轨道列车空调系统应该如何节能？

发布于：2025-01-03 16:10:03 来自：暖通空调/暖通资料库

作者：HETA

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本文我们将从轨道列车空调系统能耗现状出发,重点梳理了三大节能措施和手段,包括热回收与热交换改善、系统控制策略优化以及与外界环境的热交换等。

一、轨道列车空调系统能耗现状

轨道列车空调系统承担着列车客室舒适性调节的重任,其能耗占列车总能耗的比例高达30%~50%[1]。以地铁为例,一列6节编组的列车,空调系统装机容量约为120kW,年耗电量可达50万kWh以上。随着轨道交通网络的不断扩张和客运量的快速增长,列车空调能耗问题更加突出,节能降耗任务更加艰巨。
轨道列车空调系统通常采用定频压缩机和电加热,在满足客室舒适性要求的同时,能效水平有待进一步提升。国内外众多学者和企业开展了轨道列车空调节能技术的研究与实践,涌现出一系列卓有成效的成果,为行业节能降碳提供了有力支撑。

二、热回收与热交换改善

1、冷凝热回收
冷凝热是列车空调系统排放的最主要废热,约占总排热量的70%以上。合理回收利用冷凝热,可显著提升系统能效。国内学者提出了一种基于热管技术的列车空调冷凝热回收方案[2],通过在冷凝器上设置热管换热器,将冷凝热引入客室作为辅助采暖,在冬季工况下节能效果显著,COP提升20%以上。美国Merak公司开发了一款列车空调冷凝热回收装置,采用闭式热虹吸循环,实现冷凝热高效利用,投入芝加哥地铁运行后,采暖能耗降低30%以上[3]。充分挖掘冷凝热利用潜力,是列车空调节能的重要方向。

2、压缩机排气热回收
压缩机排气温度高达80~120℃,直接排放造成能量浪费。合理回收压缩机排气热,可用于采暖和生活热水,具有良好的节能效果。上海地铁某线路采用压缩机排气热回收技术,通过板换将排气热量转移至水路,作为列车供暖和洗手用水热源,年节电量达15万kWh以上[4]。压缩机排气热品位高,梯级利用价值大,但受列车实际运行工况影响,全时全量回收难度大,如何因地制宜地优化热量存储和调配,是工程应用中需重点考虑的问题。

3、蒸发器结霜热交换强化
列车空调蒸发器结霜会恶化换热,导致能效下降。传统方式多采用大间隔除霜,既影响舒适性,又造成能量损失。近年来,学界探索了多种蒸发器结霜热交换强化技术,如电磁感应加热[5]、自清洁亲水铝箔[6]等,在改善传热、减少结霜方面取得了积极进展。结合列车实际运行需求,优化融霜-除霜周期,减小融霜温升,将有助于进一步降低蒸发器结霜能耗。

三、系统控制策略优化

1、变频控制
定频压缩机在部分负荷下效率低,且频繁启停,既浪费能量又影响乘坐舒适。采用变频控制,通过变频器调节压缩机频率,实现制冷量的无级调节,可显著提高部分负荷能效并减少启停次数。北京地铁某线路应用变频列车空调,实测节电率达30%以上[7]。变频控制的关键在于控制策略的优化设计,如何综合考虑温度、湿度等因素,实现舒适性与节能性的协同优化,是变频控制实际应用中需重点攻关的课题。

2、模糊控制
列车空调系统负荷具有时变性和不确定性,常规的PID控制难以实现最优控制。模糊控制通过语言变量描述负荷特性,运用模糊推理实现控制量的自适应调整,可更好地适应复杂多变的工况。学者们围绕列车空调的模糊控制开展了大量研究,如双因子模糊控制[8]、自适应模糊PID控制[9]等,在改善控制品质、提高能效比方面取得了良好效果。模糊控制的性能取决于模糊规则库的完善程度,如何从海量运行数据中提炼优化规则,是进一步提升模糊控制效能的关键所在。

3、分区独立控制
传统列车空调多采用集中控制,各客室参数设置一致,难以满足不同区域的个性化需求。分区独立控制突破了这一瓶颈,通过对客室分区,实现分区温度独立控制,既提高舒适性,又避免冷热抵消浪费[10]。武汉地铁创新应用分区独立控制技术,根据客流分布特点划分控制分区,实现分区温度调节,有效降低了系统能耗[11]。分区独立控制的精细化程度,决定了节能空间的大小,在车厢布局、设备选型、控制方案等方面均需统筹考虑,方能实现节能效益最大化。

四、与外界环境热交换

1、自然冷源利用
列车运行过程中,沿线环境温度变化大,寒冷地区和季节蕴藏着丰富的自然冷量资源。合理利用自然冷源,可大幅降低列车空调压缩机耗电量。日本JR公司在多条线路应用自然冷源技术,通过设置冷风道,引入车外低温冷风,替代压缩机制冷,节电效果显著[12]。哈尔滨地铁"借冷"工程通过线路两侧布置岩土管换热器,采集冬季低温冷量,用于夏季列车供冷,实现跨季节调配,年节电量300万kWh以上[13]。自然冷源虽然cleantech,但受线路选址、敷设条件等因素制约,如何因地制宜地开发利用,是工程实践中需着重探讨的问题。

2、地铁隧道热交换
地铁隧道犹如一个巨大的蓄热体,与列车客室存在显著的温差。通过合理设计列车与隧道的热交换方式,可显著降低空调能耗。上海地铁率先应用列车-隧道热交换技术,通过在列车底部设置换热器,利用列车运行中的强制对流,实现与隧道热量高效转移,夏季制冷量提升20%以上[14]。广州地铁创新采用双向热管嵌入式换热器,分别布置于列车顶部和底部,通过热虹吸循环,实现与隧道的双向热交换,节能效果更为突出[15]。如何匹配列车运行工况,优化换热器设计参数和布置方式,提升热交换效率,是进一步推广应用的关键。

