基于地铁车辆定频和变频空调能耗及舒适性研究.pdf

试验研究andDevelopmentManagementMechanicalNo.7,20232023年第7 期Total243总第2 43期机械管理开发D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.002基于地铁车辆定频和变频空调能耗及舒适性研究章贺磊，薛世城（郑州地铁集团有限公司，河南郑州450000)摘要：郑州地铁9 号线0 9 2 7 车采用定频和变频两种形式的空调，通过空调能耗对比和客室温度变化曲线，对城市轨道交通地铁车辆的空调能耗及客室舒适性进行探讨。研究结果表明：变频空调平均节电率达到6.48%，且车厢内的温度控制精度高、波动范围小，在地铁列车上具有更好的经济效益和发展前景。关键词：空调系统；能耗；节能；舒适性中图分类号：U270.383文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-7 7 3X(2023)07-0005-030引言随着地球能源越来越紧缺，如何节能已经成为一个国家经济运行所面临的重要问题。地铁列车的电能消耗主要由牵引、空调、照明、控制系统组成，而空调的能耗占1/4左右，仅低于牵引系统。因此,对地铁列车空调系统节能的研究具有很重要的意义。目前，地铁列车使用的空调有定频和变频两种，变频空调利用变频控制器来控制压缩机和冷凝风机运转速度的快慢，低负荷时压缩机以低速运转，不需要反复启停控制，很大程度上节省了空调的耗电量。为了研究列车变频空调在节能和舒适方面的可靠性，主要对地铁列车定频和变频空调的能耗以及乘坐时客室温度舒适性进行了试验对比。1定频、变频空调工作原理目前，城市轨道交通车辆使用的空调分为定频和变频两种形式,列车空调系统主要包括空调控制器和空调机组，空调机组主要包括压缩机、冷凝风机、蒸发器、干燥过滤器、离心风机、温度传感器、新风和回风阀门等部件。空调系统的制冷原理：低温低压的制冷剂液体吸收混合风的热量对空气进行冷凝，制冷剂本身变为低温低压的气体，该气体通过管路进人压缩机，通过压缩机变为高温高压的气体进人冷凝器，冷凝风机对冷凝器中的冷凝剂和空气进行热交换，将冷凝剂变为常温高压的液体进人毛细管变为低温低压的液体输送到蒸发器，进而实现制冷循环 2 1.1定频空调定频空调机组采用交流电机，在自动控制方式下，其电源的电压和频率是固定的，压缩机转速基本不变，依靠压缩机的启动和停止来实现其运动过程中制冷量的调节3。这种控制方式一方面降低了空调机组使用寿命，另一方面导致车厢内环境温度波动比较大，形成闷热潮湿环境，很大程度上降低了乘客的舒适性。1.2变频空调变频空调机组在内部增加了变频装置，在自动控制调节下，压缩机自动进行无机变速，通过改变其电源工作频率、转速和排气量的方式来进行制冷量的调节 4。这种方式当环境温度达到设定温度时，通过压缩机低功率运作实现不停机运转，从而实现恒温控制，可提高乘客舒适度。2空调能耗试验和数据分析2.1实验车型及机组参数本次实验选择郑州地铁9 号线0 9 2 7 车，该车为6节编组，每个车厢安装有2 台空调机组和1 个控制柜，每个控制柜单独控制本节车厢的2 台空调机组。其中1 车、2 车、3车安装变频空调，4车、5车、6 车安装定频空调，车辆编组和空调安装方式如图1 所示。6台变频空调6台定频空调机组1 机组2机组1 机组2机组1 机组2机组2 机组1机组2 机组1机组2机组.1车2车3车4车5车6车图1空调安装示意图定频和变频空调均采用顶置单元式机组，均使用艾默生ZRH87KTE-TFD型压缩机，制冷剂采用R407C,空调具体参数见表1。在空调机组尺寸及安装方面，空调机组外观尺寸、安装位置、线插接口均相同；在空调软件方面，空调机组根据环境温度和载荷量变化对客室温度进行智能调节，其调节变化量及目标温度设置完全相同；在空调控制方面，变频和定频空调除压缩机启动和停止控制逻辑不同外，其他功能均无差别，根据车内外温度状态分别自动控制压缩机的运行频率和启停。在每个空调电器柜安装电能表，实时记录每台空调的能耗数据。列车两端电器柜内分别安装一台里程计，统计列车实际运行公里数。2.2定频和变频空调能耗数据分析根据2 0 2 1 年正线运行数据，每月对0 9 2 7 车的每台空调的用电量和列车运行公里数进行统计（见表2），实验周期为2 0 2 1 年1 月1 日一1 2 月31 日，经历春夏秋冬四个季节，更有利于记录空调机组的耗收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 8第一作者简介：章贺磊（1 9 9 4一），男，硕士研究生，助理工程师，从事城市轨道交通车辆工作。6第3 8 卷机械管理开发表1空调机组参数参数定频空调变频空调型号KLD-35KLR-35 V制冷量/kW3535通风量/(m/h）42504500新风量/（m/h）14681468压缩机功率/kW8.38.8冷凝风机功率kW0.71.1通风机功率/kW0.60.75表2 空空调用电量数据电能表起始数据电能表截止数据车厢号机组编号用电量/kWh/kWh/kWh机组13885.39 376.95 491.61车机组23 787.49.443.85 656.4机组13569.49268.35698.92车机组23.560.99214.95 654.0机组13584.39174.65590.33车机组23 626.19219.85593.7机组13 276.08880.45 604.44车机组23317.79033.25715.5机组13 499.49 328.65 829.25车机组23396.79143.55746.8机组13 722.49612.45890.06车机组23 825.09.999.96 174.9电量。