VRV空调在列车卧铺车厢上的使用探讨研究

VRV空调在列车卧铺车厢上的使用探讨研究 摘要: 文章对变制冷剂流量空调系统技术在列车上的应用可行性进行了分析;根据列车空调的现状，分析了列车采用变制冷剂流量空调系统的实现手段、使用特点以及带来的问题，并通过实验对使用变制冷剂流量空调系统的列车软卧车厢的气流组织特性进行了具体研究。 关键词: 变制冷剂流量 气流组织 变频调节 0 问题提出 随着我国经济的持续高速发展，近十几年我国的空调客车也有了长足发展，双层客车、空调客车、高速列车都逐渐被广泛应用。由于旅客列车的客运量不断增长，近期铁道部提出今年四月我国铁路第五次大规模提速，与此同时随着人民生活水平的不断提高，人们要求更好的乘车环境，列车卧铺车厢随之不断增加。列车的高速化和舒适性已成为当前的两个主题，这客观上也对高速列车如何保证车内的舒适性和安全稳定性带来一系列问题。为提高客室的舒适环境，目前的空调列车在冬季采暖和夏季制冷，以及照明、包厢内布置等都有明显改善。我国现有使用的列车空调全部是集中式全空气空调系统，这种系统难以满足卧铺车厢这种小空间隔间的空调舒适性控制。本文提出在列车软卧车厢应用民用建筑中逐渐被广泛使用的变制冷剂流量空调系统，取代传统的列车全空气空调系统，通过分析变制冷剂流量空调系统的使用特点，说明在列车软卧车厢上应用该空调系统的适用性和技术先进性，并进一步通过实验分析使用该系统的软卧包厢的气流组织特性。 1 列车集中式全空气空调系统的特点 (1)可以对大空间进行理想的气流分布，控制整个车厢温度和相对湿度; (2)对于列车软卧包厢，各包厢风管连通，易使各包厢间空气交叉污染; (3)风道断面尺寸大，风管风速高，噪音大，输送耗能多，管道系统复杂，占用空间大; (4)部分包厢停止使用不需空调时，整个空调系统仍须运行，不经济。 2 软卧车厢的立面特点和使用要求 每节软卧车厢有十个包厢，依次排列相连接。包厢外是公共通道，没有可供休息桌椅，乘客主要在包厢内休息; 包厢尺寸:2×2×2.55(米)，每个包厢分上下铺共4个铺位，立面空间小，乘客只能在铺位坐立和躺卧，其它活动区域很小。 车厢内温度冬季应不低于22?，夏季不高于26?，应保持空气新鲜;(“铁标”规定) 整个车厢保持清洁卫生环境; 各包厢应尽量减小相互干扰; 包厢内保持安静、舒适的环境。 以上分析可见，集中式全空气空调系统不适用于列车卧铺车厢的使用，需要一种适合列车卧铺车厢的使用要求和立面特点的空调系统来取代。 3 列车软卧车厢采用变制冷剂流量空调系统的使用特点: 3.1 系统的送风方式 软卧车厢变制冷剂流量系统送风示意图 图1 使用可变制冷剂流量空调系统，每节车厢有一台室外机，采用十台室内机分别供十间包厢空调(乘务员车厢可多加一台室内机)。如图1，利用新风机组集中处理新风送入各包厢，并同时承担整个车厢的新风负荷。采用变制冷剂流量空调系统，每台室内机按包厢独立控制包厢内空气状态。考虑夏季工况由于室外新风温度高，制冷剂盘管蒸发压力就高，压缩机功率消耗大，如果新风室内机与其它室内机连接在一个系统中，压缩机有可能超载而不工作甚至烧毁。民用建筑中一般要求变制冷剂流量空调系统新风室内机要单独连接一个压缩机，或单独设置室外机组。但对于列车应用空调，由于安装条件限制，仅允许设置一个室外机组，这时必须考虑加大压缩机的制冷余量。 3.1.1 送新风方式 列车自身空间有限，车内人员相对密集，仅靠门窗渗透新风无法保证车厢内新风量要求。为保证车厢的空气品质， 3必须引入新风系统，保证新风量不小于22.5m/(h?人)。对于变制冷剂流量空调系统，一般的新风处理形式有两种:一种是采用高静压新风机组，另一种是热回收方式。