淺談地鐵列車空調(diào)節(jié)能改造

淺談地鐵列車空調(diào)節(jié)能改造

許多地鐵列車的空調(diào)采用了固定的新風(fēng)量模型。新風(fēng)量的數(shù)量由車輛的定員決定。由于大部分時間不是車輛的實際狀態(tài)，因此固定新風(fēng)量會浪費能耗。文獻(xiàn)指出:地鐵列車的電力消耗主要發(fā)生在牽引用電和空調(diào)系統(tǒng)用電兩個方面,在現(xiàn)有的地鐵列車的實際耗能統(tǒng)計中,空調(diào)系統(tǒng)的耗能接近地鐵列車總能耗的一半。目前,在新風(fēng)節(jié)能方面提出較多的方法是采用變新風(fēng)模式,在制冷季節(jié)根據(jù)地鐵列車內(nèi)部冷負(fù)荷在不同時間的變化實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的變新風(fēng)量運(yùn)行,以節(jié)省地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)的能耗。文獻(xiàn)的研究表明,采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可以取得明顯的節(jié)能效果。另有研究表明,地鐵列車的新風(fēng)系統(tǒng)存在著很大的節(jié)能空間,根據(jù)地鐵車輛載客量實時控制新風(fēng)量是一種行之有效的節(jié)能措施。在新風(fēng)節(jié)能方面的另一個方法是全新風(fēng)空調(diào)模式,但目前采用全新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)僅在建筑物上應(yīng)用,在地鐵列車上還未出現(xiàn)。全新風(fēng)模式下通風(fēng)量全部采用室外新風(fēng),無室內(nèi)回風(fēng)。如果在過渡季節(jié)用新風(fēng)代替空調(diào)制冷,就能起到節(jié)能的效果。昆明地處北緯25.01°,屬于亞熱帶地區(qū),冬暖夏涼,在制冷季節(jié)晝夜溫差較小,溫度變化趨勢相對平穩(wěn)。若在昆明運(yùn)行的地鐵列車,相比上海等地,其車外溫度較長時間內(nèi)低于車內(nèi)設(shè)定溫度,因此可以利用新風(fēng)制冷來調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度。這樣既可滿足車內(nèi)新風(fēng)的要求,又節(jié)省了空調(diào)能耗。本文提出昆明地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)以混合新風(fēng)模式運(yùn)行,即當(dāng)車外溫度比車內(nèi)溫度低3℃以上時,在通風(fēng)量范圍內(nèi)采用變新風(fēng)量運(yùn)行,通過新風(fēng)達(dá)到制冷的效果(即新風(fēng)制冷);在其他溫差情況下,在額定新風(fēng)量范圍內(nèi)采用變新風(fēng)量模式,并通過空調(diào)裝置達(dá)到制冷的效果(即空調(diào)制冷)。昆明地鐵在建的1號線和2號線全長41.9km,初期營運(yùn)車輛預(yù)計為240輛,擬采用B型車運(yùn)營。本文通過預(yù)測昆明制冷季節(jié)地鐵B型車1節(jié)車廂的空調(diào)能耗來分析在地鐵列車上采用混合新風(fēng)模式的節(jié)能潛力。1結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測地鐵列車內(nèi)部的空調(diào)負(fù)荷由太陽輻射負(fù)荷、乘客散熱負(fù)荷、車體傳熱負(fù)荷、設(shè)備散熱負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷等5部分組成。