王 磊,孫 琳,孫靖飛,張曉偉,蔣政言

(山東朗進(jìn)科技股份有限公司,山東 青島 266071)

隨著國內(nèi)軌道交通的飛速發(fā)展,以及國家“十四五”規(guī)劃的推出,軌道車輛部件的智能控制、綠色低碳已成為了新的發(fā)展方向[1]。智能型變頻空調(diào)作為在商用空調(diào)和家用空調(diào)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛驗(yàn)證的技術(shù),擁有能耗低、舒適性高、維護(hù)成本低等優(yōu)勢[2]。而該技術(shù)在軌道交通車輛空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用,也已得到了各大城市運(yùn)營商、車輛廠以及空調(diào)制造商的研究、實(shí)施和推廣[3-5]。

北京軌道交通新機(jī)場線車輛以CRH6F型城際動車組技術(shù)平臺為基礎(chǔ)打造,搭載了山東朗進(jìn)科技股份有限公司研發(fā)的智能型變頻空調(diào)系統(tǒng),結(jié)合了地鐵空調(diào)和國鐵空調(diào)的先進(jìn)技術(shù)。本文針對該空調(diào)系統(tǒng)的方案進(jìn)行解析,分析其技術(shù)原理及特點(diǎn)。

1 北京新機(jī)場線線路概況

北京市處于華北平原北端,屬于中緯度暖溫帶氣候,冬夏季溫差較大。同時(shí)新機(jī)場線是目前中國首個(gè)市域全自動無人駕駛快速軌道交通線,列車最高運(yùn)行時(shí)速160 km,全線長41.365 km,其中高架長17.67 km、U 型槽和地下長23.695 km,單節(jié)車廂定員(AW2)約140人。

綜合新機(jī)場線復(fù)雜多變的線路環(huán)境條件,車輛空調(diào)需要根據(jù)不斷變化的外界和車內(nèi)環(huán)境,對制冷量進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié),才能滿足乘客的舒適性需求。因此,搭載智能型變頻空調(diào)系統(tǒng),成為該線路車輛的首選方案。

2 智能型變頻空調(diào)方案

北京新機(jī)場線客室空調(diào)機(jī)組采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì),變頻器與空調(diào)機(jī)組實(shí)現(xiàn)了一體化組裝,使設(shè)備布置簡單,安裝簡易、操作安全。同時(shí)空調(diào)機(jī)組集成了壓力波保護(hù)裝置和空氣凈化裝置,在實(shí)現(xiàn)空調(diào)通風(fēng)、環(huán)境控制功能的同時(shí),達(dá)到了空間的最大化利用。

每臺空調(diào)機(jī)組配備有2套相互獨(dú)立的制冷循壞系統(tǒng),配備有壓力傳感器、電子膨脹閥等智能檢測設(shè)備,實(shí)時(shí)對空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)?？照{(diào)機(jī)組的制冷系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 北京新機(jī)場線智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)原理圖

2.1 空調(diào)機(jī)組智能變頻控制

空調(diào)機(jī)組采用智能控制器,結(jié)合機(jī)組內(nèi)部的多個(gè)傳感器及智能檢測設(shè)備,對空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)變頻器采用智能控制,可根據(jù)車內(nèi)外溫度的變化,自動調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率,以適應(yīng)不同的制冷量需求,達(dá)到舒適和節(jié)能的目標(biāo)。同時(shí)空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)閥可根據(jù)車輛的載客量,進(jìn)行自動調(diào)節(jié),以在滿足乘客新風(fēng)量要求的前提下,減小新風(fēng)負(fù)荷,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。

2.1.1 變頻空調(diào)制冷原理

變頻空調(diào)采用變頻壓縮機(jī),通過變頻器調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率,以實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。北京新機(jī)場線車輛的客室空調(diào)為變頻單冷型,即空調(diào)具備制冷功能,同時(shí)配備有電加熱功能,制冷季節(jié)運(yùn)行壓縮機(jī)進(jìn)行制冷,制熱季節(jié)運(yùn)行電加熱進(jìn)行制熱。每臺空調(diào)由2個(gè)獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)組成,額定制冷量為29 kW。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在30～126 Hz(2臺壓縮機(jī)各運(yùn)轉(zhuǎn)63 Hz)之間的連續(xù)調(diào)整,以此來滿足車輛內(nèi)不同載荷、環(huán)境溫度變化時(shí)的制冷量需求,實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)溫度的精確控制。表1和表2分別為北京新機(jī)場線車輛客室空調(diào)的額定制冷工況,以及額定制冷工況下不同壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率時(shí)測定的制冷量。

表2 北京新機(jī)場線智能型變頻空調(diào)在不同壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下的制冷量和功率