高静压新风机组采用直接蒸发吸热来处理新风，直接承担新风负荷。 新风采用先处理后再与回风混合的送风方式。考虑列车车厢纵深方向长，新风管压头损失大，又由于列车内设备安装空间小，管路布置要求尽量简单，可靠性高，建议采用高静压新风机组。 3.1.2 系统回风方式 目前国内列车空调一般采用中央空调集中处理新风和回风。每节列车车厢仅在走道门外吊顶处设置一个的集中回风口。这种送回风方式，卧铺间内可以明显感觉到空气的二次污染。究其原因，主要是回风中混杂有烟气顺车厢走道门外 的回风口，在负压作用下又诱引入车厢卧铺间，产生空气二次污染。 如图2采用变制冷剂流量空调系统，每个卧铺间顶上对应安装一台室内机组，室内机连接回风口可以设置在卧铺间对面车窗以上，也可以不设置回风道，回风直接从室内机吸入。 列车软卧包厢顶部送回风剖面示意图 图2 3.2 多联机方式设置安装 变制冷剂流量空调系统由一台室外机和数台室内机组成，所以又称为多联机空调系统，或一拖多空调系统。多台不同种类的室内机由一个冷媒管路连接(每一台室内机可以根据控制单元的要求，进行独立的制冷或制热的运转。目前变制冷剂流量最先进的空调技术，室内机数量可多达16台，并可进行独立的控制;室外机内的压缩机配备变频控制器，可根据制冷或制热的负荷状况改变转动的速度，瞬间容量调整，保证在高效率工况下运行;由于变制冷剂流量解决了回油运转问题，使室外机与室内机之间的冷媒管长度延至l00m，室内机与室外机之间的高低差增加至50m，各室内机之间高差可允许15m。 列车车厢的外尺寸为26×3.3×3.3(单位:米，根据现行铁路标准红线确定)，车厢内设有十间软卧包厢，另有一间乘务员休息室。各包厢顺次相接，设置紧凑，以上外形特点都有利于的变制冷剂流量空调系统的设置和安装。 软卧车厢变制冷剂流量空调系统制冷剂线性分流方式 图3 如图3所示，在软卧车厢外顶安装一台室外机组，与其连接的十台室内机分别置于十间软卧包厢顶部(乘务员休息室可续加一台室内机)。系统连接采用线性分流方式，即通过冷媒管接头将室内机顺次连接在一起。这种配管方式特别适用于列车车厢这种纵深较长的空间。每间包厢外形尺寸相当，空调负荷也相当，室内机可以选择同一型号，并且安装在各包厢厢顶同一标高上，制冷剂管路设计简单，运行稳定。 3.3 包厢独立空调方式 目前列车上使用的制冷空调系统的多采用工业可编程控制器，即PLC。这种控制方式简单方便，可以记录以往的运行数据，有记忆功能。采用PLC模式集中控制车厢内整体温度，由于控制技术水平低，存在着两个问题: (1) 空调乘务员很难及时调整空调的设定温度，有时会出现车内温度与乘客舒适要求相差较大的情况，车内热环境常常不能满足旅客热舒适性的要求; (2) 不能对与车内的新风量进行有效的控制，车内空气品质得不到保证。 在列车运行中，PLC模式的空调系统并不按照额定工况运行，尤其冬季夜间运行时，卧铺车厢温度比较低，不能满足乘客的舒适性要求。对于变制冷剂流量系统，每个包厢的空调环境由对应的一台室内机来控制。包厢内设有一个空调控制器面板，可以由乘客根据需要来调节包厢内温度(温控范围18,28?)、风速(高、中、低档)，以及除湿等功能，室内的新风量由高静压新风机组送风来满足。可见，变制冷剂流量空调系统可以实现个性化控制来满足包厢的舒适性要求。同时在列车淡季运行时，可以仅使用运载乘客的包厢的室内机，而不必控制整个车厢的温度，从而减少负荷量，实现节能。 3.4 变制冷剂流量变频技术 变制冷剂流量空调系统，从80年代推出至今，已经发展成为一套先进完善的变频空调技术。列车空调采用变频技术，由于变频式空调机组可以随时变换运转功率，以最小的功率改变压缩机转速维持温度恒定，而不是通过压缩机开停来维持温度恒定，提高了机组运行效率，节约能源;变频器利用软启动和慢减速，电机启动和减速平稳，使设备安全运行起 到保障作用。