影響列車空調(diào)負(fù)荷的主要因素為乘客散熱負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷。要計算實際情況下乘客的散熱負(fù)荷就需要知道列車上的客流量情況。由于昆明地鐵還未通車,只能對客流量情況進(jìn)行預(yù)測。借用上海軌道交通1號線工作日的客流量來推測昆明地鐵的客流量。車輛定員一般以AW2(額定載荷)工況下6人/m2計算,1節(jié)A型車車廂定員310人,B型車定員240人。上海軌道交通1號線采用的是A型車,昆明地鐵擬采用B型車,因此,根據(jù)車輛定員的比值將上海軌道交通1號線工作日客流量轉(zhuǎn)換成昆明地鐵的預(yù)測客流量(如圖1所示),并假設(shè)昆明地鐵某條線車站數(shù)量和站間運(yùn)行時間與上海軌道交通1號線的相同。圖1為B型車1節(jié)車廂在不同時間的車內(nèi)乘客數(shù)量,車廂內(nèi)的乘客人數(shù)在列車始發(fā)站和即將進(jìn)入終點站時很少,而在列車運(yùn)行于全線的中間站點時較多,因此,在圖1中形成了由低到高,再由高到低的若干個三角形的客流量曲線。從圖1中可以看出,8點至9點為客流量早高峰時段,16點到19點為晚高峰時段。按客流量對列車運(yùn)行時間進(jìn)行分段統(tǒng)計,結(jié)果如表1所示。從表1可以看出,在全天運(yùn)行時間內(nèi),1節(jié)車廂內(nèi)低于160人的時間達(dá)812min,占全天總運(yùn)行時間的90.2%。其它客流量對應(yīng)的列車運(yùn)行時間所占比例都很少。因此,地鐵列車新風(fēng)的節(jié)能潛力很大。2車內(nèi)、外風(fēng)量的選取當(dāng)車外溫度與車內(nèi)溫度相差不到3℃或比車內(nèi)溫度高時,需要運(yùn)行空調(diào)制冷。B型車額定新風(fēng)量為2400m3/h,并采用變新風(fēng)量模式根據(jù)冷負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié),以減少新風(fēng)負(fù)荷。當(dāng)車外溫度比車內(nèi)溫度低3℃以上時,通風(fēng)量全部采用車外新風(fēng),即通過全新風(fēng)制冷來代替空調(diào)制冷,此時沒有新風(fēng)負(fù)荷,車內(nèi)冷負(fù)荷僅有太陽輻射負(fù)荷、乘客散熱負(fù)荷、車體傳熱負(fù)荷和設(shè)備散熱負(fù)荷等。全新風(fēng)量的大小影響新風(fēng)制冷的效果,因此需要根據(jù)式(1)來確定新風(fēng)量。式中:Q——車內(nèi)冷負(fù)荷,kW;ρ——空氣密度,kg/m3;V——新風(fēng)量,m3/h;Δh——車內(nèi)外空氣的焓差,kJ/kg。從式(1)可以看出,新風(fēng)量受到車內(nèi)冷負(fù)荷和車內(nèi)外空氣焓差的影響。當(dāng)車內(nèi)設(shè)計溫濕度一定時,車內(nèi)外空氣焓差受車外空氣的溫濕度的影響,因此需要知道車外的實時溫度。2.1莫比系數(shù)法車外溫度受地理因素影響較大,需要采用昆明當(dāng)?shù)氐膶嶋H溫度。每天的實時溫度可根據(jù)當(dāng)天中最高、最低氣溫,采用莫比系數(shù)法計算。昆明每天的最高、最低氣溫通過新浪天氣網(wǎng)獲得。其最高、最低氣溫有兩種,分別是歷史極端最高、最低氣溫和歷史平均最高、最低氣溫,如圖2所示。昆明制冷季節(jié)擬定為5月1日至9月30日,其歷史平均最高、最低溫度基本在15℃和25℃之間,極端溫度跨度較大,從5～30℃。2.2冷負(fù)荷預(yù)測器當(dāng)通過全新風(fēng)制冷來代替空調(diào)制冷時,車內(nèi)無新風(fēng)負(fù)荷,車內(nèi)冷負(fù)荷僅有太陽輻射負(fù)荷、乘客散熱負(fù)荷、車體傳熱負(fù)荷和設(shè)備散熱負(fù)荷等。