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摘要：随着全球经济的发展，节约能源与环境保护逐渐成为可持续发展的主题，轨道车辆用空调是主要耗电装备，应是节能减排重点之一，具有变频技术的节能型地铁车辆空调将是未来主要的市场需求。本文对地铁车辆变频空调进行了探究，以供参考。
关键词：变频空调；地铁车辆
1 地铁车辆变频空调机组系统概述
变频空调是在定速空调的基础上选用了变频专用压缩机，增加了变频控制系统，采用变频原理，利用二次逆变得到的可变化交流电源来调节压缩机转速，从而改变管路中制冷剂循环量，控制压缩机输出能力。它的基本结构和制冷原理与普通的定速空调完全相同。
变频空调在额定频率运行时，由于变频器本身需要消耗少量功率，与定速空调相比能效比稍低，此时节能性不突出，但其舒适性高。当空调运行在低制冷负荷工况时，定速空调需要通过开停压缩机来实现制冷能力调节，频繁启停压缩机导致能耗增加。而变频空调通过自动调整合适的压缩机运行频率，实现不停机运转，从而达到高效节能的目的。
1.1空调机组构成
空调机组由变频器、全封闭涡旋变频压缩机、蒸发器、冷凝器、干燥过滤器、节流装置、连接管路、蒸发通风机、冷凝风机等组成。机组设置了压力保护开关保护，以保证制冷系统安全可靠的运行。空调机组内的系统管路和接线完好，并进行了隔热保温处理，制冷系统进行检查及干燥，充注足够量的制冷剂。
1.2制冷系统
空调机组具有2套独立的制冷循环，采用热力膨胀阀节流，制冷剂R407 C，压缩机采用谷轮变频卧式涡旋压缩机，冷凝器和蒸发器采用导热性高的铜管套带亲水膜涂层的铝翅片组成的管翅式换热器，制冷系统原理图如图1所示。
注：1一蒸发风机；2一蒸发器；3一热力膨胀阀；4-视液镜；
5-干燥过滤器；6一冷凝器；7-压缩机；8-高压开关；
9-低压开关10一冷凝风机；11一电磁阀
图1 制冷循环原理示意图
1.3变频空调的节能控制设定
1）利用变频器提高空调能效比。
传统空调的温度控制是由不同的工况来控制的，也就是控制压缩机的启停；制冷工况主要有通风、半冷、全冷；变频器的优点是能控制着压缩机在一定范围不同功率输出，使空调能效比提高，从而达到节能效果。定频与变频控制运行示意图如图2所示。
定频
（b）变频
图2定频与变频控制运行示意
2）初始化并计算运行频率频率控制逻辑空调机组内变频器得电后，初始化处理（用于变频器启动延时和检测是否正常运行信号生效），根据获得的新风温度和回风温度，计算出当前运行频率频率控制逻辑图如图3所示。
图3 频率控制逻辑图
3）变频器运行曲线。
为了减少车厢内的温度波动和快速达到温控目的，变频器根据新风温度计算出UIC553目标温度温度Td为：
Td =22+0.25×（Tf -19） （1）
式中：Tf一新风温度。
变频器获取UIC553目标温度后，变频器按PID运算法则靠近目标温度和回风反馈趋势，输出不同频率，使压缩机在不同频率运行，使空調机组实现恒温温度控制。
2 某地铁线的车辆变频空调模拟运行的节能试验
本模拟试验在试验中心内进行，采用某地铁线的车辆定频空调机组以及在其基础上改进的变频空调机组，为了验证变频空调机组的节能率，通过模拟不同负载，对比定频空调机组和变频空调机组的能耗，验证变频机组实际能效果UIC553温度曲线和变频器PID控制曲线如图4所示。
2.1试验前提条件
1）试验条件选取
按地区各月的气温看，有制冷需求的月份主要在3月～11月（气温超过19℃）。6月～9月相对气温较高，一般空调处于全冷状态；；3月、4月、5月、10月、11月的平均温度在18 ～25℃其间空调处于启停或半载半冷状态。
（a）温度曲线
（b）控制曲线
