智能型变频空调在北京新机场线的应用.pdf

52机车车辆工艺第4期2 0 2 3年8 月计算机运用文章编号：10 0 7-6 0 34（2 0 2 3)0 4-0 0 52-0 3D0I:10.14032/j.issn.1007-6034.2023.04.014智能型变频空调在北京新机场线的应用蒋琦，孙琳？，孙靖飞？,王三磊？，蒋政言？，刘小虎3（1.重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆40 112 0；2.山东朗进科技股份有限公司，山东青岛2 6 6 0 7 1；3.中国铁路济南局集团公司设备监造部济南项目部，山东济南2 50 0 2 2）摘要：智能化、节能性、舒适性已经成为轨道车辆空调系统的发展方向。文章介绍了北京新机场线轨道车辆所使用的智能型变频空调系统方案。通过集成变频空调系统、压力波保护控制装置和低温等离子空气净化装置，提升了乘坐舒适性的同时，降低了空调系统能耗以及运营成本。关键词：轨道交通车辆；变频空调；压力波保护；低温等离子空气净化中图分类号：U260.35文献标识码：B随着国内轨道交通的飞速发展，以及国家“十四五”规划的提出，轨道车辆的智能控制、绿色低碳已成为了新的发展方向。智能型变频空调技术已经在商用空调和家用空调领域得到广泛验证，拥有能耗低、舒适性高、维护成本低等优势 2 。而该技术在轨道交通车辆空调领域的应用，也已得到了各大城市运营商 3】、车辆厂 4 以及空调制造商 5】的研究、实施和推广。北京轨道交通新机场线车辆，以CRH6F城际动车组技术平台为基础打造，搭载了智能型变频空调系统，结合了地铁空调和国铁空调的先进技术。本文针对该空调系统的方案进行解析，分析其技术原理及特点。1北京新机场线线路概况北京市处于华北平原北端，属于中纬度暖温带气候，冬夏季温差较大。同时新机场线是目前中国首个市域全自动无人驾驶快速轨道交通线，最高运行时速16 0 km，全线长41.36 5km，其中高架17.6 7 0km、U 形槽和地下2 3.6 95km，一节车厢定员（A W2）为140 人。综合新机场线复杂多变的线路环境条件，车辆空调需要根据不断变化的外界和车内环境，对制冷量进行实时调节，才能满足乘客的舒适性需求。因此，搭载智能型变频空调系统，成为该线路车辆的首选方案。收日期：2 0 2 2-0 3-2 8作者简介：蒋琦（1990 一），女，工程师，硕士。2智能型变频空调方案北京新机场线客室空调系统采用机电一体化设计，变频器与空调系统实现了一体化组装，使设备布置简单，安装简易、操作安全。同时空调系统集成了压力波保护装置和空气净化装置，在实现空调通风、环境控制功能的同时，达到了空间的最大化利用。每台空调配备2 套相互独立的制冷循坏系统，压力传感器、电子膨胀阀等智能检测设备实时对空调的运行状态进行监控和调节。空调的制冷循环系统原理如图1所示，卫风机压力传感器压力传感器压力传感器压力传感器人液分离器电子膨胀阀电子脑张阀通风机?二蒸发器蒸发器图1制冷循环系统原理图2.1空调系统智能变频控制空调系统采用智能控制器，结合机组内部的传感器及智能检测设备，对空调的运行状态进行实时监控及调节。压缩机变频器采用智能控制，可根据车内外温度的变化，自动调节压缩机的运行频率，以适应不同的制冷量需求，达到舒适和节能的目标。同时空调的新风阀可根据车辆的载客量，进行自动53琦，孙智能型变频空调在北京新机场线的应用蒋琳，孙靖飞，等调节，以在满足乘客新风量要求的前提下，减小新风负荷，进一步实现能源节约2.1.1变频空调制冷原理变频空调采用变频压缩机，通过变频器调节压缩机的运转频率，以实现空调制冷量的实时调节。北京新机场线车辆的客室空调为变频单冷型，即空调具备制冷功能，同时配备有电加热，制冷季节运行压缩机进行制冷，制热季节运行电加热进行制热。