由表2可以看出,單臺壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率在30 Hz時(shí),制冷量為11.2 kW,2臺壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率在63 Hz時(shí)制冷量為31.1 kW。運(yùn)轉(zhuǎn)頻率可從30～126 Hz(2臺壓縮機(jī)各運(yùn)轉(zhuǎn)63 Hz)以1 Hz為單位連續(xù)調(diào)節(jié),制冷量可從11.2～31.1 kW連續(xù)變化,相較于定頻空調(diào)無法進(jìn)行制冷量連續(xù)調(diào)節(jié)的缺點(diǎn),變頻空調(diào)可以更好地適應(yīng)車輛內(nèi)外不斷變化的環(huán)境,進(jìn)而提高乘客的舒適性。

2.1.2 變頻空調(diào)和定頻空調(diào)的控制方案對比

定頻空調(diào)主要依靠開啟和關(guān)閉壓縮機(jī)來調(diào)節(jié)其本身的制冷量輸出,進(jìn)而調(diào)節(jié)車輛內(nèi)的溫度。考慮到壓縮機(jī)的潤滑,在其開啟之后,必須令壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)足夠的時(shí)間,潤滑油才能正?；亓鞯綁嚎s機(jī);同時(shí)壓縮機(jī)停機(jī)后,必須停止足夠的時(shí)間,才能保證下一次開啟之前,空調(diào)系統(tǒng)的高壓壓力和低壓壓力達(dá)到平衡,避免壓縮機(jī)帶載啟動造成的異常磨損。定頻空調(diào)通常在程序中設(shè)定,每次壓縮機(jī)開啟后,必須運(yùn)轉(zhuǎn)2 min以上才能停機(jī),每次壓縮機(jī)停機(jī)后,必須停止2 min以上才能再次開啟[6]。當(dāng)車內(nèi)熱負(fù)荷急劇變化時(shí),如果壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間正處在上述的延時(shí)時(shí)間內(nèi),壓縮機(jī)無法及時(shí)跟蹤車內(nèi)溫度的變化而開啟或關(guān)閉,就會造成車內(nèi)溫度的波動,影響乘客的舒適性。且壓縮機(jī)每次停機(jī)而后啟動的過程都會產(chǎn)生開關(guān)損耗,停機(jī)時(shí)將制冷系統(tǒng)的壓力釋放,在下次開機(jī)時(shí),又需要重新建立壓力,在此期間,消耗了能量,卻無法提供制冷量,造成能源的浪費(fèi)。

智能型變頻空調(diào)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測車內(nèi)溫度及其變化速率,采用模糊智能PID(比例、積分、微分)控制計(jì)算,快速改變壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率,令空調(diào)系統(tǒng)輸出的制冷量與車輛內(nèi)的負(fù)荷相匹配,以達(dá)到迅速降低車內(nèi)溫度的目的[7]。當(dāng)車內(nèi)溫度降低至設(shè)定溫度后,再控制壓縮機(jī)維持在適當(dāng)?shù)倪\(yùn)轉(zhuǎn)頻率上,以維持車內(nèi)溫度的恒定。當(dāng)車內(nèi)的熱負(fù)荷或者溫度急劇變化時(shí),可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的快速調(diào)整,以迅速匹配當(dāng)前的制冷量需求,從而實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)溫度的快速跟蹤與調(diào)節(jié)。

2.1.3 變頻空調(diào)節(jié)能原理

變頻空調(diào)采用智能控制,在車內(nèi)熱負(fù)荷恒定、溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),壓縮機(jī)通常在低頻狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。而壓縮機(jī)在低頻狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),由于壓縮機(jī)的排量減小,冷凝器和蒸發(fā)器的面積不變,則相對換熱面積變大,此時(shí)空調(diào)的制冷效率提高,單位制冷量的能耗降低,即空調(diào)的制冷能效比提高。

同時(shí),變頻空調(diào)的制冷量輸出可以在較大的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整,從而適應(yīng)不同的車內(nèi)負(fù)荷,減少了壓縮機(jī)停機(jī)的次數(shù),因而減少了壓縮機(jī)的開關(guān)損耗。因此在長期運(yùn)行的情況下,變頻空調(diào)更加節(jié)能[8]。壓縮機(jī)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),容積效率提高,相應(yīng)的能耗降低,也是變頻空調(diào)節(jié)能的主要原因之一[9]。

2.1.4 變頻空調(diào)節(jié)能數(shù)據(jù)

因新機(jī)場線全線使用變頻空調(diào),故未對本線路空調(diào)機(jī)組進(jìn)行定頻空調(diào)和變頻空調(diào)的耗電量對比,調(diào)取北京其他地鐵線路的節(jié)能數(shù)據(jù)如表3所示。從以上數(shù)據(jù)可看出,使用變頻空調(diào)相較于定頻空調(diào)可實(shí)現(xiàn)20%以上的節(jié)電率。