根据表2 数据可以，看出0 9 2 7 车变频空调全年总用电量336 8 4.9 kWh，单机组平均用电量56 1 4.2kWh；定频空调全年总用电量349 6 0.8 kWh，单机组平均用电量58 2 6.8 kWh；变频空调相比定频空调全年节省电量1 2 7 5.9 kWh，年度总的节能率为3.6%。经过计算得出，0 9 2 7 车定频和变频空调机组月度的百公里能耗值，如图2 所示。定频空调的耗电量比变频空调相对较高，在6 一9 月定频空调百公里能耗均明显高于变频空调,最高为9 kWh；在其他月份定频和变频空调压缩机大部分时间不启动，空调能耗基本相同；在1 一2 月份天气较冷，定频和变频空调均开启制热模式，空调能耗相对偏高。通过对比，变频空调年度平均百公里节省电量为1.5kWh，在6 9 月份平均百公里节省电量为4.9 kWh。为提高数据的可靠性，针对有效数据进行筛选，主要考虑制冷量需求高的夏季作为参考，在6 一1 0 月8288988变频空调一一定频空调1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月1 1 月12月月份图2定频和变频空调月度百公里耗电量份，变频空调与定频空调相比平均百公里节电量为3.913kWh，本次选取的列车次时间段有效公里数4.2866万km，则节省电量约为1 6 7 7.7 3kWh，采用变频空调能节约一定的经济效益。2.3变频空调节电率计算空调能耗实验共连续采集1 2 个月的数据，由采集到的数据计算出变频空调的节电率，如图3所示。1511.66%10F%/本甲7.96%53.76%4.29%1.35%0.32%_3.34%0.73%00.28%-0.49%-1.78%-1.88%1月2月3月6月7月8月9月10月12月4万-5月份图3变频空调月度节能率空调节电率K计算如下：K=(Q2-Q1)/Q2 100%.式中：Q2为定频空调列车每公里用电量；Q1为变频空调列车每公里用电量。由图3可以看出，在6 一9 月份单月节电率最为突出，其中最大为8 月份1 1.6 6%，最小为6 月份3.76%，平均节电率为6.48%；在1 5月、1 0 1 2 月，变频空调节电率基本为0 或负数，此时所在地区环境温度低，新风热需求量较小，车厢内部的制冷需求不大,空调制冷使用率较低。在外界环境温度较低的情况下，客室内部有制热需求，而空调自身需要冷凝换热，定频空调和变频空调能耗都比较高，导致变频空调节和定频空调能耗基本无差异 53客室温度及舒适性分析车辆空调机组内部安装温度传感器，实时记录客室内部的温度值，通过对比变频空调和定频空调车辆内部的实际温度设定值，采用国际铁路联盟标准规范UIC553曲线自动调整空调的运行参数，使整列车空调机组工作状态一致，实验结果更加准确有效，其中载荷忽略不计。UIC553温度控制逻辑如下：T=25,1 9 T,2 7 T,=23+0.25(T-19),2 7 T 31 .T=26,T.31 式中：T为目标温度；T。为外界环境温度。列车在运行期间，考虑变频空调在炎热时间段节能效果更为明显，因此选取时间在夏季温度在30 左右更具有代表性，节能实验也更加准确有效。抽选夏季某日1 4:0 0 一1 6:0 0 时间段列车空调运行数据进行分析，其中室外温度在2 7 36，定频空调与变频空调机组的列车客室温度对比曲线，如图4所示。由温度波动曲线可以看出，变频空调最高温度25.3，最低为2 3.5，平均值为2 4.6 2，温度波动TheSta（编辑：李俊慧）上接第4页）（编辑：王慧芳）章贺磊，等：基于地铁车辆定频和变频空调能耗及舒适性研究2023年第7 期26.025.525.0/24.524.023.5一定频空调23.0一套频幸调一设定温度22.544时刻图4车内温度数据变化曲线范围2 4.40.9；定频空调最高温度为2 5.6，最低为2 3，平均温度为2 4.7 2，温度波动范围24.31.3。安装变频空调和定频空调的车厢内部温度变化趋势基本一致，车厢温度围绕系统设定温度上下波动。安装变频空调的车厢平均温度比安装定频空调的车厢低1,安装定频空调和变频空调温度波动差值分别为2.6 和1.8。由此可知，变频空调的车厢内温度波动幅度小，趋近于系统设定温度，控温能力较好，且乘坐舒适性更高。4结论在郑州地铁0 9 2 7 车2 0 2 1 年全年运行期间，通过定频和变频空调能耗和舒适性的对比，可以得出以下结论：1)变频空调在夏季的节能率较高，最高节能率为11.66%，平均为6.48%；在春秋冬季节节能量较低，因为夏季外界温度较高，压缩机处于满负荷运行状态，因此,变频空调在夏季整体节能效果较为明显，在地铁列车上经济效益更高。2)在舒适性方面，当外界温度较高时，变频空调可通过改变压缩机的运行频率控制空调制冷效果，进而控制车厢温度趋近于设定温度，其温度控制能力较好。安装变频空调的车厢温度波动小，波动范围在0.9，乘坐舒适性更高。参考文献1黄萍，代秀秀.广州地铁二号线A5型车空调能耗及客室舒适性调查与分析 J.