轨道列车制冷、制热与通风技术研究进展

1.电动压缩机制冷

轨道列车最常采用电动压缩机制冷,其工作过程可分为压缩、冷凝、节流、蒸发四个步骤。压缩机将低温低压的制冷剂气体压缩成高温高压气体,经冷凝器冷却液化后,再通过节流装置(如毛细管、热力膨胀阀)降低压力,最后在蒸发器中吸收热量,蒸发为低温低压气体,完成一个制冷循环。整个过程由压缩机驱动,通过控制压缩机转速和膨胀阀开度,可实现车内温度的精确调节。

2.吸收式制冷

吸收式制冷利用制冷剂(如氨水溶液)在发生器中加热,使氨气从溶液中逸出,经冷凝器冷却液化后,再经过节流膨胀,在蒸发器中吸热蒸发制冷。蒸发后的氨气进入吸收器,被弱溶液吸收,重新形成浓溶液,再由溶液泵送至发生器,完成一个循环。该系统的热源可采用列车废热或电加热,具有环保、噪音低等优点,但能效系数(COP)相对较低。

3.热电制冷

热电制冷采用半导体热电偶作为制冷元件,利用 Peltier 效应实现制冷。当直流电流通过两种不同导电材料形成的闭合回路时,在两种材料的连接点上会产生温差,从而实现一端吸热、另一端放热的效果。该技术结构简单、无噪音、无污染,但制冷量有限,多用于小型或局部空间的温度调节。

1.电加热

电加热是轨道列车最直接的供暖方式,通过电阻丝或PTC陶瓷发热体将电能转换为热能,加热车内空气。该方法控制简单、热效率高,但能耗较大。现代轨道列车多采用分区控制,根据不同区域的温度需求,调节各区域的加热功率,兼顾舒适性和节能性。

2.空气源热泵

空气源热泵利用列车外部空气作为低温热源,通过压缩机将其提升到较高温度,再将热量释放到车内空气中。其工作原理与电动压缩机制冷相似,但运行模式相反。由于废热利用,供暖能效比电加热更高。但在低温环境下,空气源热泵的制热量和效率会明显下降,因此常与辅助电加热联合使用。

3.废热利用供暖

轨道列车运行时,牵引电机、变压器等设备会产生大量废热。将这些废热回收利用,可有效提高供暖效率。常见的废热利用方式包括：(1)利用冷却液/冷却风将电气设备的废热导入空调系统,提高空调冷凝器的换热量；(2)利用热管技术,将废热直接传递至车厢供暖装置；(3)将废热转化为电能,驱动热泵系统提供供暖。合理的废热利用不仅可节省能源,还能减少设备散热负担。

1.自然通风

列车在运行时,车体两端由于空气动压差和车内外温差,会产生自然通风效应。通过合理设计车厢两端的进风口和出风口,利用列车运动产生的负压,可实现一定的通风换气。自然通风方式节能环保,但通风量受列车速度、风向等因素影响较大,且无法精确控制,舒适性欠佳。

2.机械通风

机械通风采用风机或空调系统强制驱动新风进入车厢,同时排出车内污浊空气,以保证乘客舒适和空气品质。新风量可根据车内二氧化碳浓度、温湿度等参数实时调节,通过变频控制风机转速,实现通风量的优化控制。机械通风效果稳定可控,但能耗较高,噪音也难以避免。因此,在满足新风量要求的基础上,应优化送风方式,提高通风效率,如采用置换通风、层流通风等技术,改善气流组织。

3.联合通风

联合通风是指在列车运行时,合理利用自然通风,减少机械通风的能耗;在列车停站或低速运行时,再采用机械通风,保证新风量。这种方式可兼顾节能性与舒适性,但需要建立车速、风速等参数与通风量的数学模型,实现自然通风与机械通风的最佳匹配与切换控制。同时,还应考虑联合通风对列车气密性、压力波动等的影响。