每台空调由2 个独立的制冷循环系统组成，额定制冷量为2 9kW，该系统可以在30 12 6 Hz（2 台压缩机各运行6 3Hz)连续调整，以此满足车辆内不同载荷、环境温度变化时的制冷量需求，实现对车内温度的精确控制。表1和表2 分别为北京新机场线车辆客室空调的额定制冷工况，以及额定制冷工况下测定的压缩机运行不同频率时的制冷量。由表2 可以看出，单台压缩机频率在30 Hz时，制冷量为11.2 kW,2台压缩机在额定频率6 3Hz时制冷量为31.1kW，频率可从30 12 6 Hz（2 台压缩机分别运行6 3Hz）以1Hz为单位连续调节，制冷量在11.2 31.1kW连续变化，相较于定频空调无法进行制冷量连续调节的缺点，变频空调可以更好地适应车辆内外不断变化的环境，进而提高乘坐舒适性。表1北京新机场线智能型变频空调额定制冷工况室外工况室内工况温度/相对湿度/%温度/相对湿度/%35602765表2北京新机场线智能型变频空调在不同频率下的制冷量和功率点额定制冷输人能效比频率/制冷量量/功率/备注Hz百分比kWkw%6331.113.8107.22.252台压缩机运行（额定）6029.512.5101.72.362台压缩机运行（降频）5025.210.586.82.402台压缩机运行（降频）4022.19.176.22.432台压缩机运行（降频）3020.28.269.72.462台压缩机运行（降频）3011.25.138.62.201台压缩机运行（降频）2.1.2变频空调和定频空调的控制方案对比定频空调主要依靠开启和关闭压缩机来调节本身的制冷量输出，进而调节车辆内的温度。考虑到压缩机的润滑，定频空调通常在程序中设定，每次压缩机开启后，必须运行2 min以上才能停机，保证润滑油正常回流到压缩机；每次压缩机停机后，必须停止2 min以上才能再次开启，保证下一次开启之前空调系统的高压压力和低压压力达到平衡，避免压缩机带载启动造成的异常磨损 6 。当车辆内热负荷急剧变化时，如果压缩机的运转时间正处在上述的延时时间内，压缩机无法及时跟踪车内温度的变化而开启或关闭，就会造成车内温度的波动，影响乘客的舒适性。且压缩机每次停机而后启动的过程都会产生开关损耗：停机时将制冷循环系统的压力释放，在下次开机时又需要重新建立压力，在此期间消耗了能量，却无法提供制冷量，造成能源的浪费。智能型变频空调通过实时监测车辆内的温度及其变化速率，采用模糊智能PID（比例、积分、微分）控制计算，快速改变压缩机的运转频率，令空调系统输出的制冷量与车辆内的负荷相匹配，以达到迅速降低车内温度的目的 7 。当车内温度降低至设定温度后，再控制压缩机维持在适当的运转频率上，以维持车辆内温度的恒定。当车辆内的热负荷或者温度急剧变化时，可以实现压缩机频率的快速调整，以迅速匹配当前的制冷量需求，从而实现对车辆内温度的快速跟踪与调节 8 O2.1.3变频空调节能原理变频空调采用智能控制，在车内热负荷恒定，温度达到设定温度时，压缩机通常运行在低频状态，压缩机的排量减小，冷凝器和蒸发器的面积不变，则相对换热面积变大，此时空调的制冷效率提高，单位制冷量的能耗降低，即空调的制冷能效比提高。这是变频空调节能的主要原因之一 9O同时，变频空调的制冷量输出可以在较大的范围内连续调整，从而适应不同的车内负荷，减少了压缩机的停机次数和开关损耗，因此长期运行的情况下,变频空调更加节能(10)2.1.4变频空调节能数据新机场线全线使用变频空调，因而未对本线路空调系统进行定频空调和变频空调的耗电量对比，调取北京其他地铁线路的节能数据如表3所示。表3北京某线路轨道车辆空调节能对比数据6编组车辆每km耗电量/（kWh）综合节电率/%变频空调4.4023.34定频空调5.74从以上数据可看出，使用变频空调相较于定频空调可实现2 0%以上的节电2.2压力波动保护技术列车高速行驶时，当出现列车交会或进出隧道的情况，车辆之间或车辆和隧道之间的气体瞬间产54机车车辆工艺第4期2 0 2 3年8 月计算机运用生的剧烈压缩或者膨胀，会产生压力波动，如不采取措施，这种压力波动将通过废排装置出风口或者空调新风口传人车内，造成乘客耳部的不适。