图4 UIC553温度曲线和变频器PID控制曲线
1月、2月、12月空调主要是通风，6月—9月空调基本处于全冷，这两个阶段变频较于定频没有较大的节能性，变频的节能性主要体现在3，4，5，10，11这几个月（暂时忽略6月—9月阶段承载人员变动方面的节能性）。由此选取的外温范围21—29℃。
2）制冷目标温度值。
根据国际通用标准，制冷目标温度按UIG553曲线得出，该目标温度值限制在22—27℃，是一个舒适的范围区。空调控制柜通过感应室外温度和回风温度，根据目标温度，自动调节机组的的运行。
3）车辆载员情况。
将车辆载客量分为低峰、平峰、高峰3个时段，不同时段每辆车的载客量分别为80，220，320。
为了保证试验结果的有效性，试验过程模拟车厢内在过渡季节中的散热量和散湿量，通过计算得出过渡季节中车厢的散热量和和散湿量，即试验过程中，为空调机组提供一个等同的加热量和加湿量。
该模拟试验在空调机组性能试验室进行，试验过程中保持室外侧环境温度不变，试验开始时，室内侧与室外侧温度相同，即为27℃。根据计算所得的车厢的散热量和和散湿量，按时间为室内侧加人加热量和加湿量，模拟测试工况如表1所示。
表1 模拟测试工况
首先进行变频空调机组能耗测试，在表2条件下让机组按设计变频功能自主运行，采用电度表测量器能耗值，同时监测机组运行情况和室内侧的环境。然后进行定频空调机组测试，为确保试验的严谨，将变频机组中的变频器控制断开，压缩机定频运行，测试条件与变频机组测试环境一致，让机组自主运行，记录其能耗值，同时监测机组运行情况和室内侧的环境。 2.2试验结果
1）室内温度变化曲线（见图5）。
图5室内温度变化曲线
系列1为定频机组运行的室内温度变化曲线，系列2为变频机组运行的室内温度变化曲线。从图5可知，变频机组可有效控制室温温度的波动，保持室内的舒适性。
2）节能率。
定频机组总能耗68.6kWh，变频机组总能耗51.9kWh。
变频机组的节能率=（68.6一51.9）/68.6×100%=24.3 %。
从本模拟节能试验数据来看，变频机组的节能率在20%以上，证明了变频机组的节能且具有较好的舒适性。
3 另地铁线的车辆变频空调机组实际装车运行的节能对比试验
3.1实际装车试验改造
本地铁线列车为6辆编组，各车辆之间采用贯通道方式联通，O1和06车为带司机室的头车。列车车辆编组方式如图6所示：
图6地铁车辆编组方式
将某公司所研制地铁车辆变频空调在本地铁线上安装半列车，并与相应的半列原装车进行对比，以验证变频空调的实际节能效果。
在控制柜中加装电能表、车厢中加装温湿度仪，通过记录定频空调和变频空调机组温度、湿度、电流、电压及消耗电能等相关数据，并对相关数据进行整理及对比，验证变频空调机组的节能效果，形成最终的节能试验报告。
试验测试时间在5，6月的过渡性季节期间进行，以体现变频空调机組的最大节能效益。变频空调机组经过前期调试后开始稳定运行，从5月16日起开始记录能耗数据，试验时间具体从5月16日开始至6月25日为止，试验时间约为40d。
3.2地铁线某列车空调用电量数据分析
5月16日开始记录的数据，6月25日为最后一次记录的数据。由于3车和4车的相互影响，增加一项剔除相互影响的3和4车的节能结果，具体如表2、表3所示。
从表2、表3的数据分析结果可知，变频空调总节能比率可达35%以上。
表2 地铁线某列车空调用电量数据
表3 变频空调与定频空调相比节能率%
4 结论
从以上模拟运行和实际装车运行试验可知，在过渡性季节（主要在3，4，5，10，11月），地铁车辆变频空调的节能效益可达到20%一35 %。由于试验存有一定的局限性，节能效果不一定很准确，且在实际营运中，随载客量的不同，节能效率也会有一定波动。但试验结果依然能够证明：地铁车辆变频机组对客室温度的控制优于定频空调机组，提高了地铁车辆客室的舒适性。同时变频空调机组能可靠有效地实现较大的节能，可极大降低地铁车辆的营运成本。
