江门中车轨道交通装备有限公司 广东省 529000
摘要：随着科学技术的快速发展以及社会经济的进步，当前我国各大城市的城市轨道交通发展迅速，极大的方便了人们的出行和生活。而如何在城市轨道交通内构建变频空调系统，为广大居民群众提供一个舒适的环境，是当前轨道交通研究的重要课题。通过对车辆热负荷的组成以及影响因素进行探究，同时研究轨道交通车辆制冷压缩机的工作特性，能够有效帮助工作人员对变频空调和定速空调的制冷原理以及控制方法进行分析。本文介绍了常用空调控制策略和变频空调系统对节能以及舒适性的影响分析，为制定相应的变频空调节能策略以及提升舒适性提供资料，以期为工作人员提供指导和帮助。
关键词：城市轨道交通；变频空调系统；节能；舒适性；控制策略
对城市轨道交通来说，其客流量变化与城市人群生活习惯息息相关，具体来说，在人们上下班时期，城市轨道交通也处于高峰期，其他时间段客流量较少，因此，轨道交通车辆的空调系统不能简单粗暴的采用“大一统”的方法进行工作，在客流量低峰期倘若开全冷空调，不仅会造成能源资源的大量浪费，还会让乘客在乘坐时产生不适感。因此，空调负荷匹配技术的研究是当前城市轨道交通热点。
一、车辆空调热负荷组成及对节能影响的分析
1.1车辆空调热负荷组成
车辆空调热负荷主要是由车体隔热板热量、外界辐射热、乘客机体散热、新风热负荷以及轨道交通车辆机械设备散热几个方面组成的。其中，乘客机体散热量取决于客流量大小，新风热负荷受到车外温度以及湿度的影响，而轨道交通车辆机械设备的散热主要包括照明热量，是比较固定的。
1.2热负荷的主要影响因素
1.2.1轨道交通车辆客流量对热负荷变化的影响
我国轨道交通相关部门要求车辆内的空调是以定员状态下散热量进行制定的，但是实际运营时正如上文所说，轨道交通客流量的变化程度极大。当车辆处于极限载客状态时，倘若空调系统能够短时间内提升制冷措施，就能够为乘客提供良好的服务。而当轨道车辆载客量小于定员负荷时，倘若定速空调的制冷不进行相应的调节，就会造成车厢内温度过低，影响乘客舒适度的同时造成能源资源的大量浪费。
1.2.2外界环境参数变化的影响
在进行车辆空调设计时，通常是在固定温度下进行制冷系统设计的，但是车辆实际运行环境温度波动极大。因此，传统的定速空调的制冷效果受到外界气温的影响，倘若外界气温高于额定工况，空调制冷就会呈现不足，使得车厢内温度过高，而当外界气温低于额定工况时，空调的制冷又显得“相对过大”，造成送风温度过低，从而影响乘客乘坐舒适性。为了避免外界温度过高造成车厢内过热、乘客呼吸不畅等问题，部分城市在进行轨道交通制冷设计时，将额定工况温度设定成了45℃，这样尽管能确保高温时车厢内的制冷情况，但是也会造成大量的能源消耗以及车厢温度过低等情况。
二、常用空调控制策略对节能以及舒适度的影响
2.1制冷压缩机工作特性
在轨道交通制冷设备中，制冷压缩机一般不允许连续进行开关机，这是为了保障机油能够顺利回流到压缩机，从而对设备进行充分的润滑，确保在运转过程中制冷压缩机的稳定性和可靠性。同时，在制冷压缩机停机后需要使设备完全停止3min后再开机，确保设备在下次开机前内部的高压和低压处于平衡状态。
制冷压缩机中制冷剂的冷凝必须要在足够高压压力的前提下才能实现，而压缩机在开机过程中，需要预留一定的时间建立高压状态。而在此过程中，制冷压缩机并不能进行制冷。所以说，当车厢内温度波动较大时，尽管制冷压缩机及时开机进行制冷，但是建立高压状态这段时间依旧是轨道交通车辆的制冷真空期，这段时间会造成乘客乘车舒适度下降。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2.2定速空调一般控温策略
轨道交通车辆内的定速空调，能够通过开关压缩机实现制冷量的调节，但是在车厢内热量负荷波动较大的情况下，由于压缩机延时真空期的影响，车厢内空调制冷也会出现延后的现象，影响乘客乘车舒适性，引发乘客投诉。
2.3热气旁通卸载方式