为避免压力波动对车厢内造成影响，提高乘坐舒适性，北京新机场线列车在头车安装压力波保护控制装置如图2（a)所示，通过检测车厢内外空气压力变化，输出控制信号驱动控制板上继电器动作，通过继电器的触点控制外部器件动作，从而实现对相应阀门的控制。通过控制废排装置压力波保护阀（见图2（b）和客室空调机组压力波保护阀的开启和关闭来避免空气压力波动对车厢内造成影响，同时可以将反馈信号传递给相应的控制器来确定压力波保护阀的工作状态（a）压力波保护控制装置(b）压力波保护阀图2压力波保护阀及控制装置在客室空调机组和废排装置中设置压力波保护阀，沿用了城际动车组和高速动车组的设计，试验数据表明，在使用了压力波保护阀后，车辆交会时车内的最大压力变化仅为车外的1.6%，远小于压力变化环境下人体舒适性标准（12 50 Pa/3s）11，确保了列车在16 0 km高时速行驶时乘坐的舒适性。2.3低温等离子空气净化技术北京新机场线智能型变频空调系统还搭载了新型的低温等离子空气净化装置，如图3所示。该技术通过低温等离子体制造臭氧进行空气净化。“等离子体”是继固态、液态、气态之后物质的第四态，当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，使整个体系呈现低温状态，所以称为“低温等离子体”12 。低温等离子技术是电子、化学、催化等综合作用下的电化学过程，是一种全新的技术等离子体场中含有大量的高能自由基，能直接与微生物内蛋白质和核酸物质发生反应，导致微生物的死亡。等离子体产生的激发态高速粒子，直接对细菌，病毒体进行高速射击，致其死亡，而且具有广谱性。等离子导电流中含有大量活性氧原子、氢longertek图3空气净化装置原子、高能自由基等活性物质，使各种污物得到快速分解消除，同时空气中的有害气体和有机物在电子网的冲击下，被分解成水和二氧化碳针对空气净化装置的净化效果，在实验室中做了相应的试验验证，净化前后的撞击菌落数据如表4所示。表4开启净化器前后菌落数量对比CFU/m3对照组试验组检测项目未开启净化器开启净化器2 h细菌总数182100真菌总数282547低温等离子空气净化装置兼具杀菌消毒、除甲醛等芳香族化合物、除烯烃类化合物、除异味的功能，对车辆内的空气实现了更加全面的净化，是北京新机场线智能型变频空调系统的又一大技术改进。3结束语通过对北京新机场线所应用的智能型变频空调系统进行方案解析，可以看出，智能型变频空调系统有以下几点优势：（1）空调系统智能控制，实现运行状态实时监测及调节；（2）压缩机变频控制，更加舒适且节能；（3）搭载压力波保护控制装置，确保列车提速后乘坐舒适性；（4）搭载新型的低温等离子空气净化装置，全面净化车内空气。综合以上的优势，智能型变频空调系统方案已成为轨道交通领域的发展趋势。目前，我国自主研发的“复兴号”标准动车组已经采用了变频空调系统，而本次在北京新机场线车辆上的应用，有助于智能型变频空调系统在市域列车空调领域的推广（下转第6 0 页）60上接第57 页）上接第54页）机车车辆工艺第4期2 0 2 3年8 月现场经验到）。若放电时间不小于5h，视为容量合格，然后进行补水、充电。最后静置1h。3.4.4蓄电池组充放电蓄电池组充放电需循环进行3次，每次充放电过程如下：设置充电机以32 A恒流充电8 h，充电上限电压17 1.6 V和容量30 0 Ah。每2 h抽查1节蓄电池电解液温度，若超过45，则强制通风降温。每2 h记录7 8 节蓄电池的单节电压，1 2 V为正常，更换电压异常的单节电池，静置1h。设置充电机以32 A恒流放电至7 8 V/组，放电时间5.5h和容量30 0 Ah。每2 h记录蓄电池单节电压值是否正常。该过程正常电压不小于1V（如果在第3次充放电过程的第4h，发现单节蓄电池电压小于1V，视为容量不合格，需更换该节蓄电池）。