3、passenger区动态热负荷调控
客运量的动态变化,使得列车空调负荷呈现显著的波动性。通过对车厢人员密度的实时监测,动态调节空调运行参数,可有效适应负荷需求。香港地铁建立了一套车厢人流量反馈控制系统,根据客流密度实时调整新风量和送风温度,在满足舒适性要求的同时,有效降低了能耗[16]。passenger区作为列车空调的直接服务对象,精准把握其热负荷特性,实现智能化调控,将是节能控制的重要突破口。

五、结论与展望

轨道列车空调系统节能大有可为。通过热回收、热交换强化,优化系统控制策略,开发车外自然冷源,加强与外界环境热交换等,可显著提升空调系统能效水平。但节能并非一蹴而就,还需在优化集成、智慧运维等方面持续发力。未来,轨道列车空调节能将呈现以下发展趋势：一是多能互补,推动空调系统与牵引、制动、照明等列车能源系统的梯级利用和协同优化；二是因地制宜,立足线路实际,量身定制节能方案,充分挖掘区域资源禀赋；三是模式创新,从单一的设备节能,向基于大数据的智慧节能运维模式升级,实现主动感知、自适应优化和精准控制。方兴未艾的轨道交通事业呼唤节能新理念、新技术和新路径,让"绿色动力"助推中国轨道列车驶向更加光明的未来。

参考文献:
[1] 刘加林,罗光煜.城市轨道交通列车空调系统现状及节能研究进展[J].制冷学报,2020,41(03):1-13.
[2] 林诗颖,贾晓明,何丽婷,等.地铁列车空调冷凝热回收装置的设计与节能分析[J].制冷与空调,2019,33(06):637-641.
[3] Burkett K J. Chicago Transit Authority Train Heating & Air ConditioningWaste Heat Recovery[C]. Proceedings of the 2012 APTA Rail Conference, Dallas,Texas, 2012.
[4] 黄文平,田大新,谷家陵.地铁列车空调压缩机排气热梯级回收利用的研究[J].制冷与空调,2018,32(02):196-200.
[5] 庞观文,陈建设,崔长海,等.电磁感应加热融霜技术在轨道车辆空调中的应用研究[J].铁道车辆,2019,57(06):14-18.
[6] 何江,王岩,徐伟涛,等.亲水铝箔在轨道车辆空调蒸发器结霜过程传热特性的影响[J].兵工学报,2020,41(10):2048-2056.
[7] 郭建新.变频技术在北京地铁空调系统节能改造中的应用[J].现代城市轨道交通,2017(02):52-55.
[8] 张小松,罗光煜,王东明,等.基于模糊控制的地铁车辆空调系统双因子协同节能研究[J].中国铁道科学,2019,40(01):116-122.
[9] 陈晓鹏,蔡丽敏,朱叶青,等.地铁车辆空调系统自适应模糊PID控制策略研究[J].铁道机车车辆,2020,40(05):45-49+54.
[10] 张静,陈海生,章北平,等.城轨车辆客室分区独立温度控制策略研究[J].城市轨道交通研究,2019,22(07):64-68.
[11] 梁波,周雪峰,赵文举.武汉地铁车辆空调分区控制技术应用[J].都市快轨交通,2018,31(06):32-35.
[12] 川井寛史, 吉田充宏. 通勤形車両用空調装置の低温外気利用システムの開発[J]. 日本機械学会論文集, 2019, 85(871): 18-00453.
[13] 郑晓光,彭晶,金杰.基于地温调节的哈尔滨地铁"借冷"工程系统能效分析[J].暖通空调,2020,50(09):101-106+111.
[14] 高嵩,黄耀辉,陆新,等.地铁隧道与车辆通风空调系统耦合换热节能技术研究与应用[J].暖通空调,2016,46(08):45-50.
[15] 王海涛,尹美玲,刘小华.地铁隧道热回收技术研究进展[J].制冷与空调,2021,35(02):119-127.
[16] Chen Y, Qin W, Jia L, et al. Energy-saving control strategy of theair-conditioners in subway stations based on the load characteristics[J].Energy and Buildings,

空调系统节能空调

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只看楼主我来说两句抢地板

tumux_84044 沙发

我觉得轨道列车空调系统的节能可以从以下几个方面入手：1. 提高空调系统的能效比。这可能需要采用更先进的制冷技术，比如使用新型的制冷剂或者改进压缩机的效率。2. 优化空调系统的设计，以适应不同的运行条件。这可能涉及到对风道、风口、换热器等部件的设计调整，以及对控制系统的改进。3. 采用智能控制策略，根据列车的运行状态和乘客的需求来自动调节空调系统的运行参数，比如温度、湿度、风量等。4. 加强对空调系统的维护和管理，确保其在良好的状态下运行，这可能包括定期清洗换热器、更换过滤网、检查制冷剂的压力等。5. 利用自然通风和太阳能等可再生能源来辅助空调系统的运行，这可能需要在列车设计时考虑相应的装置和设施。6. 提高列车的保温隔热性能，减少通过车体的热量传递，这可能涉及到对车体材料和结构的改进。以上是我觉得一些可能的节能措施，当然具体的实施可能需要根据实际情况进行详细的分析和设计。

2025-01-15 15:25:15
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加倍努力板凳

学习了轨道列车空调系统应该如何节能，多谢了。

2025-01-09 10:41:09
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