徐 青 陳 夏 楊大洋 鄧建明 駱 堅(jiān) 周 斌

(1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，330013，南昌;2.南昌鐵路局車輛段，330013，南昌∥第一作者，副教授)

節(jié)能是我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)基本國策，而交通運(yùn)輸節(jié)能則是其中的重點(diǎn)工作之一。在旅客列車中，空調(diào)系統(tǒng)的能耗已經(jīng)占到了較大的比重［1－2］，因此列車空調(diào)的節(jié)能越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。鐵道部頒布的《鐵路節(jié)能技術(shù)政策》明確要求嚴(yán)格空調(diào)客車制冷制熱管理，減少不必要能耗，但現(xiàn)有的很多旅客列車空調(diào)系統(tǒng)(如YW25G型列車)仍采用定制冷量、定風(fēng)量的運(yùn)行模式。在該運(yùn)行模式下，由于空調(diào)制冷量不能隨車內(nèi)負(fù)荷變化進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，造成車廂內(nèi)溫度波動(dòng)大，不僅不能滿足旅客對(duì)舒適性的要求，而且能耗高，影響設(shè)備的使用壽命。

變頻技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑空調(diào)系統(tǒng)，在調(diào)控室內(nèi)舒適度和節(jié)能方面都取得了顯著的效果。高速列車和動(dòng)車組的投運(yùn)，也為其它空調(diào)列車的運(yùn)行節(jié)能提供了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。本文以YW25G型硬臥空調(diào)列車為例，分析其采用變頻控制后的車廂內(nèi)氣流組織，為列車空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造提供理論依據(jù)［3－5］。

1 空調(diào)機(jī)組運(yùn)行控制模式

YW25G型列車硬臥空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行控制模式的主要工作狀態(tài)有以下幾種:

(1)強(qiáng)通風(fēng)——通風(fēng)量較大時(shí)，制冷開強(qiáng)通風(fēng)。

(2)弱通風(fēng)——通風(fēng)量較小時(shí)，制冷開弱通風(fēng)。

(3)半冷——制冷時(shí)，一半壓縮機(jī)工作，冷凝風(fēng)機(jī)全部工作。

(4)全冷——制冷時(shí)，壓縮機(jī)和冷凝風(fēng)機(jī)全部處于工作狀態(tài)。

該型號(hào)列車空調(diào)在夏季基本處于全冷工況(即最大負(fù)荷)下運(yùn)行，車廂內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)通常是司乘人員憑感覺進(jìn)行運(yùn)行模式的手動(dòng)切換，因而車箱內(nèi)的溫度時(shí)高時(shí)低。這種控制模式的滯后性和車箱內(nèi)空氣參數(shù)的不穩(wěn)定性，完全不能滿足旅客的舒適要求，同時(shí)也造成了不必要的能源浪費(fèi)。針對(duì)該型硬臥列車空調(diào)控制模式存在的問題，項(xiàng)目組和南昌鐵路局合作，在一節(jié)臥鋪車廂上加裝了變頻裝置，在不改變機(jī)組送風(fēng)量的前提下，通過對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)對(duì)制冷量進(jìn)行變頻控制。即當(dāng)車廂內(nèi)的冷負(fù)荷增大、溫度升高時(shí)，變頻器改變機(jī)組供電頻率，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提高，增大制冷量;反之，降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，減小制冷量。變頻控制使機(jī)組制冷量與車廂內(nèi)所需的制冷量相匹配，最終改變送風(fēng)溫度滿足旅客的舒適感并達(dá)到節(jié)能的目的［6－7］。

2 空調(diào)車廂內(nèi)氣流組織模擬

2.1 模型處理

取YW25G型空調(diào)硬臥列車的一節(jié)車廂為研究對(duì)象。該車廂長 18 838 mm，寬 2 885 mm，高2 750 mm，共設(shè)11個(gè)臥鋪單元。其空調(diào)系統(tǒng)采用一臺(tái)KLD40車頂單元式空調(diào)機(jī)組，額定制冷量40.7 kW，額定送風(fēng)量8 000 m3/h;采用頂送風(fēng)方式，送風(fēng)口布置于每個(gè)單元中部，車廂內(nèi)空氣通過車廂兩端車門集中回風(fēng)［8］。

