地鐵車輛空調系統能耗測試和計算方法研究

王彥魯，李子建，劉忠慶，陰啟明

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

隨著城市經濟的不斷發展，城市內的交通十分繁忙，越來越多的城市開始考慮將發展地鐵、輕軌或有軌電車等不同軌道交通方式作為解決城市交通問題的策略和措施。大多數軌道交通車輛都要安裝空調系統，空調系統的能源消耗問題日漸突出[1]。

為達到節能目的，需要根據使用地區的環境溫度和相對濕度，通過對空調系統與軌道車輛性能的匹配，優化空調系統工作策略，對空調系統在不同工況下工作的能耗評價，是做好空調系統控制策略的基礎性研究。

本文著重建立統一的試驗工況,通過研究整車空調系統能耗情況為整車空調能耗的計算和能級劃分提供參考依據,為相關標準的制訂提供理論支撐。由于地鐵車輛采暖主要以電加熱為主，并且全國較多城市冬季地鐵車輛不需要開啟采暖系統，因此，本文主要研究分析地鐵車輛空調系統制冷季能耗。

對于地鐵車輛空調系統的能耗，目前使用較多的是監控測量法與數值計算法。對地鐵車輛空調系統能耗進行全年監控測量的方法對于尚未下線正式運營的車輛不可行，也不適用不同車輛之間的對比；
數值計算法可以得到整車空調系統的能耗甚至是全年能耗，但受制于各方面因素，并不是每節車廂都能建立模型，也不適用不同車輛之間的對比。

為能達到節能減排的目的，同時為了不同車輛之間能夠進行對比，必須有統一的測試工況和計算方法對整車空調系統進行能級劃分。試驗工況越接近實際運行條件,得到的空調系統能耗值越精確。通過對每天各時刻的各個參數(溫度、相對濕度、載客量等)分別進行平均，然后進行修正，以1 min或者5 min作為時間間隔即可構造典型天的參數。EN 13129：2016[2]列出了鐵道車輛典型天工況。對于典型天工況，各個參數變化頻繁，目前國內整車熱工試驗室無法完成測試。

本文通過選取合適的工況參數，分析中國典型地區的制冷各溫度區域的時間分布，結合相關標準，構建適合地鐵車輛空調系統能耗試驗的通用靜止試驗工況，繼而結合各工況的權重進行計算，得到地鐵車輛整車空調系統制冷季能耗。

地鐵車輛在實際運行時，車門頻繁開關，車體K值和新風量也是變化的，在構建地鐵車輛空調系統能耗試驗通用靜止工況時，需要對各影響因素進行綜合分析。

2.1 開關門

地鐵車輛在運行時到站停車并不斷地進行開門-關門，地鐵車輛的開關門會對地鐵車輛空調系統能耗造成影響。本文參照EN 14750-1：2006[3]B類車開關門試驗對被試車空調系統能耗進行測試，在整車熱工試驗室進行。測試結果如表1所示。

表1 地鐵車輛車門開關時空調系統變化

由表1可知，開關門時會增加空調系統能耗，但在車內外溫差較小時(22 ℃和28 ℃工況)，能耗值影響很??；
車內外溫差較大時(31.5 ℃和35 ℃工況)，空調系統能耗值增加約10%。整體而言，地鐵車輛在開關門時，尤其是在站臺有空調的情況下，車內外溫差很小，開關門時對空調系統能耗影響很小。故在構建通用工況時，不再考慮開關門對地鐵車輛空調系統能耗的影響。

2.2 其他因素

地鐵車輛運行時,車體K值和新風量也是變化的。地鐵車輛新風量不僅受車速影響而且還與隧道以及隧道通風機有關，在運行過程中是復雜多變的。由于地鐵車輛運行速度不高，因而構建通用工況時，新風量統一采用靜止時數值。

地鐵車輛運行時，隨著運行速度的提高，車廂外表面對流換熱系數增大，通過車體傳入車廂內熱量增大，進而增大空調系統能耗。TB 1951—1987[4]附錄表A2給出了不同車速下的客車的車體K值，地鐵車輛運行時速多在30～70 km/h之間，選取運行速度60 km/h進行分析。靜止時,車體K值為1.16 W/(m2·K);車速在60 km/h時,車體K值為1.70 W/(m2·K)。參照EN 14750-1：2006[3],外溫35 ℃時，車內空調設定溫度約為29 ℃，車體面積取248 m2,以此為基礎進行計算，結果如表2所示。

