变频与定频在轨道交通车辆空调的比较浅析

１轨道交通车辆变频与定频空调比较浅析1前言城市轨道交通系统耗电量大，运行成本高，中国工程院施仲衡院士提供的数据表明，一条20公里的轨道交通线，平均每年耗能达到8000万千瓦时。其中空调系统是轨道交通车辆主要的耗能系统之一。根据目前运营线路的能耗统计数据分析，轨道交通车辆用电量为总用电量的50～60%，其中以空调为主的辅助系统能耗约占交通车辆能耗的50%。节约能源与环境保护逐渐成为可持续发展的主题。定频空调系统是轨道交通空调系统的主流，现在运营的轨道交通车辆95%以上使用的是定频空调。现在有些车辆上也采用了变频空调，有些厂家甚至宣称其变频空调比定频空调可节能30%～40%。变频空调在轨道交通车辆上有什么优势，有什么劣势，本文以轨道交通空调常用的涡旋压缩机为例，分别从单压缩机系统与多压缩机系统两个方面，对变频与定频空调进行了一些比较。2变频空调的原理所谓的“变频空调”是与传统的“定频空调”相比较而产生的概念。众所周知，轨道交通空调常用电压为380伏、50赫兹，在这种条件下工作的空调称之为“定频空调”。由于供电频率不能改变，传统定频空调的压缩机转速基本不变，依靠其不断地“开、停”压缩机来调整室内温度。而与之相比，“变频空调”变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速。依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，室温波动小、舒适度较好。3单压缩机空调系统比较3.1适应负荷能力的比较定频空调的制冷能力随着室外温度的上升而下降，而房间热负荷随室外温度上升而上升，这样，在室外温度较高，本需要空调向房间输出更大冷量时，定频空调往往制冷量不足，影响舒适性；而在室外温度较低时，本需要空调向房间输出较小冷量，定频空调往往制冷量过盛，白白浪费电力。而变频空调通过压缩机转速的变化，可以实现制冷量随室外温度的上升而上升，下降而下降，这样就实现了制冷量与房间热负荷的自动匹配，改善了舒适性，也节省了电力。定频和变频空调的热负荷与室外温度的变化规律分别如图1和图2所示。２3.2温度调节能力的比较以制冷状态为例，图3表示定频空调温度调节方法，其中T为室内温度，Ts为设定温度，达到设定温度压缩机停，室内温度高于设定温度1度，压缩机重新开启。图4表示变频空调温度调节方法，室温每降低0.5度，运转频率就降低一档，相反，室温每升高0.5度，运转频率就升高一档，即室温越高，运转频率越大，以便空调快速制冷，室温越接近设定温度，运转频率就越小，提供的制冷量也越小，以维持室温在设定温度附近，温度波动小。单压缩机空调系统只能通过开/关压缩机来调节室内温度，因此在节能环保和噪声控制等方面的表现难以令人满意。而变频空调通常通过调整频率来适应室内符合要求，因此在节能环保、降低噪声等方面比传统定频单压缩机空调有比较大的优势。T-Ts1.00关开T-Ts2.52.01.51.00.50图3:多压缩机定频空调器制冷温度调节图4变频空调器制冷温度调节降频时间时间图1：单压缩机定频空调制冷量与热负荷随室外温度变化室外温度室外温度制冷量房间热负荷制冷量房间热负荷图2：变频空调器制冷量与房间热负荷随室外温度变化３3.3启动、运转性能的比较定频空调以定频启动，定速运转，压缩机启动电流较大，对电网的冲击较大。而变频空调低频启动，变频运转，启动电流小，对电网的冲击较小。4多压缩机空调系统比较轨道交通空调一般采用多压缩机或者采用带有能调的单压缩机空调机组。现在地铁空调一般每节车厢都选用双空调机组，而且每台空调一般至少采用两个压缩机。我们以每节车厢采用4台压缩机为例，来比较变频与定频的差别。4.1适应负荷能力的比较定频空调系统随着房间热负荷的变化，逐步变化压缩机开启数量，从而实现能量调节的目的。由于一节车厢内有至少有四台压缩机，因此至少可以实现0，25%，50%，75%，100%的能量调节（对于有些车辆采用了8个压缩机，其实现的能量调节范围更广）。从图2和图7可以看出，带多档能量调节的定频空调可实现与变频空调相类似的能量调节作用。转速转速时间时间图5：定频空调器启动过程图6：变频空调器启动过程４4.2温度调节能力的比较图8为4压缩机定频空调的温度控制图，从该图可以看出，多压缩机空调可以通过调整压缩机工作的数量来平滑控制室内温度。