由于列車結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，完全按照其真實(shí)實(shí)體建立計(jì)算模型存在一定困難，因此在建模中對(duì)車內(nèi)區(qū)域進(jìn)行了簡化。假定整個(gè)車體內(nèi)部為規(guī)則的長方體，忽略車兩端乘務(wù)員室、配電間、廁所及洗臉室等，只以整體臥鋪區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域。模型以列車首個(gè)臥鋪包間左側(cè)臥鋪底角為坐標(biāo)原點(diǎn)，列車的長度方向?yàn)閄軸，高度方向?yàn)閅軸，寬度方向?yàn)閆軸;包廂按送風(fēng)方向進(jìn)行編號(hào)，共11個(gè)包間。人體及臥鋪幾何計(jì)算模型如圖1所示。車廂體的熱邊界按第三類邊界條件進(jìn)行計(jì)算，傳熱量折算成熱流密度;進(jìn)入車內(nèi)的太陽輻射也折算成熱流，加在各壁面的熱流內(nèi)。

圖1 YW25G型空調(diào)硬臥列車物理模型

2.2 氣流組織模擬結(jié)果分析

在氣流組織模擬中，由于列車的移動(dòng)性，列車空調(diào)模擬起來比建筑空調(diào)更為復(fù)雜，但沿途室外氣候參數(shù)、車內(nèi)人員等因素的變化和建筑物在一天的變化又有一定的相似性。因此，通過計(jì)算逐時(shí)冷負(fù)荷可以得出任何時(shí)刻列車所需制冷量。以南昌－廈門－重慶－廈門－南昌整個(gè)行程為例，2010年8月11日列車從南昌出發(fā)后，選取幾個(gè)氣候變化有代表性的站點(diǎn)參數(shù)分別作為工況1～6，并列出了各對(duì)應(yīng)工況下所需制冷量和列車空調(diào)額定制冷量(見表1)，可見，行程中列車空調(diào)所需制冷量變化是很大的。因此通過變頻調(diào)節(jié)，使空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行適應(yīng)制冷量的變化，就顯得非常重要。

表1 各工況對(duì)應(yīng)站點(diǎn)參數(shù)表

圖2 ⑥號(hào)包間中心點(diǎn)溫度

由于篇幅所限，本文將重點(diǎn)討論變頻運(yùn)行工況和全冷(即額定制冷量)運(yùn)行工況對(duì)車廂內(nèi)氣流組織所產(chǎn)生的影響。

列車回風(fēng)口布置在車廂一端，但運(yùn)行時(shí)車廂兩端車門一般不關(guān)閉，即實(shí)際的回風(fēng)是從兩端車門進(jìn)行的，車廂內(nèi)的氣流組織可近似認(rèn)為對(duì)稱，故選取首個(gè)包間①和中部包間⑥為主要研究對(duì)象進(jìn)行分析。

圖2列出了包間⑥各工況下中心點(diǎn)的模擬計(jì)算溫度值。在全冷工況下，機(jī)組始終按最大負(fù)荷運(yùn)行，送風(fēng)溫度是不變的，而所選6個(gè)工況實(shí)際所需的負(fù)荷是不同的(見表1)，這就造成車箱內(nèi)的溫度有較大的波動(dòng)，如工況2車廂內(nèi)溫度低至22℃(見圖2)，乘客有明顯的冷感。而在變頻工況下，通過壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，機(jī)組的制冷量依據(jù)車廂內(nèi)實(shí)際需要的負(fù)荷自動(dòng)變化使得送風(fēng)溫度改變，車廂內(nèi)的溫度在各時(shí)刻都能維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的范圍(24～25℃)，制冷機(jī)組的能耗也可相應(yīng)減少。