表2 35 ℃工況時通過車體傳遞的熱量

由表2可知，在靜止時,通過車體傳遞的熱量為1 726.08 W;運行速度60 km/h時,通過車體傳遞的熱量為2 529.60 W，通過車體傳遞的熱量差值為803.52 W。地鐵車輛空調的能效比約為2.2，以此計算，整車空調系統能耗值差值僅為365 W，差值很小。而且不同地鐵車輛的運行K值變化規律基本是相同的，在做能耗計算及對比時以靜止時K值為基準是可取的。

測試工況的建立必須兼顧各個地區不同的城市，需要制定統一的工況。地鐵線路分地下段和地上段，目前國內地鐵車輛主要在地下運行，太陽輻射強度暫不在研究范圍之內。

地鐵車輛在地下段運行時的溫濕度和氣象站的溫濕度是不同的，不僅受氣象參數影響，而且還與線路條件設置、隧道所在地土壤溫度、隧道壁面溫度以及隧道空氣初始溫度等有關。這就造成了不同城市、不同線路、不同建造時間的隧道內空氣溫度的千變萬化，利用SES軟件可以把氣象溫度轉算成隧道內的空氣溫濕度。但這樣不僅工程浩大，而且會使得構建的工況失去通用性。因此，本文在保證一定精度的前提下采用氣象數據來保證該方法的通用性。

在不考慮太陽輻射強度并以車體靜止K值和靜止新風量為基準的情況下，環境溫度和載客量是最重要的變化因素，也是傳統意義上工況劃分的依據。

按照我國鐵路以往進行車輛熱工計算的慣例，北京以南地區制冷季氣候以武漢作為代表城市?？紤]地鐵車輛每天實際使用空調機組運行的時間為18 h，對各溫度發生時間進行統計[5]?？照{機組在制冷季節需要制冷的各溫度發生時間見表3。

將夏季制冷時整個環境溫度劃分成4個區，22～25 ℃，26～29 ℃，30～33 ℃，34～40 ℃，通過加權平均計算出4個溫度區的試驗點溫度為23.5 ℃、27.5 ℃、31.3 ℃和35.2 ℃。這4個溫度點對應的相對濕度分別是：80%、70%、65%和60%。參照GB/T 33193.2—2016[5]，4個工況節點修約為：22 ℃/80%、28 ℃/70%、31.5 ℃/65%和35 ℃/60%。

載客量劃分為25%定員、50%定員、75%定員和100%定員4個節點，除此之外，地鐵車輛還有空載狀態。因此，本文將載客量劃分為：0%(0～15%)、25%(15%～37.5%)、50%(37.5%～62.5%)、75%(62.5%～85%)和100%(≥85%)5個節點，定員為AW2定員。

根據以上劃分標準，可得具體靜止試驗工況，如表4所示。

(2) 車體K值應滿足標準要求;

(3) 車內實際平均溫度偏離表中規定值<±1K;

(4) 被試車新風量應滿足標準和設計要求。

為便于不同地區、不同型號的地鐵車輛空調系統能耗做統一對比和評判，需要制定統一的工況和計算權重：通過統一的靜止試驗工況，采用相同的計算權重進行計算，繼而進行評判。本文為了驗證該方法的可行性與準確度，計算權重暫以被試車當地的計算權重進行計算。

4.1 研究對象

選取重慶地鐵6號線第45列車的Tc1車和Mp1車作為研究對象，每輛車安裝2臺頂置式、薄型單元式空調機組。該空調機組采用單冷型式、微機控制并具有自診斷功能。整列車采用6輛車編組，編組型式為=Tc*Mp*M=M*Mp*Tc=。其中，Tc為有司機室的拖車，Mp為帶受電弓的動車，M為不帶受電弓的動車，=為半自動車鉤，*為半永久牽引桿。列車載客能力見表5。

表5 重慶地鐵6號線地鐵列車載客能力表 人

4.2 當地權重

4.2.1溫度權重

對于重慶地鐵6號線第45列車而言，運行時間主要為6:00～22:00，統計重慶市3月30日至11月2日標準年氣象數據[6],可得各個時間溫度的時長,詳細數據如表6所示。