列车空调应用变频技术后，调节通风量、制冷量的能力加强了，能更好的满足乘客要求。同时变制冷剂流量空调系统简化了电气控制和动力系统，每个包厢都时独立的线路控制，给设备维修带来方便。 3.5 冷凝水处理 变制冷剂流量空调系统的每个室内机都接出一条冷凝水管，并由一条总冷凝管道顺次的按照一定坡度连接，排到洗漱间或卫生间。包厢内不存在送风口漏水问题。 3.6 变制冷剂流量空调在列车上应用还同时带来以下一些问题: (1)采用变制冷剂流量系统，冬季制热工况时，其室外机组的制热能力会随室外气温的降低而大幅衰减。尤其列车可能经常跨温度带行驶，必须考虑室外机出力衰减量来选配机组，列车在寒冷地区行驶时，必要时需要辅助电加热设备; (2)采用高静压新风机组，不能回收室内回风的能量，相对耗能较大，效率降低; (3)考虑车厢内人员密集，车内含湿量较大，一般不存在车厢内的加湿情况，本文没有述及车厢内采用变制冷剂流量空调系统的加湿问题; (4)由于列车高速行驶，气流在车体外表面上形成边界层，其动压值随车速增加明显上升，静压则明显降低。附在客车上的空调制冷系统的工作条件与周围环境密切相关，因此机组的静态特性与实际运行时的动态特性相差很大。变制冷剂流量空调机组在列车上的实际使用效率和稳定性要通过列车实际运行来检验; (5)采用变频空调，对列车电力系统提出更高要求。 以上对变制冷剂流量空调系统在列车软卧车厢的具体使用特点的分析中，可以看出变制冷剂流量空调系统可以与列车卧铺车厢良好的匹配结合，并且变制冷剂流量空调系统本身具有的成熟的变频技术、可大范围控制温度等优势。 变制冷剂流量空调系统能否满足列车软卧包厢的各种舒适性指标, 温度及温度均匀性 微风速及风速均匀性 湿度控制 气流风口送风速度 噪声及其它 本文通过实验，研究了夏季工况时前两个主要的舒适性指标，具体研究利用可变制冷剂流量空调系统时的包厢内的气流组织特性 。 4 软卧车厢变制冷剂流量空调系统的气流组织特性实验研究 4.1 实验台简介 实验台由实验段、夹套、控制室、设备间组成。如图4所示 实验台平面布置图 图4 列车实验段是由3mm厚的钢板制成的箱体，其外形尺寸与实际车厢尺寸相当，用来模拟实际列车车厢。实验段外的 3夹套间部分设两台热泵式风管机(制热量28KW，风量4080m/h)，用于模拟列车室外气候，本实验在冬季开始，夹套间模拟夏季工况。实验段内设有三台变制冷剂流量室内机组，室外机设在靠近夹套间的外墙侧。其中一台室内机组模拟新 3风机组，额定冷量:7.1KW，最大循环风量:1500m/h。本实验旨在研究包厢内气流组织特性，所以新风机组没有外接室外风管，直接引自车厢内空气送入新风风道，认为新风机组已承担新风负荷，达到室内送风状态点。另外两台室内机选 3用同一型号，制冷量:1.2KW,最大循环风量600 m/h。 列车实验段的软卧包厢采用10mm厚的木制板制成，外形尺寸为2×2.05×2.54(米)如图5所示。 卧铺包厢平面、立面示意图 图5 4.2 实验仪器 实验采用铜,康铜热电偶温度传感器，Agilent34970A温度采样器来测量包厢断面的选取点的温度。通过标准的RS-232接口将仪器与计算机连接，运行HP Bench Link Data Logger专用软件程序可将各个测试点温度数据同时采集并存入计算机内。 测量包厢内不同断面选取点风速利用KANOMAX公司生产的Model 1550多通道气流分析仪及与其配套的热球风速仪传感器探头。可同时测量40个点的速度，利用专用软件可将数据上传入计算机。