再以典型工況2為例對(duì)車廂內(nèi)人體周圍的溫度和速度分布狀況進(jìn)行分析，選取4個(gè)比較有代表性的截面:Z向截面選取人體最敏感的頭部(Z=0.3 m)和腳部(Z=1.8 m)所在平面(主要選取氣流具有代表的包間①和包間⑥);Y向截面選取中鋪人體上方區(qū)域(Y=1.625 m);X向截面選取車廂中部包間⑥即沿人體中心縱向剖開位置(X=9.968 m)。包間①和包間⑥在 Z=0.3 m、Z=1.8 m斷面處的溫度場(chǎng)如圖3、4所示，速度場(chǎng)如圖5、6 所示。

由圖3和圖4可知，在全冷運(yùn)行方式下，車廂內(nèi)的溫度偏低，局部區(qū)域低至21℃，由于工況2下列車處于夜間運(yùn)行，人體活動(dòng)量小，這樣的溫度特別容易使人產(chǎn)生冷感;采用變頻調(diào)節(jié)后，車廂溫度提高到23～25℃，舒適感得到了改善。

圖3 Z=0.3 m斷面處的溫度場(chǎng)

圖4 Z=1.8 m斷面處的溫度場(chǎng)

由圖5和圖6可知，由于氣流運(yùn)動(dòng)過程中受到床鋪的阻擋，送風(fēng)口正下方區(qū)域的速度場(chǎng)較床鋪正上方明顯要強(qiáng)烈很多，導(dǎo)致床鋪上方空氣溫度較風(fēng)口正下方區(qū)域的溫度高。另外，走廊區(qū)域由于集中回風(fēng)，包間①的速度場(chǎng)較包間⑥強(qiáng)烈，即距車門越近的區(qū)域，其氣流運(yùn)動(dòng)越劇烈，使人產(chǎn)生較強(qiáng)的吹風(fēng)感，降低了舒適感，而靠近車廂中部區(qū)域的氣流運(yùn)動(dòng)則相對(duì)較弱，提高了舒適感。由于本文所討論的變頻改造僅是通過改變壓縮機(jī)的供電頻率來改變制冷量，整個(gè)制冷系統(tǒng)的管網(wǎng)特性(即送風(fēng)量)并不變，因此全冷工況和變頻工況下車廂內(nèi)氣流的速度場(chǎng)基本相同(見圖5)。

圖5 Z=0.3 m斷面處的速度場(chǎng)

圖6 Z=1.8 m斷面處的速度場(chǎng)

圖7 、圖8分別為Y=1.625 m斷面處的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。由圖7可見，車廂前端如包間①中，人體頭部區(qū)域和腳部區(qū)域的溫度均低于中部，而包間⑥由于氣流運(yùn)動(dòng)較弱，溫度略高;在變頻調(diào)節(jié)后，整個(gè)車廂水平面上的溫度分布較全冷工況下均勻，溫度梯度較小，低溫區(qū)域總體提高2℃。由圖8可見，在每個(gè)送風(fēng)口下方存在一個(gè)小旋渦，并且離車門越近，旋渦越明顯，說明越靠近車門的位置氣流組織越好，而車廂中部區(qū)域的氣流運(yùn)動(dòng)不顯著，不利于空氣污染物的排放。

圖7 Y=1.625 m斷面處的溫度場(chǎng)

圖9 、圖10分別為X=9.968 m斷面處的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。對(duì)比臥鋪區(qū)域和過道區(qū)域，對(duì)于各臥鋪單元，臥鋪區(qū)域的溫度高于過道區(qū)域溫度。這主要是因?yàn)檫^道區(qū)域沒有任何阻隔，受到氣流直吹，越靠近風(fēng)口處溫度越低，且向兩側(cè)呈45°擴(kuò)散。但車廂各層臥鋪區(qū)域的溫度分布也有差異(見圖9)，下鋪區(qū)域溫度較低，中鋪次之，上鋪溫度較高。究其原因，是由于床鋪對(duì)氣流流動(dòng)有一定的阻礙作用，而下鋪區(qū)域空間較上、中鋪都大，使得氣流可以充分發(fā)展，形成一定的回旋氣流，能夠更快地散除人體發(fā)出的熱量。變頻工況下，車廂包間溫度過低的現(xiàn)象得到明顯改善，溫度由21～23℃上升了近2℃，使人體感覺較為舒適。而從圖10的速度場(chǎng)可以看出，人體上方存在明顯的氣流上升運(yùn)動(dòng)，有利于人體的散熱。下鋪區(qū)域的上升氣流最明顯，其首要原因是鋪位縱向間隔不同所致。從圖2可知下鋪與中鋪之間的距離大于中鋪與上鋪、上鋪與車頂之間的距離，因此下鋪上方區(qū)域的垂直高度較大，有利于氣流組織的充分發(fā)展，因此下鋪區(qū)域的上升氣流最明顯。在變頻工況下亦是如此。

