变频空调轨道客车 车辆上的研究及应用

变频空调轨道客车 车辆上的研究及应用

宋兵 孟胜军

中车长春轨道客车股份有限公司 山东朗进科技股份有限公司

摘要：通过对变频空调机组的技术分析和变频空调机组在轨道客车车辆上的应用总结，从理论分析和实际应用两方面阐述了变频空调机组在轨道客车车辆上的适用性和可推广性。

关键词：变频空调；轨道客车车辆；热泵；安全性；可靠性；节能性；减重；舒适性。

引言

目前我国轨道客车采用的是传统的单冷定速空调，能源消耗大、电流冲击大，供电系统复杂，温度不易调控，开关设备需要顺序启动。空调装置是轨道客车的重要部件，也是列车中的第二大耗电部件，优化系统设计、提升技术升级、降低运营能耗，将成为打造节能环保轨道交通车辆的重要研究方向。

本文通过对变频空调机组在轨道客车车辆上的应用情况，从理论分析、实际应用等方面阐述了变频空调机组在轨道客车车辆上的适用性和可推广性。

1、变频轨道车辆空调发展背景

1.1定速空调机组现状

目前城市轨道车辆仍然普遍采用传统定速空调机组。随着多年的运营实践，定速空调存在的不足和功能缺陷逐渐突显出来，主要问题如下：

控制柜和空调机组间布线繁琐。

压缩机启动冲击电流较大。

定速空调开关机频繁，开关损耗大。

定速空调仅能进行分级调节，舒适性差。

1.2 变频空调技术发展现状

变频空调的发展经历了：交流变频空调、直流变频空调和永磁无刷矢量变频空调三个阶段。空调压缩机电机分别采用交流变频电机、直流无刷电机和永磁同步电机。随着控制技术发展和压缩机效率的提高，变频空调的能效比也逐步提升，家用空调一级能效已经达到3.6以上。

目前轨道高速动车组都已采用交流变频空调机组，可靠性安全性已得到认可。

2、变频轨道车辆空调核心技术

变频空调与定速空调相比，具有七大技术优势：

矢量变频SVPWM技术：降低对外电磁干扰。

无位置传感器永磁无刷电机控制技术：振动小、噪音低。

频率模糊控制技术：更加节能，舒适性更高。

自适应约束保护技术：保证空调机组制冷能力持续输出。

热力学优化技术：保证空调机组高效率运行。

一体化集成技术：节省车辆空间、减重、节省制造成本。

热泵取暖技术：高效节能、舒适性更好。

DC600V直流电源直接供电技术：整车减重、整车制造成本降低。

3、变频空调应用现况

山东朗进科技股份有限公司是行业内第一家将变频热泵技术应用于轨道交通空调领域。开发出的DC600V供电直流变频热泵客车车辆空调，按照车辆空调的标准要求，顺利获得铁道部质量监督检验中心认证实验室和检验站的性能试验、电磁兼容性试验和冲击、振动试验，各项指标均优于目前国际标准及铁标要求。

在完成地面模拟的长期可靠性和安全性试验后，先后济南局配属车辆上进行小批量的装车运营验证，充分验证了变频空调在轨道客车车辆上应用的安全性、可靠性、节能性和减重等技术优势。现状如下：

3.1 噪音方面

3.1.1 测试方法：

按《GB/T12816-2006铁道客车内部噪声限值及测量方法》要求进行测量。

3.1.2 测试数据：

车辆运行，制暖模式下客室内噪声测试数据

3.1.3 测试结论：

由上表可见，客室内噪声值均小于66dB，符合《GB/T12816-2006铁道客车内部噪声限值及测量方法》运行时客室内噪声值均小于68dB的要求。

3.2 运行效果及客室舒适性方面

3.2.1测试方法：

在车辆运行过程中，分别在定速车厢、变频车厢两端硬座下方安装自动温度记录仪，定期对温度数据进行下载后进行温度进行对比分析。

3.2.2 测试数据曲线

3.2.2.1 制冷测试

图1变频与定速车厢制冷温度对比曲线图

通过上图：制冷设定温度温度均为23℃，定速车厢客室温度波动较大，约在21.5～26度波动；变频车厢客室温度比较稳定，在23±1℃范围波动，制冷效果较好，客室环境舒适性较好。