2.2.1表1所示表1圖2由于相關(guān)資料有限,太陽輻射強(qiáng)度最大值采用了廣州市13:00時的數(shù)據(jù),通過修正后得到昆明市的太陽輻射強(qiáng)度(如表2所示)。計算太陽輻射負(fù)荷時,透明玻璃窗面積包括車體側(cè)面的窗面積和車門上的窗面積。單側(cè)窗體面積為8m2,頂部和底部無窗體,窗構(gòu)造修正系數(shù)取0.7。靜止時車體綜合傳熱系數(shù)為2.5W/(m2·K),外表面對流換熱系數(shù)為16W/(m2·K)。通過計算得出太陽輻射負(fù)荷約為9kW,若在地下運(yùn)行,則太陽輻射負(fù)荷為零。2.2.2車輛設(shè)備的冷熱負(fù)荷車內(nèi)設(shè)備散熱負(fù)荷預(yù)定為4kW。2.2.3軸承壁表面的傳統(tǒng)負(fù)載當(dāng)通過全新風(fēng)制冷來代替空調(diào)制冷時,假設(shè)車外溫度比車內(nèi)溫度低4℃,此時,通過車體由內(nèi)向外散熱約為2kW。2.2.4乘客熱風(fēng)負(fù)荷按定員240人計算,人均散熱量為116.3W,則乘客散熱負(fù)荷約為28kW。超員時以8人/m2計算,B型車1節(jié)車廂超員后為320人,則乘客散熱負(fù)荷約為37kW。2.2.5冷負(fù)荷車輛車內(nèi)冷負(fù)荷為上述4項負(fù)荷之和,定員情況下,車內(nèi)冷負(fù)荷約為39kW。按客流量大小計算乘客散熱負(fù)荷,最大車內(nèi)冷負(fù)荷如表3所示。2.3風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)下的．風(fēng)壓新風(fēng)制冷時根據(jù)UIC553,車內(nèi)溫度tn可以根據(jù)不同的車外溫度tw設(shè)定:當(dāng)tw≥19℃時,tn=22+0.25(tw-19);當(dāng)tw<19℃時,tn=22℃。由此可知,當(dāng)車外溫度比車內(nèi)溫度低3℃以上時,車內(nèi)溫度為22℃。車內(nèi)相對濕度可定為65%(資料顯示,昆明歷年平均夏季相對濕度為65%)。結(jié)合上述參數(shù),根據(jù)不同的實時車外溫度,計算不同全新風(fēng)量下所對應(yīng)的新風(fēng)制冷量,所得結(jié)果如表4所示。目前,地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理方式皆為回風(fēng)與新風(fēng)冷卻前一次混合的方式,新風(fēng)量約占通風(fēng)量的三分之一。B型車額定新風(fēng)量為2400m3/h,通風(fēng)量為7200m3/h,則全新風(fēng)量也為7200m3/h。結(jié)合表3和表4可知,新風(fēng)制冷采用7200m3/h的風(fēng)量,當(dāng)車外溫度為15℃時,新風(fēng)制冷量為41.4kW,能滿足定員情況下最高車內(nèi)冷負(fù)荷39kW的要求。當(dāng)車外溫度為14℃時,新風(fēng)制冷量為46.5kW,接近超員情況下的車內(nèi)冷負(fù)荷。但是在車外溫度低于15℃,客流量少于160人次的情況下,車內(nèi)最高冷負(fù)荷與新風(fēng)制冷量相差較大。如仍采用7200m3/h的全新風(fēng)量進(jìn)行制冷,會導(dǎo)致車內(nèi)溫度偏低,此時可能會產(chǎn)生舒適性問題。由此可見,采用固定的全新風(fēng)量進(jìn)行新風(fēng)制冷存在一定的缺陷,需要將新風(fēng)制冷模式的新風(fēng)量設(shè)定為可調(diào)模式,即新風(fēng)量可根據(jù)車內(nèi)冷負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)列車空調(diào)負(fù)荷過低時采用部分新風(fēng)制冷,不足的通風(fēng)量可引入回風(fēng)補(bǔ)充。