关键词：变频空调；地铁车辆
1 地铁车辆变频空调机组系统概述
变频空调是在定速空调的基础上选用了变频专用压缩机，增加了变频控制系统，采用变频原理，利用二次逆变得到的可变化交流电源来调节压缩机转速，从而改变管路中制冷剂循环量，控制压缩机输出能力。它的基本结构和制冷原理与普通的定速空调完全相同。
变频空调在额定频率运行时，由于变频器本身需要消耗少量功率，与定速空调相比能效比稍低，此时节能性不突出，但其舒适性高。当空调运行在低制冷负荷工况时，定速空调需要通过开停压缩机来实现制冷能力调节，频繁启停压缩机导致能耗增加。而变频空调通过自动调整合适的压缩机运行频率，实现不停机运转，从而达到高效节能的目的。
1.1空调机组构成
空调机组由变频器、全封闭涡旋变频压缩机、蒸发器、冷凝器、干燥过滤器、节流装置、连接管路、蒸发通风机、冷凝风机等组成。机组设置了压力保护开关保护，以保证制冷系统安全可靠的运行。空调机组内的系统管路和接线完好，并进行了隔热保温处理，制冷系统进行检查及干燥，充注足够量的制冷剂。
1.2制冷系统
空调机组具有2套独立的制冷循环，采用热力膨胀阀节流，制冷剂R407 C，压缩机采用谷轮变频卧式涡旋压缩机，冷凝器和蒸发器采用导热性高的铜管套带亲水膜涂层的铝翅片组成的管翅式换热器，制冷系统原理图如图1所示。
注：1一蒸发风机；2一蒸发器；3一热力膨胀阀；4-视液镜；
5-干燥过滤器；6一冷凝器；7-压缩机；8-高压开关；
9-低压开关10一冷凝风机；11一电磁阀
图1 制冷循环原理示意图
1.3变频空调的节能控制设定
1）利用变频器提高空调能效比。
传统空调的温度控制是由不同的工况来控制的，也就是控制压缩机的启停；制冷工况主要有通风、半冷、全冷；变频器的优点是能控制着压缩机在一定范围不同功率输出，使空调能效比提高，从而达到节能效果。定频与变频控制运行示意图如图2所示。
定频
（b）变频
图2定频与变频控制运行示意
2）初始化并计算运行频率频率控制逻辑空调机组内变频器得电后，初始化处理（用于变频器启动延时和检测是否正常运行信号生效），根据获得的新风温度和回风温度，计算出当前运行频率频率控制逻辑图如图3所示。
图3 频率控制逻辑图
3）变频器运行曲线。
为了减少车厢内的温度波动和快速达到温控目的，变频器根据新风温度计算出UIC553目标温度温度Td为：
Td =22+0.25×（Tf -19） （1）
式中：Tf一新风温度。
变频器获取UIC553目标温度后，变频器按PID运算法则靠近目标温度和回风反馈趋势，输出不同频率，使压缩机在不同频率运行，使空調机组实现恒温温度控制。
2 某地铁线的车辆变频空调模拟运行的节能试验
本模拟试验在试验中心内进行，采用某地铁线的车辆定频空调机组以及在其基础上改进的变频空调机组，为了验证变频空调机组的节能率，通过模拟不同负载，对比定频空调机组和变频空调机组的能耗，验证变频机组实际能效果UIC553温度曲线和变频器PID控制曲线如图4所示。
2.1试验前提条件
1）试验条件选取
按地区各月的气温看，有制冷需求的月份主要在3月～11月（气温超过19℃）。6月～9月相对气温较高，一般空调处于全冷状态；；3月、4月、5月、10月、11月的平均温度在18 ～25℃其间空调处于启停或半载半冷状态。
（a）温度曲线
（b）控制曲线
图4 UIC553温度曲线和变频器PID控制曲线
1月、2月、12月空调主要是通风，6月—9月空调基本处于全冷，这两个阶段变频较于定频没有较大的节能性，变频的节能性主要体现在3，4，5，10，11这几个月（暂时忽略6月—9月阶段承载人员变动方面的节能性）。由此选取的外温范围21—29℃。
