿度的需求，提升乘坐的舒适度。

2.1空调可变制冷量和智能控制

青岛市轨道交通11号线全长约59.2 km，以高架敷设为主，全线设置车站22座（4座地下站，18座高架站），车辆按B型城轨车进行设计。根据其运营线路特点，综合青岛地区的气象数据，特别是7月份平均相对湿度最大（全市平均湿度达到84%，明显大于其他城市），通过车辆空调热负荷理论计算，将空调额定制冷量确定为35 kW，而不是常规B型城轨车辆的额定制冷量29 kW，以确保空调在夏季高温高湿及高架运行环境下满足客室舒适度的要求。同时，因为变频空调可以根据环境的温湿度变化和客流量的大小自动进行制冷量调节（可在7.6～36.7 kW之间进行无级调节），制冷量并不一直维持在35 kW，因此可满足在热负荷较小时的舒适度要求。

该项目采用变频车辆空调，每台空调采用2台变频压缩机，每台压缩机频率可在30～70 Hz连续调节，从而实现制冷量的大范围、连续性调节。表1列出了该空调不同频率下的制冷量数据。

表1 变频空调在不同频率下的制冷量和功率

由表1可以看出，单台压缩机频率在30 Hz时制冷量为7.6 kW，2台压缩机在额定频率65 Hz时制冷量为35.2 kW，在最大频率70 Hz时制冷量为36.7 kW。变频空调的频率可从30 Hz到70 Hz以1 Hz为单位连续变化，其制冷量则从7.6 kW到36.5 kW连续变化，比较理想地解决了定速空调不能大范围调节制冷量的问题。变频空调可更好地根据客室的实际负荷变化，提供满足实际需求的制冷量。

当客流量负荷大于AW 2（额定荷载），尤其是外界气温高于额定条件的情况下，可适当提高压缩机及通风机运行频率，以提高制冷量。例如，表1中空调每台压缩机频率运行到70 Hz时，可提高制冷量到36.7 kW，超过空调的额定制冷能力。这种空调制冷量可大范围连续调节，可按需供能，满足不同季节时车辆的不同热负荷要求，提高客室内温度的舒适性。这是变频空调在舒适性上的一个突出优点。

2.2客室除湿智能控制

青岛市年平均相对湿度为70%，青岛轨道交通11号线以高架线路为主，车辆持续在高架运行，湿度控制就成为了一个重要课题。如果湿度不进行有效控制，即使客室温度控制在标准要求的28℃±1℃，乘客体感舒适性也不能保证。

根据青岛地区湿度大的特点，此项目变频空调具备专门的除湿控制功能。在空调回风口处设湿度传感器，实时检测客室空气的相对湿度，并根据实测数值与设定目标值的差异进行自动的独立除湿控制，保证相对湿度满足小于65%的目标。同时，不会因为空调的持续除湿运行，导致客室温度进一步下降，引起客室温度的不舒适感。变频空调的独立除湿功能，就是通过变频压缩机的频率控制和制冷节流装置的智能控制来实现不降温除湿，达到温度和湿度的双舒适度要求。

2.3客室通风超强送风功能

在早晚高峰时段，客室内部乘客数量剧增，车辆内的通风会受站立乘客的影响，导致通风不顺畅，造成舒适度下降。考虑到这种极端的运营状况，结合变频空调的技术特点，在该项目上提出了超强送风功能。即在早晚高峰时段内，车辆空调自动提升通风机运行频率，实现超强风功能。空调通过接收来自列车控制和管理系统（TCMS）的载客量信息，自动计算所需的通风量。当载客量超过AW 2时，空调会自动提高通风机运行频率，从而提高通风机的送风量，满足客室舒适度要求。图2为变频空调系统执行超强风功能时的控制逻辑。

图2 变频空调系统超强风功能控制逻辑

3 车辆空调节能及控制

车辆运行的环境是不断变化的，不同的季节、一天不同的时段，温度和湿度一直处于变化过程中。青岛地区由于受海洋环境影响，夏无酷暑、冬少严寒，空调系统采用变频控制和热泵采暖，在满足客室温湿度舒适性要求的同时，可实现节能运营。

3.1制冷节能运营

空调最重要的功能就是满足制冷和除湿的要求。在满足制冷和除湿的同时又能实现节能并不是所有空调设备都具备的功能。变频空调技术则天然具备了这样的条件。变频空调通过智能变频控制系统实时调整压缩机运行频率和电子膨胀阀的开度，大范围调整制冷剂流量，从而实现空调制冷量的大范围调节，将客室温度维持在设定温度±1℃。当车内人员较少或气温较低时，压缩机维持在低频运行状态，合理控制冷量输出，减小电力消耗，同时避免压缩机频繁启停，达到了节能目的。因此，变频空调节能原理，一是减少了压缩机的开关损耗，二是低频运行时的能效比提高。

3.1.1 减少压缩机开关损耗

传统定速空调靠压缩机的开机和停机来实现制冷量的调节，开机则100%输出制冷量，关机则无制冷量输出。压缩机每次开机时，大约有2min的时间来建立制冷输出所需要的压力差，在此时间内无制冷量输出，因此，这2m in所消耗的电力是不作功的。压缩机每次停机，这2min所建立的压力差又被释放掉，如此反复，称为定速压缩机的开关损耗。