當(dāng)車外溫度在17～19℃之間,車內(nèi)人數(shù)超過160人的情況下,7200m3/h的全新風(fēng)量也可能無法抵消車內(nèi)的冷負(fù)荷,此時可以在全新風(fēng)模式下運(yùn)行壓縮機(jī)的同時進(jìn)行制冷,或者可以加大全新風(fēng)量,采用8000m3/h的全新風(fēng)量。3在混合動力模式中的節(jié)能潛力研究昆明地鐵運(yùn)行混合新風(fēng)模式的節(jié)能效果可以通過預(yù)測制冷季節(jié)的列車空調(diào)冷負(fù)荷來分析。3.1下一步計算公式為目前,大多數(shù)地鐵列車空調(diào)采用定新風(fēng)量模式,部分地鐵列車采用變新風(fēng)量模式。這兩種模式都需要長時間地運(yùn)行空調(diào)來進(jìn)行制冷。昆明氣候條件比較特殊,可采用新風(fēng)制冷和空調(diào)制冷的混合新風(fēng)模式。為了解這種混合新風(fēng)模式的節(jié)能潛力,本文將空調(diào)運(yùn)行分為三種新風(fēng)模式和六種計算工況,如表5所示。1)定新風(fēng)模式:目前大多數(shù)地鐵列車空調(diào)采用的定新風(fēng)量模式,其新風(fēng)量根據(jù)車輛定員以10m3/(h·人)計算。目前昆明地鐵列車擬采用B型車,車輛定員一般以AW2工況下6人/m2計算,B型車定員約240人,額定新風(fēng)量為2400m3/h。2)變新風(fēng)模式:新風(fēng)量可以根據(jù)車廂載重量信號或者車內(nèi)二氧化碳濃度來確定,即根據(jù)乘客數(shù)量來調(diào)整新風(fēng)量。新風(fēng)量為三級可調(diào),B型車額定新風(fēng)量為2400m3/h,則三級新風(fēng)量分別為800m3/h(乘客數(shù)量在0～80人之間)、1600m3/h(乘客數(shù)量在81～160人之間)、2400m3/h(乘客數(shù)量在161～240人之間)。3)混合新風(fēng)模式:擬在昆明這種氣候比較特殊的地方采用的新風(fēng)模式。當(dāng)車外溫度比車內(nèi)溫度低3℃以上時,運(yùn)行新風(fēng)制冷來代替空調(diào)制冷,其新風(fēng)量可根據(jù)車內(nèi)不同冷負(fù)荷在通風(fēng)量范圍內(nèi)調(diào)整;車內(nèi)外溫差在其他情況下時,按照變新風(fēng)模式進(jìn)行三級可調(diào),以達(dá)到節(jié)能的效果?；旌闲嘛L(fēng)模式的實施方法如表6所示。一般在滿足新風(fēng)制冷的條件下,不需要運(yùn)行壓縮機(jī)來進(jìn)行空調(diào)制冷,僅根據(jù)車內(nèi)冷負(fù)荷而調(diào)整新風(fēng)量,同時通過配合調(diào)整回風(fēng)量以防止車內(nèi)溫度過低。如果在7200m3/h的全新風(fēng)量情況下,仍無法滿足車內(nèi)冷負(fù)荷,此時需要運(yùn)行制冷壓縮機(jī)來進(jìn)行空調(diào)制冷,并采用變新風(fēng)模式(新風(fēng)級別分為一至三級,如表6所示)。3.2空調(diào)能耗分析實時負(fù)荷預(yù)測時,太陽輻射負(fù)荷、人員散熱負(fù)荷、車體傳熱負(fù)荷以及新風(fēng)負(fù)荷都隨時間而變化。假定車體按長度方向南北行駛,車體方位角為90°,車速為45km/h;太陽常數(shù)為1367W/m2,地面陽光反射率為0.25,大氣透明度為0.7,車體表面陽光吸收系數(shù)為0.7,窗體無遮陽,窗體遮陽系數(shù)為1,窗體透光系數(shù)為0.7。