热气旁通卸载方式，就是指将制冷压缩机在进行升压时排出的气态制冷剂经旁通电磁阀排至膨胀阀口，从而减少制冷量。这种方式能够借助对卸载电磁阀开关时间的控制，将车厢内制冷空调的制冷量进行调节，从而有效避免了制冷压缩机升压时的真空制冷期，实现车厢内部制冷设备的连续制冷。但是这种方式将会增加电磁阀的开关负荷，减少其使用寿命。由于电磁阀开关的维修成本极高，因此轨道交通设计人员通常采用简短调节的方式，达到制冷量调节与电磁阀开关寿命的平衡。尽管这样车厢内温度调节可能存在一定的真空期，但是远远优于传统的控温方式，从而提升乘客的乘车舒适度。
2.4多压缩机并联方式
理论上说，采用多个压缩机并联的方式，能够实现制冷量的多级控制，但是由于轨道交通车辆内部尺寸空间的限制以及压缩机容量的限制，压缩机的数量一般控制在4个。通过4个制冷压缩机并联的方式，能够实现制冷0、25%、50%、75%、100%五级控制，尽管这是一种不连续的温度调节方式，但是这种方式也能够有效缩短制冷压缩机升压时的真空期。但是这种4压缩机并联的方式，不能够实现大范围的制冷量需求。
三、变频空调控制策略对节能及舒适度的影响
3.1变频空调制冷量输出控制原理
变频空调，就是指通过对压缩机运行频率进行改变实现空调制冷量的调节。一般来说，一节车厢内通过两台变频压缩机在20~160Hz之间的频率调节，能够实现大范围。连续性制冷及调节。
通过2台压缩机进行大范围的频率变化，能够有效解决定速空调无法进行大范围制冷量调节的缺陷。而当车厢内乘客数量超过定员数量时，可以将压缩机的运行频率进行提高，从而实现大范围制冷，提升乘客的舒适度。
3.2变频空调频率控制措施
上文提到，城市轨道交通在进行实际运营时，客流量的波动随时间段的变化是极为剧烈的，这会影响车厢内热负荷变化，从而影响乘客乘车舒适度。通过在车厢内安装变频空调，能够实现借助车厢温度变化速率来进行车厢频率的跟踪和调节。而变频空调通过对以上参数进行分析，通过对比例、积分以及微分方法进行计算，实现短时间内制冷压缩机的频率调节，确保其制冷量与车厢内综合热负荷相匹配，从而让车厢温度迅速下降到乘车最适温度。同时，变频空调具有更好的运行稳定性，因此其能保证长时间内车厢温度的稳定。
现阶段，轨道交通车辆变频空调频率运算一般为10秒1次，每次计算得到的频率值在15-~50Hz之内。当外界温度、湿度以及车厢内客流量变化较大时，通过对变频空调进行调节，使得运行陪你率迅速升高，达到预期工作频率以及恰当的制冷量，从而为乘客提供一个更加舒适的乘车环境。
3.3变频空调的节能原理分析
变频空调节能原理主要包括以下三点：
第一，车厢内温度发生较大的变化时，变频空调智能控制系统对制冷压缩机的运行频率进行调节，使得空调运行频率与车厢内温度相匹配，避免了定速空调频率调节较慢的情况，实现了节能环保与乘客舒适度并行的要求。
第二，当变频空调压缩机的运行频率较低时，压缩机的容积效率提升，从而减少电能的消耗。
第三，当轨道交通车厢内变频空调智能压缩机运行频率较低时，压缩机排出的制冷剂减少，冷凝器和蒸发器面积相对变大，使得空调的制冷效率提升，减少了电量消耗。同时，当变频空调长时间在低频状态运行时，压缩机的机油回流正常，有效减缓了压缩机的运行磨损，延长了其寿命。
参考文献：
[1]张永利，金甜甜，高福学.微通道冷凝器在城市轨道交通车辆变频热泵空调上的应用[J].城市轨道交通研究，2018，20（11）：24-28.
[2]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[J].城市轨道交通研究，2017，20（07）：123-126.
[3]李剑，刘美堂，高福学.城市轨道交通车辆变频空调系统节能及舒适性分析[J].城市轨道交通研究，2017，18（05）：99-103.
[4]张永利，孟胜军.轨道车辆变频空调机组在轨道交通中的节能分析[J].现代城市轨道交通，2016（06）：19-22.
[5]李国庆. 新型城市轨道交通通风空调多功能集成系统研究[D].天津大学，2016.
论文作者:李文沛
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/29
标签：轨道交通论文; 压缩机论文; 车辆论文; 空调论文; 乘客论文; 变频空调论文; 温度论文; 《防护工程》2018年第35期论文;