机电信息，2 0 1 7(1 2）：1 45-1 46.2苏慈，王绅宇，武双虎，等.列车变频空调的节能性和舒适性研究J.机车电传动，2 0 1 4(5)：7 8-8 0.3李天翊，赵慧阳.地铁车辆定频空调改变频研究 .科学技术创新,2 0 2 0(2 2):9-1 0.4徐向彬.变频技术在地铁车辆空调系统中的应用分析 J.铁道运营技术,2 0 0 9,1 5(1)：34-36.5王钊，魏婉娜，陈亮.轨道车辆变频空调节能试验及舒适性研究J.制冷与空调,2 0 1 6,30(1):9 9-1 0 3.Study on Energy Consumption and Comfort Based on Fixed Frequency and VariableFrequency Air Conditioning of Metro VehiclesZhang Helei,Xue Shicheng(Zhengzhou Metro Group Co.,Ltd.,Zhengzhou Henan 450000,China)Abstract:The 0927 train of Zhengzhou Metro Line 9 adopts two forms of fixed frequency and variable frequency air conditioning,throughthe comparison of air conditioning energy consumption and the temperature change curve of the passenger room,the air conditioning energyconsumption and the comfort of the passenger room of urban rail transit subway vehicles are discussed.The results show that the averageelectricity saving rate of frequency conversion air conditioning is 6.48%,and the temperature control accuracy is high and the fluctuationrange is small.It has better economic benefits and development prospects in subway trains.Key words:air conditioning system;energy consumption;energy saving;comfort4蒋孝煜.有限元法基础 M.北京：清华大学出版社，1 9 9 2.5朱伯芳.有限元法原理与应用：第2 版 M.北京：中国水利水电出版社，1 9 9 8.6卓家寿.弹性力学中的有限元法：第2 版 M.北京：高等教育出版社,1 9 8 7.7刘宁.随机有限元法及其工程应用：第2 版 M.北京：中国水利水电出版社，2 0 0 0.tic Structure Analysis of the Frock Base for a Long and Big Component Based On ANSRao Jin,Chen Chuanlonge 8th Military Representative Office of the Naval Equipment Department in Wuhan,Wuhan Hubei430084,China)Abstract:Long and big component is usually placed on frock base for preventing it deformation,it is required that frock base has certainstructural strength.Because of complicated structure,it is difficult to calculate the deformation of frock base by means of analytic method,so designing frock base by means of analytic method is hard.The accurate numerical solution can be obtained by computer simulationmethod.Static structure module of ANSYS workbench software is used to analyze the deformation of frock base,the effect of two meshingmethod to simulation results is studied,it is verified that the high-performance meshing method can calculate the deformation exactly bycomparing simulation results.Key words:frock base;structure deformation;FEM;ANSYS;network partition