重慶軌道交通1 號線車輛空調變頻改造及節能試驗研究

劉炬，畢林，張曉偉，王磊，趙東槐

（1.重慶市軌道交通（集團）有限公司，重慶 401120；2.山東朗進科技股份有限公司，山東 青島 266000）

隨著國家“十四五”規劃的推出，碳達峰和碳中和被列為了我國未來幾年發展的重要目標，降低公共交通能耗，是達成該目標的有效手段之一。隨著近年來軌道交通行業的快速發展，乘坐軌道交通出行已成為廣大市民踐行綠色出行理念的首選方式，軌道交通地鐵車輛實現可持續發展同樣也是其發展的一個重要環節。軌道交通的主系統設備用電能耗包括車輛、牽引供電系統等，其中列車的能耗占總能耗的50%~60%，而列車輔助系統能耗約占列車總能耗的30%~40%，這其中空調系統的能耗則占輔助系統能耗的絕大部分，因此空調系統的節能降耗對車輛運營的節能有重要的意義?？照{變頻節能技術在家用及商用空調領域已得到了充分的應用和驗證，近年也越來越多地被應用在軌道車輛空調領域。從理論上分析，變頻空調因其制冷量的輸出可調節的特性，應用在軌道車輛上不僅節能同時也更加舒適。為更進一步地論證變頻空調在軌道車輛上的應用效果，上海、長春、深圳和廣州等地均進行了變頻空調正線運營的測試分析，測試結果表明，變頻空調相較于定頻空調均有明顯的節能優勢以及溫控穩定性優勢。

本文以重慶市軌道交通1 號線作為研究對象，分別選取定頻空調列車和變頻空調列車各2 列，通過加裝電能表，在經歷了一個較完整的制冷季節運營測試后，進行數據的統計及分析。重慶市軌道交通1 號線是重慶市軌道交通線網中東西方向的一條骨干線路，也是重慶市第一條地鐵線路。該線路于2011 年7 月28 日開通試運營，全線路露天長度約為23.9km，地下（含隧道）長度約為21.4km，使用6 節編組B 型列車，全線路購買的列車均使用定頻空調，在2021 年車輛大修期間將個別列車空調更新為變頻控制方式，用于定頻空調和變頻空調的對比研究。

1 變頻及定頻空調控制原理分析

重慶地鐵1 號線地鐵車輛定頻空調具備通風、半冷、全冷3個檔位，通過控制空調2 臺壓縮機的啟動和停止來實現，半冷檔位啟動1 臺壓縮機，全冷檔位啟動2 臺壓縮機，定頻空調運行示意圖，如圖1 所示，左側K 線表示溫度上升控制方式，右側K 線表示溫度下降控制方式。一方面，壓縮機的啟動和停止會有一定的開關損耗，另一方面，為保證壓縮機潤滑油的回油量，壓縮機啟動3min 左右后方能停止。

圖1 定頻空調運行示意圖

變頻空調的控制，其主要是基于空調智能控制系統及時調節壓縮機的運轉頻率，當客車內溫度達到設定溫度值時，控制壓縮機降頻，并維持在低頻運行狀態（低頻狀態功耗降低），此時空調機組輸出適當的制冷量，將客車內溫度維持在設定值。根據變頻壓縮機的特性，在低頻運轉時，壓縮機的容積效率提高，而且單位時間內排出的制冷劑減少，冷凝器和蒸發器的面積相對增大，此時的空調制冷效率提高，即空調能效比提高，用電量減少。同時，因壓縮機停機次數減少，避免了壓縮機的開關損耗，進一步降低了空調的運行能耗。變頻空調運行示意圖，如圖2 所示。

圖2 變頻空調運行示意圖

城市軌道交通車輛在實際運營時，高低峰時期乘客量的變化、線路地面地下的變化以及車輛到站開關門行為，均會引起客室熱負荷的變化，從控制方式上分析，變頻空調在節能上有一定優勢。

2 試驗內容

根據試驗車輛空調運營現狀，針對變頻空調與定頻空調從7~9 月份（環境平均高溫31℃，平均低溫24℃）進行長期的現場跟車測試，測試內容主要包括溫度控制以及2 種型式空調的耗電量統計。試驗過程中，分別選取裝有定頻空調和變頻空調的車輛各2 列，安裝能耗記錄儀記錄空調機組的運行能耗，并跟車測試車廂內溫度。