2）制冷目标温度值。
根据国际通用标准，制冷目标温度按UIG553曲线得出，该目标温度值限制在22—27℃，是一个舒适的范围区。空调控制柜通过感应室外温度和回风温度，根据目标温度，自动调节机组的的运行。
3）车辆载员情况。
将车辆载客量分为低峰、平峰、高峰3个时段，不同时段每辆车的载客量分别为80，220，320。
为了保证试验结果的有效性，试验过程模拟车厢内在过渡季节中的散热量和散湿量，通过计算得出过渡季节中车厢的散热量和和散湿量，即试验过程中，为空调机组提供一个等同的加热量和加湿量。
该模拟试验在空调机组性能试验室进行，试验过程中保持室外侧环境温度不变，试验开始时，室内侧与室外侧温度相同，即为27℃。根据计算所得的车厢的散热量和和散湿量，按时间为室内侧加人加热量和加湿量，模拟测试工况如表1所示。
表1 模拟测试工况
首先进行变频空调机组能耗测试，在表2条件下让机组按设计变频功能自主运行，采用电度表测量器能耗值，同时监测机组运行情况和室内侧的环境。然后进行定频空调机组测试，为确保试验的严谨，将变频机组中的变频器控制断开，压缩机定频运行，测试条件与变频机组测试环境一致，让机组自主运行，记录其能耗值，同时监测机组运行情况和室内侧的环境。 2.2试验结果
1）室内温度变化曲线（见图5）。
图5室内温度变化曲线
系列1为定频机组运行的室内温度变化曲线，系列2为变频机组运行的室内温度变化曲线。从图5可知，变频机组可有效控制室温温度的波动，保持室内的舒适性。
2）节能率。
定频机组总能耗68.6kWh，变频机组总能耗51.9kWh。
变频机组的节能率=（68.6一51.9）/68.6×100%=24.3 %。
从本模拟节能试验数据来看，变频机组的节能率在20%以上，证明了变频机组的节能且具有较好的舒适性。
3 另地铁线的车辆变频空调机组实际装车运行的节能对比试验
3.1实际装车试验改造
本地铁线列车为6辆编组，各车辆之间采用贯通道方式联通，O1和06车为带司机室的头车。列车车辆编组方式如图6所示：
图6地铁车辆编组方式
将某公司所研制地铁车辆变频空调在本地铁线上安装半列车，并与相应的半列原装车进行对比，以验证变频空调的实际节能效果。
在控制柜中加装电能表、车厢中加装温湿度仪，通过记录定频空调和变频空调机组温度、湿度、电流、电压及消耗电能等相关数据，并对相关数据进行整理及对比，验证变频空调机组的节能效果，形成最终的节能试验报告。
试验测试时间在5，6月的过渡性季节期间进行，以体现变频空调机組的最大节能效益。变频空调机组经过前期调试后开始稳定运行，从5月16日起开始记录能耗数据，试验时间具体从5月16日开始至6月25日为止，试验时间约为40d。
3.2地铁线某列车空调用电量数据分析
5月16日开始记录的数据，6月25日为最后一次记录的数据。由于3车和4车的相互影响，增加一项剔除相互影响的3和4车的节能结果，具体如表2、表3所示。
从表2、表3的数据分析结果可知，变频空调总节能比率可达35%以上。
表2 地铁线某列车空调用电量数据
表3 变频空调与定频空调相比节能率%
4 结论
从以上模拟运行和实际装车运行试验可知，在过渡性季节（主要在3，4，5，10，11月），地铁车辆变频空调的节能效益可达到20%一35 %。由于试验存有一定的局限性，节能效果不一定很准确，且在实际营运中，随载客量的不同，节能效率也会有一定波动。但试验结果依然能够证明：地铁车辆变频机组对客室温度的控制优于定频空调机组，提高了地铁车辆客室的舒适性。同时变频空调机组能可靠有效地实现较大的节能，可极大降低地铁车辆的营运成本。