摘要：目前，城市轨道交通车辆空调系统主要以单冷型或增加加热器的电加热型空调机组为主。本文介绍了一种通过在空调系统中增加四通换向阀来使得空调通过制冷功能的逆循环来实现制热功能的方案——热泵型空调，该方案与电加热型空调机组相比价格及维护成本较低、减轻列车重量，并且节能降耗更加环保，可在非严寒地区可靠运用，当前，某些城市地铁车辆已开始应用，效果良好。
1.前言
空调系统主要为地铁车辆的司机室和客室提供冷、热风及新鲜空气，提高司机驾驶舒适性及乘客的乘坐体验，保证地铁车厢内正常的空气量供给。近年来，轨道交通发展迅猛，地铁车辆也在根据运营经验及技术发展不断更新换代。其中，空调系统的不断改进主要围绕节能降耗、降低成本、增加舒适感、安全运行等方面进行。热泵型空调机组是在单冷型空调器的基础上，增加了利用热泵制热的原理而获得制热功能的空调器，其主要是在系统中增加了一个四通换向阀。
2热泵型空调机组原理
2.1制冷原理
空调机组的制冷回路由压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、四通阀等主要部件组成，通过铜管钎焊连接形成封闭的制冷系统。在制冷回路中，压缩机将低温低压的气态制冷剂压缩成高温高压的过热气体进入冷凝器，通过冷凝风机使外界空气与冷凝器进行强制换热，冷凝成液体。冷凝器内的液体通过电子膨胀阀进行节流降压进入到蒸发器，通过通风机使客室与外界新风组成的混合空气与换热器进行强制换热，蒸发器内的液体蒸发成为低压气体，再被压缩机吸入，完成一个制冷循环。压缩机连续工作，达到连续制冷的效果。车内空气被通风机从回风口吸入与新风混合后经过蒸发器除湿降温，并由出风口吹出，向车内提供冷量，在制冷系统连续工作下使车内温度逐渐降低，并由空调机组本身自动控制车内温度，车内温度可在19～27℃范围内调节。
2.2制暖原理
制暖时制冷剂在制冷回路中的流动方向通过四通阀的换向与制冷时相反，室外冷凝器和客室蒸发器的作用互换。由压缩机将制冷剂压缩成高温高压的过热气体，通过四通阀切换进入蒸发器，由通风机进行强制换热，客室冷空气经过蒸发器加热后送到车内，达到制暖目的。蒸发器中的热蒸汽经过客室冷空气的冷凝后变成液体，进入电子膨胀阀降压成低温液体，进入冷凝器蒸发。当外界温度较低时，室外侧冷凝器会产生结霜现象，结霜到一定程度后，空调会自动判断并进行除霜。除霜时，两个系统分别进行，保证空调出风口无冷风吹出。系统原理图如图1所示：
图1 系统原理图
热泵空调相比单冷空调增加了一个关键部件——四通换向阀（如图2和图3中4为阀体，3为气动换向电磁部件）。当夏季来临，车内需要制冷时，四通换向阀不通电，系统中的制冷剂按照图2所示的流程进行循环，此时车内换热器为蒸发器，从车中吸热，车外换热器为冷凝器，向外界环境散热；冬季时若车内需要制热，则将四通阀线圈通电，此时制冷剂按照图3所示的流程在制冷系统中循环，此时车内侧换热器为冷凝器，向车内散热，车外换热器为蒸发器，从外界环境吸热。
图2 四通阀制冷状态 图3 四通阀制热状态
3.热泵型空调的优势
电加热型空调机组是在冷风型空调器的基础上增加了采用电热原理制热的加热器，电加热器可以是金属丝、合金丝等电阻发热器件，也可以是陶瓷发热元件。金属丝发热方式与热泵发热方式相比更容易引起火灾等安全隐患；考虑到部件成本热泵型空调仅需增加四通阀，而电加热则需增加电加热器、温度开关、高温线缆等，成本较高；从节能方面看热泵能效比能达到2，电加热仅为1，顺应国家节能减排改善环境的政策需要；考虑整车重量仅增加四通阀一个元器件要比全列车安装电加热装置更符合车辆轻量化要求；从检修维护角度来看，热泵型更能减少检修维护人力成本，同时减少了故障维护点，仅需在检修空调机组时一并检查。成都地区的极端最低气温为-5.9℃。变频热泵型空调机组通过验证，可在环境温度为-10℃以上可靠运行。
4.结语
热泵型空调机组的应用，有利于优化车辆内部结构，增加内部空间移作他用，可缓解目前车辆内部设备空间紧张的状况，促进车辆制造工业的产品结构调整，有利于提升我国车辆制造装备水平。
参考文献：
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3.曾青中，韩增盛.城市轨道交通车辆(第3版)[M].西南交通大学出版社，2016.
论文作者:王传鲁,蔡蓉燕
论文发表刊物:《防护工程》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/12
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