首先記錄7~9 月重慶環境統計曲線如圖3。由圖中可看出，在7~9 月這段時間，重慶當地的氣溫基本在30℃左右，在7 月底~8 月初這段時間氣溫達到最高的40℃，而進入8~9 月份期間，因降雨天氣較多，室外環境溫度有較大的波動。

圖3 制冷季空調運行環境溫度曲線

3 車廂內溫度測試

在試驗過程中通過溫度記錄儀進行跟車測試，記錄車廂內外的溫度波動，通過對比同一個時間段內配置變頻空調與定頻空調的不同列車內溫度波動范圍，判定車內溫度的穩定性。

本文隨機選取某一天相同時間段的車內溫度記錄數據，得出溫度變化曲線，如圖4 所示。

圖4 某運行時段車廂溫度曲線

通過圖4 可以看出，當因外部環境引起車廂內溫度波動時，變頻空調車廂相對于定頻空調車廂，溫度的調節更平緩、舒適度高，而定頻空調車廂內溫度上下浮動溫差相對較大，此時乘客容易感到溫度忽高忽低，車廂內舒適度相對較低。

從原理上分析，變頻空調根據車廂內制冷量的需求調整壓縮機的運行頻率，實現了空調輸出的制冷量與車廂內負荷的相對匹配，從而實現將客室溫度維持在設定溫度±1℃范圍內的需求。在車內人員較少或氣溫較低時，壓縮機維持低頻運行，既能穩定車廂溫度，保證乘客乘車舒適度，同時也達到節能的目標。定頻空調靠壓縮機的啟?？刂苼韺崿F輸出制冷量的調節，輸出的制冷量并不連續，在車廂內負荷變化時，勢必出現壓縮機頻繁啟停的現象，導致車廂內溫度產生較大波動。

4 車輛空調耗電量對比

因實驗車輛均在同一條線路中，車廂內設定溫度相同，整體外部運營環境相同（車輛運營時刻和區段可能略有不同，但通過3個月的運營周期對結果的影響可忽略不計）。通過記錄7、8、9 月近90 天的變頻空調和定頻軌道空調耗電量和運營里程，得出變頻空調和傳統定頻空調的耗電量統計表。從數據可以看出，相對于定頻空調，變頻空調的綜合平均節電率為31.42%。一列6 編組車輛，就空調而言，平均每公里節電量0.657kW·h。耗電量如表1 所示。

表1 不同型式空調數據對比

筆者在分析3個月的運營數據過程中，不僅橫向比較了軌道車輛變頻空調和定頻空調的數據，同時也對不同時間、不同氣溫下的節電數據做了縱向的比較。對比在不同天氣溫度下的節電率數據如表2 所示，可以看出：當氣溫處于36~40℃時節電率最低，隨著室外環境溫度的降低，節電率則逐漸升高。當環境氣溫較高時，變頻空調壓縮機運行高頻的時間更長，對比定頻空調節電率相對較低。而當環境氣溫低時，車輛的新風負荷減小，變頻空調的壓縮機可以在更長的時間內以低頻運轉，對比定頻空調的節電優勢得以發揮，因此節電率更高。

表2 不同氣溫下空調節電數據對比

5 節能經濟效益分析

按照重慶1 號線線路每列列車在制冷季7、8、9 月份可運行4.5 萬km 計算，若全線共53 列列車均采用變頻空調，則可比使用原定頻空調在3個月中直接節省電能156.7 萬kW·h。根據目前軌道運營商電價0.7 元/kWh計算，全線53 列列車均采用變頻空調，在7、8、9 月份可直接節省約109.69 萬元。

6 結語

由于試驗存有一定的局限性，節能效果不一定很準確，且在實際營運中，隨載客量的不同，節能效率也會有一定波動，但試驗結果依然能夠證明通過分別選取使用定頻和變頻空調列車各2 列，試驗驗證在重慶1 號線的線路條件下，3個月中變頻空調相對于原定頻空調具有明顯的節能效果，可降低地鐵車輛的運營成本。同時，地鐵車輛變頻機組對客室溫度的控制優于定頻空調機組，提高了地鐵車輛客室的舒適性，為軌道車輛空調機組節能和舒適性研究在重慶地區的發展作出了貢獻。