表6 各個時間各溫度節點時長 h

4.2.2載客權重

對于載客量，隨日期變化規律不太明顯，主要隨時間變化，因此可以做出一個典型天的載客數據：統計工作日和非工作日載客變化規律，按照權重求其均值，即可得出典型天載客數據。圖1和圖2分別為Tc1車和Mp1車典型天載客變化情況。

圖1 Tc1車典型天載客變化

圖2 Mp1車典型天載客變化

4.2.3計算權重

綜合溫度權重和載客權重，可得當地權重，Tc1車和Mp1車的計算權重如表7所示。

表7 Tc1和Mp1車計算權重 %

5.1 計算模型

受制于場地和時間因素，不能對所有通用工況進行試驗測試，因此本文采用地鐵車輛空調系統制冷季能耗模擬計算AMESim模型[7]對被試車通用工況空調系統能耗進行計算。圖3為所建地鐵車輛空調系統制冷季能耗模擬計算AMESim模型。模型中包含了壓縮機模型、蒸發器模型、冷凝器模型、車廂熱系統模型以及車外氣象參數、新風參數、載客量等輸入接口及空調系統控制模塊和車廂新、回風補充模塊等。

圖3 空調系統制冷季能耗模擬計算AMESim整體模型

該模型的數值計算結果與試驗結果對比如表8所示[8]。

表8 空調系統能耗模擬計算及試驗結果對比表

由表8可知，計算模型具有較高的精度，可以用來計算地鐵車輛空調系統靜止工況制冷能耗。

5.2 計算結果

采用章節5.1的AMESim計算模型對各個通用工況計算，可得各個工況的能耗值，計算結果可見表9。

表9 Tc1車以及Mp1車各試驗工況空調系統能耗值及計算權重

每個工況的能耗值與其權重相乘并累加后，與總運行時長相乘可得Tc1車和Mp1車制冷季總能耗，詳見表10。實測能耗值是通過在被試車中安裝G4430能耗測試儀采集的。

表10 Tc1車和Mp1車制冷季能耗

由表10可知，誤差均在15%以內，精度較高，該靜止試驗方法可以對地鐵車輛空調系統制冷季進行能耗預測。而且試驗工況均可在試驗室實現。即通過合理分配靜止試驗各個工況的權重進行測試和計算，得到的地鐵車輛空調系統制冷能耗具有較高的精度?？捎糜诘罔F車輛空調系統制冷能耗的計算和預測，繼而用于評價地鐵車輛空調系統。

5.3 通用權重

采用通用工況和本地權重計算地鐵車輛空調系統制冷季能耗具有較高的精度，這種方法是可行的。為了便于不同地區、不同型號的地鐵車輛空調系統能耗做統一對比和評判，需要做出統一的通用權重。

對于通用權重中的溫度權重，可以按照本地權重的算法進行。按照我國鐵路以往進行車輛熱工計算的慣例，北京以南地區制冷季氣候以武漢作為代表城市。因此,在做通用權重時，溫度權重采用武漢溫度。

對于載客權重，則需要通過大數據統計載客變化規律,繼而得出各個載客分區的權重。

分析了地鐵車輛運行時與車輛靜止時的不同，研究了主要不同點對空調系統能耗的影響:開關門以及運行車速對空調系統能耗影響不大。故在構建通用靜止工況時不再考慮。

按照我國鐵路以往進行車輛熱工計算的慣例，北京以南地區制冷季氣候以武漢作為代表城市。通過統計武漢地區的溫度，并參照相關標準，構建了通用靜止試驗工況。

以重慶地鐵6號線作為基礎做出了本地權重，并給出了通用權重的制定方法。

以重慶地鐵6號線第45列車的Tc1車和Mp1車作為研究對象，采用通用靜止試驗工況和本地權重，得到了空調系統制冷季能耗，并與試驗測試值進行對比，具有較高的精度，表明該方法是可行的。

為便于不同地區、不同型號的地鐵車輛空調系統能耗做統一對比和評判，需要在通用工況基礎上制定通用權重，這也是今后重點研究的方向。隨著數據的不斷增加,當地權重和通用權重會不斷更新和完善。