如果放电时间不小于5h，视为容量合格，静置1h后，进行下步操作。3.4.5蓄电池组上车前充电设置充电机以32 A恒流充电8 h，充电上限电压为17 1.6 V和容量30 0 Ah。每2 h抽检1节蓄电池电解液温度，若超过45，停止作业，强制通风降温。每2 h记录所有单节蓄电池电压，1 2 V为正参考文献：1 康伟，崔军胜，王绅宇，等，轨道交通车辆空调系统智能控制与大数据应用 J.城市轨道交通研究，2 0 2 0,2 3（4）：134-136.【2 惠正鹏基于计算机智能变频的中央空调节能改造与控制浅析J.电子世界，2 0 14（18）：196.3朱洪磊，邬春晖，李琦.地铁车辆智能变频空调全制冷季运行节能试验研究 J.电子质量，2 0 2 0（10）：8 5-90.4】崔军胜，王佳.城市轨道车辆定频空调机组与变频空调机组对比分析J.中国标准化,2 0 19（6）：2 12-2 14.5王钊，魏婉娜，陈亮.轨道车辆变频空调节能试验及舒适性研究.制冷与空调（四川），2 0 16,30（1）：9910 3.6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，2 0 17，2 0到钩体的Goodman-Smith图中进行比较分析，结果表明车钩钩体的疲劳性能满足使用要求。（2）该方法可以应用到其他工程机械的疲劳应用分析中，具有一定的理论指导意义，同时也对其他行业的金属部件、构件的选材，设计强度校核提供了技术依据。常。更换电压异常的单节蓄电池，静置16 h。3.4.6向蓄电池组返补电解液和补充纯水将抽出电解液按相同数量补充回对应蓄电池，补充纯水至蓄电池最高液位4丝结束语青岛地铁运营公司按照上述工艺方案对青岛地铁3号线2 4列地铁列车蓄电池组下地深度充放电，方便可行。通过该工艺方法能够准确快速挑栋出不合格的蓄电池单体进行更换，以及对电解液密度不合格的蓄电池更换电解液，使得蓄电池容量得到很好的恢复。目前采用该工艺方案恢复容量蓄电池已在正线运营2 年多时间，状态良好，未发生容量不足等相关故障。参考文献：【1代磊.地铁车辆蓄电池典型故障分析及优化整改措施J，轨道交通装备与技术，2 0 2 1（4）：41-43.【2】李爽，胡骁椅.武汉地铁8 号线蓄电池开路故障原因及解决对策J.技术应用,2 0 2 1（4)：7 5-7 6.3徐勇，刘勇，戴计生，等.一种基于实时网络数据的列车蓄电池故障预警方法 J.控制与信息技术,2 0 2 1（2）：10 6-111.(7):123 126.7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，2 0 15，18（5）：99-103.【8】王钊，魏婉娜，陈亮.轨道车辆变频空调节能试验及舒适性研究 J制冷与空调，2 0 16，30（1）：99-10 3.9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，2 0 12（6）：19-2 2.10 王兴江.轨道车辆空调的节能技术 J.机电工程技术，2 0 11，40(8),66-68.11】熊小慧，梁习锋.CRH2型动车组列车交会空气压力波试验分析 J.铁道学报，2 0 0 9，31（6)：15-2 0.【12 任姝颖.低温等离子技术在空气净化领域的发展现状及其应用前景 J.洁净与空调技术，2 0 17（3）：44-54.参考文献：1】米彩盈，李带.铁道机车车辆结构强度M.成都：西南交通大学出版社,2 0 0 7.2项彬，史建平，郭灵彦，等.铁路常用材料Goodman疲劳极限线图的绘制及应用J.中国铁道科学，2 0 0 2,2 3（4）：7 2-7 6.3刘鸿文.材料力学IM.北京：高等教育出版社,2 0 10.【4】黄诗尧，赵永翔，胡海斌.ZC230-450铸钢的疲劳可靠性设计Goodman-Smith图 J.机械强度,2 0 0 8,30(1）：117-12 1.