圖8 Y=1.625 m斷面處的速度場(chǎng)

圖9 X=9.968 m斷面處的溫度場(chǎng)

圖10 X=9.968 m斷面處的速度場(chǎng)

3 列車空調(diào)變頻改造試驗(yàn)與模擬對(duì)比

本次列車變頻改造在YW25G型空調(diào)列車中選擇一節(jié)硬臥車廂進(jìn)行試驗(yàn)。變頻系統(tǒng)分為變頻器、無線傳感器和數(shù)據(jù)接收采集控制板等三大部分。試驗(yàn)中，硬臥變頻車廂內(nèi)分別設(shè)置了6個(gè)無線溫、濕度傳感器，溫度的控制精度可達(dá)0.25℃。6個(gè)測(cè)點(diǎn)均勻分布，安裝在走廊一側(cè)(見圖11)，編號(hào)為101～106。

圖11 硬臥車廂無線傳感器

圖12 各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量與模擬溫度對(duì)比

經(jīng)過運(yùn)行測(cè)試，安裝變頻節(jié)能控制裝置的車廂內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度恒定在24～25℃之間，乘客也反映較為舒適。將實(shí)際運(yùn)行中6個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)與相應(yīng)條件下模擬所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(見圖12)，可以看出，模擬數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)的變化規(guī)律是一致的，但實(shí)際測(cè)量值與模擬值有差異。其原因是模擬計(jì)算時(shí)，車廂內(nèi)的熱源只考慮了旅客的散熱，而忽略了車內(nèi)燈具及其它散熱的影響，從而造成模擬值比實(shí)際測(cè)量值略低。這種偏差是在允許范圍內(nèi)的?？梢?，本文所采用計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況是比較符合的。因此，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)列車進(jìn)行研究是可行的，并且為今后進(jìn)一步的節(jié)能研究提供了理論參考依據(jù)［9］。

由模擬結(jié)果可見，加裝變頻裝置后車廂內(nèi)的溫度場(chǎng)不均勻性得到了明顯改善，但車廂內(nèi)溫、濕度控制與空調(diào)機(jī)組的節(jié)能效果如何達(dá)到一個(gè)最佳匹配狀態(tài)，還需在后續(xù)工作中完成。

4 結(jié)語

(1)應(yīng)用變頻技術(shù)對(duì)列車空調(diào)制冷量進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠使機(jī)組制冷量與車廂內(nèi)實(shí)際負(fù)荷相匹配，改善車廂內(nèi)出現(xiàn)的過冷或過熱現(xiàn)象，滿足旅客的舒適度需求。

(2)通過車廂內(nèi)的流場(chǎng)以及溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算可知，應(yīng)用變頻技術(shù)不僅能使車廂內(nèi)氣流組織的不均勻性得到明顯改善，還能降低空調(diào)機(jī)組的能耗，符合環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求，同時(shí)也為列車空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造提供一定的理論依據(jù)。

(3)變頻技術(shù)在列車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力很大，但由于其運(yùn)行的特殊性，在具體的改造中還存在一些問題。例如，如何合理確定車廂內(nèi)外的設(shè)計(jì)參數(shù)來計(jì)算車內(nèi)負(fù)荷，以便準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)機(jī)組的供電頻率;在溫度合適的前提下如何進(jìn)行濕度的匹配等。

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