实验误差在0.1,4.99m/s范围时为:?0.15 m/s。 4.3 速度测量 在包厢内选取两个横断面，其中1,1断面距离地面1.8米，即取距离上铺200mm断面，2,2断面距离地面700mm，即取距离下铺，200mm断面。如图6所示: 包厢内横断面1-1，2-2图 图6 3表1 包厢内风量为600 m/h时1-1断面速度分布 单位:m/s 1 2 3 4 A-A截面 0.29 0.25 0.18 ?? B-B截面 0.29 0.43 0.32 0.27 C-C截面 0.19 0.12 0.14 ?? 3表2 包厢内风量为600 m/h时2-2?断面速度分布 单位:m/s 1 2 3 4 A-A截面 0.14 0.15 0.06 ?? B-B截面 0.16 0.20 0.18 0.1 C-C截面 0.11 0.08 0.04 ?? 1,1横断面速度场分布图 图7 2,2横断面速度场分布图 图8 包厢内采用顶部两个条缝风口侧送风对吹。根据图7分析，两个上铺位的风速基本在0,0.25 m/s范围，风速分布比较均匀，满足夏季工况卧铺客室微风速标准规定。在两上铺中间，两风口对吹交汇的区域风速较高0.3,0.5 m/s,但 这部分空间不是乘客的休息活动区。从图8中可见2-2断面风速都在0.2 m/s以内，下铺的空间速度场符合要求。整个 包厢横断面风速靠近车窗侧的风速相对较大，这与实验中采用木制条缝风口局部变形有关。 4.4 温度测量 热电偶布点位置如图6，即与速度布点位置重合，温度参数和速度参数同时测量，要求控制车厢温度在25?内。 3表3 包厢内风量为600 m/h时1-1断面温度分布 单位:? 1 2 3 4 A-A截面 23.93 23.82 24.87 ?? B-B截面 23.76 23.07 24.67 23.2 C-C截面 23.64 23.24 24.9 ?? 3表4 包厢内风量为600 m/h时2-2断面温度分布 单位:? 1 2 3 4 A-A截面 24.12 23.98 25.16 ?? B-B截面 23.76 23.51 24.78 24.41 C-C截面 23.93 23.78 25.08 ?? 1,1横断面温度场分布图 图9 2,2横断面温度场分布图 图10 温度测试实验中，仅运行一台室内机和新风机。为模拟包厢外温度，夹套内温度预想升到30?。但实验中整车厢只对一个包厢制冷，实际所模拟温度场的包厢各壁面表面温度都很高，冷负荷过大，所选用的室内机难以满足冷负荷要求。决定夹套温度选用控制在27?。由1-1可见包厢内平均在25?以下时，温度场分布比较均匀。2-2断面显示包厢断面局 部温度略高于25?，整个包厢温差小于2.5?，温度场分布比较均匀。 5 结论 列车软卧车厢采用变制冷剂流量空调系统有如下主要使用特点: a. 新风系统采用高静压室内机组，承担软卧车厢总新风冷负荷; b. 各包厢回风直接在包厢外引回风道，或直接由室内机吸入回风，减小二次污染; c. 空调系统多联机方式连接，各包厢空调独立控制，系统简单，安装灵活方面; d. 空调系统温度调节范围大，变频节能; e. 各室内机引出冷凝水集中排放到洗潄间或卫生间。 本文利用实验分析包厢内的气流组织，认为在列车软卧车厢采用变制冷剂流量空调系统，采用条缝风口侧送风对吹方式速度分布合理，温度场分布均匀，可以较好满足包厢的舒适性。 变制冷剂流量空调系统在民用建筑上已经得到广泛应用，但在列车上目前在国内外还没有正式使用，本文通过分析，并利用1:1列车软卧车厢里的实验得到了较好的效果，但这种方案需要在实际列车运行中来进一步研究其可行性。对于列车硬卧车厢采用变制冷剂流量空调系统，由于与软卧车厢布局类似，认为也有借鉴意义。 参考文献