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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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