設(shè)制冷季節(jié)每天客流量都相同,計算對象為1節(jié)車廂,對相應(yīng)負(fù)荷計算公式進(jìn)行編程計算,得出三種新風(fēng)模式六種工況下的空調(diào)能耗,如表7所示。從表7可以看出,當(dāng)車外溫度根據(jù)歷史極端溫度計算時,列車空調(diào)在變新風(fēng)模式下比定新風(fēng)模式節(jié)能5.4%。其主要原因是在定新風(fēng)量模式下,當(dāng)tw>tn時新風(fēng)負(fù)荷較大,故空調(diào)能耗隨之增大。但當(dāng)車外溫度根據(jù)歷史平均溫度計算時,變新風(fēng)模式卻比定新風(fēng)模式多耗能8.4%。造成這種結(jié)果的主要原因是制冷季節(jié)中歷史平均溫度變化整體較平緩,使得車外溫度長時間比車內(nèi)設(shè)定溫度低,新風(fēng)也能起到一定的制冷作用,從而降低了定新風(fēng)量模式下的空調(diào)整體能耗。而變新風(fēng)模式下由于新風(fēng)量可調(diào),因此當(dāng)tw<tn時如果新風(fēng)量因車輛定員不足而減少,能抵消的車內(nèi)冷負(fù)荷也相應(yīng)較少,使得車內(nèi)的大部分負(fù)荷仍需要依靠空調(diào)制冷,從而增加了空調(diào)能耗。混合新風(fēng)模式綜合了定新風(fēng)和變新風(fēng)的優(yōu)點,因此能耗最小。當(dāng)車外溫度根據(jù)歷史極端溫度計算時,混合新風(fēng)模式比定新風(fēng)模式節(jié)能14.1%,比變新風(fēng)模式節(jié)能9.3%。而根據(jù)歷史平均溫度計算時,混合新風(fēng)模式比定新風(fēng)模式僅節(jié)能2.9%,主要原因為制冷季節(jié)中歷史平均溫度的最高、最低溫度相差不大。根據(jù)混合新風(fēng)模式的運(yùn)行條件和實時負(fù)荷計算結(jié)果,統(tǒng)計出混合新風(fēng)模式下不同制冷方式的運(yùn)行時間,如表8所示。由表8可知,昆明地鐵列車在制冷季節(jié)的總運(yùn)行時間為2238h。按兩種歷史溫度計算,空調(diào)制冷的運(yùn)行時間基本相同,占總運(yùn)行時間的80%左右。當(dāng)tn-tw≥3℃時,按歷史極端溫度計算,新風(fēng)制冷的運(yùn)行時間為394h,占地鐵列車總運(yùn)行時間的18%;按歷史平均溫度計算,新風(fēng)制冷的運(yùn)行時間為479h,占地鐵列車總運(yùn)行時間的21%。由于新風(fēng)制冷的能耗遠(yuǎn)比空調(diào)制冷的低,因此混合新風(fēng)模式有著極大的節(jié)能潛力。3.3風(fēng)制冷模式下的空調(diào)能耗在全新風(fēng)制冷的模式下,隨著新風(fēng)量的提高,節(jié)能量也似乎應(yīng)當(dāng)增加。但是新風(fēng)量的過度提高會增加風(fēng)機(jī)能耗,所以需要研究是否有必要通過增加新風(fēng)量達(dá)到更加節(jié)能的效果。在全新風(fēng)制冷的模式下,通風(fēng)量就等于新風(fēng)量,通風(fēng)量不同時的新風(fēng)量也不同?？赏ㄟ^計算分析不同通風(fēng)量情況下制冷季節(jié)的空調(diào)能耗,當(dāng)通風(fēng)量為7200m3/h、8000m3/h、9000m3/h和10000m3/h時混合新風(fēng)模式的空調(diào)能耗如表9所示。由表9可知,與通風(fēng)量7200m3/h時相比,8000m3/h的通風(fēng)量節(jié)能效果不大;當(dāng)通風(fēng)量高于8000m3/h時,空調(diào)的節(jié)能量增加很小。由此可見,昆明地鐵列車采用混合新風(fēng)模式時,通風(fēng)量可采用7200m3/h或8000m3/h。4地鐵列車空調(diào)的運(yùn)行模式昆明氣候比