表3 北京某線路軌道車輛空調(diào)節(jié)能對比數(shù)據(jù)

2.2 壓力波動保護(hù)技術(shù)

列車高速行駛時(shí),當(dāng)出現(xiàn)列車交會或者進(jìn)出隧道的情況,車輛之間或者車輛和隧道之間的氣體瞬間產(chǎn)生的劇烈壓縮或者膨脹,會產(chǎn)生壓力的波動,如不采取措施,這種壓力的波動將通過廢排裝置出風(fēng)口或者空調(diào)機(jī)組新風(fēng)口傳入車內(nèi),造成乘客耳部的不適[10]。

為避免空氣壓力波動對車廂內(nèi)造成影響,提高客室的舒適性,北京新機(jī)場線列車在頭車安裝壓力保護(hù)控制裝置,通過檢測車廂內(nèi)外空氣壓力變化,輸出控制信號驅(qū)動控制板上繼電器動作,繼電器的觸點(diǎn)控制外部器件動作,從而實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)閥門的控制。通過控制廢排裝置壓力保護(hù)閥和客室空調(diào)機(jī)組壓力保護(hù)閥的開啟和關(guān)閉來避免空氣壓力波動對車廂內(nèi)造成影響,同時(shí)可以將反饋信號傳遞給相應(yīng)的控制器來確定壓力保護(hù)閥的工作狀態(tài)。

在客室空調(diào)機(jī)組和廢排裝置中設(shè)置壓力波保護(hù)閥,沿用了城際動車組和高速動車組的設(shè)計(jì),試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在使用了壓力波保護(hù)閥后,車輛交會時(shí)車內(nèi)的最大壓力變化僅為車外的1.6%,遠(yuǎn)小于壓力變化環(huán)境下人體舒適性標(biāo)準(zhǔn)(1 250 Pa/3 s)[11],確保了列車在160 km/h高速行駛時(shí)車內(nèi)乘客的舒適性。

2.3 低溫等離子空氣凈化技術(shù)

北京新機(jī)場線智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)還搭載了新型的低溫等離子空氣凈化裝置。低溫等離子空氣凈化技術(shù)是通過低溫等離子體制造臭氧進(jìn)行空氣凈化的技術(shù)。“低溫等離子體”是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的物質(zhì)的第四態(tài),當(dāng)外加電壓達(dá)到氣體的放電電壓時(shí),氣體被擊穿,產(chǎn)生包括電子、各種離子、原子和自由基在內(nèi)的混合體。放電過程中雖然電子溫度很高,但重粒子溫度很低,使整個(gè)體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài),所以稱為“低溫等離子體”[12]。低溫等離子技術(shù)是電子、化學(xué)、催化等綜合作用下的電化學(xué)過程,是一種全新的技術(shù)。

等離子體場中含有大量的高能自由基,能直接與微生物內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致微生物的死亡。等離子體產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)高速粒子,直接對細(xì)菌、病毒體進(jìn)行高速射擊,致其死亡,而且具有廣譜性。等離子導(dǎo)電流中含有大量活性氧原子、氫原子、高能自由基等活性物質(zhì),能使各種污物得到快速分解消除,同時(shí)空氣中的有害氣體和有機(jī)物在電子網(wǎng)的沖擊下,被分解成水分子和二氧化碳[13]。

針對空氣凈化裝置的凈化效果,委托在試驗(yàn)室中做了相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證,凈化前后的撞擊菌落數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 開啟空氣凈化裝置前后菌落數(shù)量對比 CFU/m3

低溫等離子空氣凈化裝置兼具殺菌消毒、除甲醛等芳香族化合物、除烯烴類化合物、除異味的功能,對車輛內(nèi)的空氣實(shí)現(xiàn)了更加全面的凈化,是北京新機(jī)場線智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)的又一大技術(shù)改進(jìn)。

3 結(jié)束語

通過對北京新機(jī)場線所應(yīng)用的智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行方案解析,可以看出,智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢:

(1) 空調(diào)機(jī)組智能控制,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測及調(diào)節(jié);

(2) 壓縮機(jī)變頻控制,更加舒適且節(jié)能;

(3) 搭載壓力波保護(hù)裝置,確保列車提速后乘客的舒適性;

(4) 搭載新型的低溫等離子空氣凈化裝置,可全面凈化車內(nèi)空氣。

綜合以上的優(yōu)勢,智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)方案已成為軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。目前,我國自主研發(fā)的“復(fù)興號”標(biāo)準(zhǔn)動車組已經(jīng)采用了智能型變頻空調(diào)系統(tǒng),而本次在北京新機(jī)場線車輛上的應(yīng)用,有助于智能型變頻空調(diào)系統(tǒng)在市域列車空調(diào)領(lǐng)域的推廣。