地铁列车空调的季节性能评价方法

本文从空调系统设备角度，提炼和分析季节性能评价指标的本质，对地铁列车空调季节性能评价所需要素的建立方法进行分析，研究在空调台架试验条件下对地铁列车空调系统季节性能进行评价的方法。      

 

 

（示意图，不对应文中任何具体产品）  

 

     1?  季节性能评价的要素与本质

采用季节性能指标对建筑空调设备进行评价时，需要综合考虑空调设备使用环境的负荷特性和环境变化对空调设备运行效果的影响， 任何一种季节性能指标，都必须包含三个基本要素：  

（1）典型建筑的负荷模型。

（2）空调设备在典型建筑中的制冷运行时间分布模型。

（3）空调设备的部分负荷性能（基于有限试验数据的性能模型）。

不同的负荷特性和空调设备导致三个要素的简化和抽象方法不同，列车空调与建筑空调的运行环境、使用时间范围以及空调性能特性都有很大的差别。

下面将通过研究季节性能评价三要素简化模型的建立方法，为地铁列车空调的性能评价方法提供参考。

 

     2?  地铁列车空调的典型冷负荷模型

列车的空调负荷并不仅仅由环境温度决定，还与车体热工性能、日照强度、载客量、新风量、车内设备散热量及散湿量等影响因素有关，如何采用尽量少的参数准确描述列车空调负荷的平均特性，就成为建立地铁列车空调负荷模型的关键。

2.1? 地铁列车典型冷负荷模拟       

以西南某城市地铁B型车为例，在LMSAMEsim中 建立地铁列车空调负荷仿真模型，如图1，计算空调系统制冷季的动态负荷。假设地铁列车每天的运营时间为6:30～22:30，运营期间空调系统保持运行状态。

在计算中选取车内设计温湿度为26℃。为保证计算工况能够准确反应地铁列车空调负荷，气象参数采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中的典型气象年数据。

假设制冷季均为工作日，每日的载客量变化特性基本相同，所以本文以7月某日跟车实测载客量为原始数据，利用MATLAB生成一组均值为1、方差为0.15的正态分布随机数，将正态分布随机数作为噪声作用在载客量原始数据，得到每日载客量的模拟值。采用典型年气象参数和实测载客量数据作为地铁列车空调负荷计算模型输入条件，计算得到空调动态冷负荷，如图2所示。

2.2? 地铁列车空调冷负荷模型确定方法       

为了尽量简化列车空调负荷模型，本文假设可以将列车空调负荷简化为环境温度和载客量的线性模型。一般而言，环境温度和载客量与列车空调冷负荷呈正相关，环境温度越高，载客量越大，列车冷负荷也越大，由此可以构建列车空调负荷模型如下式所示。

对于不同地铁车型，由于车体结构和新风量等因素存在差异，负荷模型也不相同。式1中有A、B、C三个未知数，并且方程在三维坐标系中表现为平面，因此只要确定了平面上的三个坐标点（坐标点表示为（Ti ,nj ））， 就可以确定负荷模型的方程。在建筑空调中，为了便于计算，制冷负荷线是由0负荷点和设计负荷点决定的，地铁列车某一空调负荷可能对应多个温度和满载率区间。为了确定地铁列车空调0负荷点，对各个温度区间的冷负荷出现时间进行统计，冷负荷在14～20℃温度 范围的发生时间仅占了整个制冷季的1.6%，可以认为当外温在14～20℃，列车中大概率没有冷负荷。

为了便于0负荷点的选取，本文采用载客量接近空载并且冷负荷为0的坐标点：（19℃，20%）、（21℃，0%）作为0 负荷点。一般地铁列车空调系统设计额定工况（室外环境温度35℃，载客量为AW2定员载荷）的制冷量比实际负荷大10%左右，这是为了满足当车厢处于超载载荷时的制冷要求。因此，为了负荷模型的准确性，地铁列车空调的设计负荷点可以选取为（35℃，120%）。

  3 空调运行时间分布模型

列车空调的运行时间分布就是指，在制冷期间各个区段下空调系统的运行小时数。各个区段的发生时间随着气候环境变化、空调使用时间、线路所处的运营时期（初期、近期、远期）等因素进行调整。因此，建立运行时间分布模型是一个较为烦琐而且容易产生争议的问题。

    4 性能模型的构建与性能指标的计算方法

不同的空调设备具有不同的性能特点，通过空调台架试验，测试有限个工况点下的空调性能，从而代表设备的全工况性能特性，这就是性能模型构建中的重要任务。为了使测试工况尽可能的少，国际上在建立空调器性能模型时提出了以下假设：室内空气温度不变时，空调器的制冷能力和消耗功率只与室外环境温度有关，并且是线性的关系。

空调机组的性能评价离不开机组的运行特征和运行方式，地铁列车空调每个机组中有两个相同的独立制冷循环（每个制冷循环中至少含有一台制冷压缩机）联合运行，空调机组中压缩机的运行数量由控制策略决定。鉴于上述地铁列车空调机组的运行特点， 需要对其性能测试工况点的制定和季节性能指标计算方法进行研究。

    5 两压缩机定频空调系统的SEER计算方法

两压缩机定频空调系统根据控制策略可以在“通风”“半冷”“全冷”三种状态间转换。    

（1）通风状态下，空调系统中只有蒸发风机全部开启；

（2）半冷状态下，空调系统中蒸发风机全部开启，每台机组中只有一台压缩机和冷凝风机连续运行；

（3）全冷状态下，每台机组中两台压缩机和风机全部开启。

为计算空调系统的SEER，需要通过测试得到“半冷”和“全冷”状态下空调机组的制冷量和制冷功率，故提出采用表1所列的工况点用于空调机组的性能测试。

如图3所示，为了体现空调系统制冷能力与冷负荷的相对关系，将空调系统制冷量和冷负荷模型绘于同一坐标空间中。令制冷量沿Y轴（代表满载率）方向延伸为一个面，则冷负荷模型与空调系统半冷、全冷制冷量分别交于一条直线。

（1）冷负荷小于空调系统半冷制冷量时，空调机组内有一台压缩机启停运行；

（2）冷负荷处于空调系统半冷制冷量和全冷制冷量之间时，空调机组内一台压缩机连续工作，一台压缩机启停运行；

（3）冷负荷大于空调系统全冷制冷量时，空调机组内两台压缩机都连续工作。

空调系统制冷量与冷负荷相交线在“温度-满载率平面” 的投影线将该平面划分为3个区域，从而可以确定不同压缩机运行数量对应的工况条件，投影线的方程可由式（1）、式（2）表示。

当冷负荷小于空调系统的全冷制冷能力时，空调机组中的压缩机会启停运行，有功率损失，计算耗电量时应除以PLF系数。那么，两压缩机定频空调的制冷季节耗电量CSTE为。

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