变频空调工作时，是以调节压缩机频率来调节制冷量的。当客室温度较高时，压缩机高频率运行，输出制冷量大，使温度迅速降低；当客室温度较低时，压缩机低频率运行，输出制冷量小，从而维持客室温度不再降低。因此，变频空调不需要压缩机频繁开关机，从而节省了压缩机的开关损耗。在春秋季的过渡季节和客流量较小时，车辆热负荷需求小，定速空调压缩机为维持客室温度，开关频繁，造成开关损耗增多。而变频空调因为一直低频率运行，运行效率很高，所以节电。变频空调根据热负荷的变化调节频率、输出需求制冷量，使客室温度趋近设定温度；而定速空调通过开关压缩机调整客室温度，受控制方式局限，能耗大、客室温度波动大。

3.1.2 低频率运行效率高

变频空调压缩机低频率运行时，单位时间内压缩机排出的制冷剂减少，冷凝器和蒸发器的面积相对增大，空调制冷效率提高。即空调能效比提高，用电量减少。图3为青岛市轨道交通11号线车辆变频空调在不同频率时的实测能效比，可以看出，压缩机低频运行时能效比较高，最高可达2.6以上。变频空调低频运行时的能效比提高，输入功率减少，用电量减少，降低了能耗。

图3 变频空调在不同频率下的能效比

3.2 冬季空调热泵制热

根据青岛地区冬季风大、气温不是非常低，以及青岛市轨道交通11号线高架运行的特点，车辆空调采用了变频热泵采暖技术。根据气象统计，青岛冬季日均最低气温在-3℃以上，极端日平均气温也在-10℃以上。这个温度正好是热泵制热最合适的气温条件。变频热泵空调可在-13℃以上持续高效运行，在满足客室温度达到18℃以上标准要求的同时，可实现节能运行。

传统电加热器的制热效率最大为1.0，而变频空调热泵制热效率在额定工况时可达2.0以上，即使在最低气温-10℃时仍达1.5以上。因此，采用变频热泵空调可实现比电加热50%以上的节能。

4 客室环境健康及防疫

轨道交通车辆内环境相对封闭、空气流通量有限、气流组织固定、人员密集，为保证车厢内良好的空气清洁度，必须考虑车厢内的空气净化问题。采取先进高效的空气净化技术对车厢内的空气进行除尘、杀菌，可为车厢提供洁净的新鲜空气。

空气净化装置对室内空气中的污染物提供吸附、隔离、分解、消杀、祛除等功能。根据青岛市轨道交通11号线车厢内空气净化的要求，在空调回风腔内部安装了低温等离子体空气净化装置。

4.1低温等离子体空气净化原理

等离子体场中含有大量的高能自由基,能直接与微生物内蛋白质和核酸物质发生反应,导致微生物的死亡。等离子体产生的激发高速粒子直接对细菌和病毒体进行高速射击,致其死亡，而且具有广谱性。实验中发现，它能高效杀灭葡萄球菌、大肠杆菌、枯草杆菌、霉菌、真菌、支原体、病毒等，在短时间内,能99.9%清除空气中浮游的传染性、流行性、过敏性病毒，如流行性感冒、禽流感、非典，以及军团菌、肺结核等病菌。

等离子导电流中含有大量氧原子、氢离子、高能自由基等活性物质，这些活性物质与化学有机物直接进行化学反应，加上脉冲高频高压电化学分解作用，使各种污物得到快速分解消除；同时，空气中的有害气体和有机物在电子网的冲击下，被分解成水分子和二氧化碳。

4.2低温等离子体空气净化装置的特点

相对于目前轨道交通常用的光等离子空气净化装置，低温等离子体空气净化装置具有以下特点：

（1）技术先进：采用完全自主知识产权的国际领先的等离子技术，可根据用户差异化需求设计各类不同结构、不同特点的产品。

（2）安全可靠：已通过净化性能、环境、安全、冲击振动、电磁兼容、防火等检测，能充分满足轨道交通空气净化装置运用要求。

（3）绿色环保：无噪声、低能耗、不产生二次污染、不使用光学原件、不产生辐射污染，且零部件均可回收再利用。

（4）全寿命周期成本低：等离子管使用寿命长，无需定期更换（光等离子空气净化装置需要定期更换光等离子管），且运营过程中无需特别维护，节约了大量材料、人工和时间成本。

5 结语

变频空调在解决车辆空调热负荷变化大、客室温度波动大及客室舒适性等方面有明显的优点。通过空调可变制冷量智能控制、客室除湿智能控制、客室超强送风及热泵制热功能等的应用，车厢内温度、湿度和风量都可实现智能调节和控制，从而为乘客提供舒适的乘车环境，同时实现运营节能。低温等离子体空气净化装置对车厢内的空气进行除尘、杀菌，提升了车厢内的空气质量。待11号线运营时，通过进一步跟踪检验，期望以上应用可为提高沿海高温高湿地区轨道交通车辆空调系统节能及舒适性提供参考。

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Application of Frequency Conversion Air-conditioning in Qingdao Rail Transit Vehicle

CHEN Ping，ZHANG Yongli，LIChao

Through technical analysis of the meteorological condition of Qingdao City and the operation conditions of rail transit Line 11，and combined w ith practical operation of the vehicle frequency conversion air-conditioning in other cities，the characteristics of the technology，such as the refrigeration capacity conversion，dehum idification control，com fort and energy-saving are studied.Based on the operating vehicles of Qingdao rail transit，a frequency conversion heat pump airconditioning system is proposed，which w illmeet the demands of the maritime climate in Qingdao and achieve the goal of green，intelligence and com fortoperation.

urban rail transit vehicle；frequency conversion air-conditioning；energy-saving；com fort

U270.38+3

10.16037/j.1007-869x.2017.07.028

2016-12-09）