3.2.3 测试结论：

变频空调与定速空调相比，客室温度稳定,运行效果好、客室舒适性高。

3.3 可靠性方面

3.3.1 测试方法：

测试变频空调机组在轨道客车车辆上的长期运行的可靠性，并测试空调长期运行的运行模式是否正常。

3.3.2 测试结论：

自变频空调装车后，车辆运行总里程约53万公里。空调机组及各部件工作正常，运行模式功能正常，未出现严重故障，变频空调机组运行可靠。

3.4 节能方面

3.4.1 测试方法：

车辆运行过程中，分别在定速和变频空调车厢安装电表，监测变频和定速空调电表数据，计算用电量。

3.4.2 测试结论：

定速空调机组车厢平均每公里用电量约0.116kWh，变频空调机组车厢平均每公里用电量约0.08kWh，变频空调对比定速空调平均节电率可达30.5%，节电效果显著。

3.5 减重方面

采用变频空调后，辅助逆变箱重量减轻260kg（原辅助逆变箱重量为750 kg，更换变频空调后重量为490kg）。每节车厢2个逆变箱计算，每节车厢减重520kg；按照列车18节车厢计算，整车减重9.36吨。减重效果显著。

3.6 经济、社会效益方面

3.6.1 经济效益方面，

3.6.1.1 减重节能

根据参考文献_[1]，按照牵引能耗为268.8 Kwh/万T*km计算节能量，则：

每列车节约9.36吨，每运行千米可节约能耗0.25Kwh；每天运行1500km。

按照300天计算,则每年节约能耗0.25*1500*300=112500Kwh,折合11.2万。

按照全国32800节车，可组成1800列车，则全年可节约费用：1800*11.2=20160万元，即2.01亿元。

3.6.1.2变频节能

根据装车试验，制冷变频空调比定速空调平均节电30%，

按照每台空调每年使用200天，平均每天使用15小时，每小时耗电量14.5KW，每度电0.8元计算。

定速空调则每年耗电：200*15*14.5*0.8=34800元。

变频空调每年节电：200*15*14.5*30%=13050 Kwh

变频空调则每年节约费用=34800*30%=10440元。

若每列车18个车厢，每节车厢2台空调，则18*2*10440=375840元，即每列车每年节约37.5万元。

按全国可组成1800列车计算（全国3.28万辆客车），每年仅制冷年度可节约费用1800*37.5=6.76亿元。

备注：以上计算按照每台机组制冷量为29kW、定速空调能效比2.0计算。

综合4.6.1和4.6.2两方面：若全国轨道客车全部使用变频空调可节约费用2.01+6.76=8.77亿元

3.6.2 社会效益方面

节标准煤：13050*18*2*0.404=18.9万吨，占国家铁路 （不含控股合资铁路）运输企业2010年能源消耗折算标准煤1616万吨的1.1% 。（每度电折0.404千克标准煤）

减排：减少CO2排放49万吨。 （每吨煤燃烧释放2.6吨CO2）

综述：若全国轨道客车全部使用变频空调经济效益和社会效益显著。

4、结束语

本文列举了变频空调在轨道客车车辆上的研究及应用现状，并对变频空调在轨道客车车辆上应用发展做出分析及预计，有力的证明了变频空调适用于轨道客车交通行业。变频车辆空调机组的应用有利于提升我国车辆制造装备水平，有利于促进车辆制造工业的产品结构调整，优化车辆制造业的产业结构，促进轨道客车车辆装备国产化，并推动在线运行车辆的改造向节约型和智能化方向转变，在RAMS（可靠性、可用性、可维修性和安全性）及节能、减重和LCC全生命周期成本方面有较高的优越性，符合轨道客车交通行业的发展趋势，符合行业的高标准要求和国家节能减排的政策导向，具有广泛的推广应用价值。

参考文献：

[1]:《中国铁道科学》文章编号: 100124632 (2007) 0320084204 铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心《列车牵引能耗计算方法》

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