比较图8和图4可以看出，多压缩机定频空调可得到变频空调相类似的温度控制曲线，压缩机数量越多，两者越接近。4.3启动、运转性能的比较多压缩机定频空调由于采用了多压缩机，每个压缩机的功率比较小，因此其启动电流较单压缩机的启动电流要小很多，现有车辆电源完全能承受这些启动电流的冲击。5定频空调与变频空调节能性能的比较为了分析变频空调与定频空调的节能性能，由于轨道交通空调方面没有有关这方面的标准，T-Ts2.52.01.51.00.50图8：多压缩机定频空调制冷温度调节运行1台压缩机运行2台压缩机运行3台压缩机运行4台压缩机制冷量房间热负荷室外温度图7：多压缩机定频空调制冷量与房间热负荷随室外温度变化规律运行1台压机运行2台压机运行3台压机运行4台压机５我们先从家用空调和商用空调的相关标准入手，来阐明变频和定频在节能方面的差别。5.1能效标准与测试条件的比较5.1.1变频空调能效标准以及测试条件GB21455-2008的表2中规定了不同能效等级下变频空调的季节能效比（SEER）。而在该标准的表A.1中规定了了制冷季节需要制冷的各温度发生的时间，通过该表计算的加权平均环境温度为29.6℃.5.1.2定频空调能效标准以及测试条件GB12021.3-2010的表2规定了定频空调的能效比（EER）。而在表3中对其实验工况进行了规定。６5.1.3季节能效比（SEER）与能效比（EER）的比较SEER的试验室外温度为29.6℃（权重温度），EER的试验室外温度为35℃。这就说明由于在测试变频空调的能效比过程中，由于试验室外温度偏低，导致了变频空调的季节能效比SEER比定频空调的能效比EER虚高。为了方便比较，以下分析暂时忽略其影响。由于空间有限，列车空调的换热器尺寸较小，空调机组自身阻力以及风道阻力较大，风机的功耗较大。一般来讲，列车空调的EER一般在2.1～2.6之间（TB/T1804规定应大于2.1）。为此，我们选用能效等级为3级空调系统进行比较，其结果如下：额定制冷量变频SEER定频EERSEER/EERCC4500W3.93.2122%4500WCC7100W3.63.1116%7100WCC14000W3.33.0110%考虑到SEER的测试环境温度较EER低，同时列车空调由于风机功耗占整个空调机组功耗的比重较大（为了要保证足够的新风量摄入，风机在列车空调是不能变频的），SEER/EER的值在列车空调中应当小于上表列出的数值，因此，对于市场上有些厂家宣称其变频空调节能性能能达到30%～40%，未免有吹嘘之嫌。5.2变频空调季节能效比（SEER）没有计算谐波损耗变频器无一例外存在谐波损耗，其计量入口处的总有功将是基波有功和谐波有功之代数和。由于谐波有功不能被普通电度表计量（谐波有功可采用电力分析仪计量），所以，总有功没有包含谐波有功。也就是说，在SEER的测试中，并没有计入谐波耗损。《数码涡旋与变频技术的对比分析》一文中指出，变频器总损耗为15%-20%，其中，交、直流变换器损耗即谐波损耗约为10%。如果计入这部分损耗，变频空调的SEER更低。７5.3其他不利于轨道交通车辆变频空调节能的因素5.3.1满负荷运转时间长在高环境温度的条件下，变频空调需满负荷工作，由于变频器效率以及其他因素，在满负荷条件下，变频空调的功耗比定频空调更大。然而，在轨道交通车辆空调的工作过程中，出现满负荷工作的概率比家用和商用空调的概率更大，满负荷工作时间较长。随着温室效应的影响，现在各城市一年内出现高温天气的天数不断增加。以八大火炉为例（南昌、重庆、武汉、南京、长沙、杭州、上海、福州），35℃以上温度的时间远远超过GB21455-2008附录A统计的时间。地铁隧道随着使用年限的增加，隧道内温度越来越高，现在很多地铁公司将空调机组制冷时的最高环境温度提高到48～52℃。车辆超员严重，车内负荷在超员时远远高于设计负荷。地铁空调运营时间一般从5：00～23：00，这段时间高负荷运转时间较长。而家用空调在23：00～5：00这段时间需低负荷运转。低负荷运转时间越长，变频空调才越有优势。轨道交通车辆空调设计一般都采用多压缩机，或采用其它能量调节方式，变频空调与多压缩机定频空调相比，并没有多少优势。5.3.2变频器的效率由于车辆采用辅助逆变器供电，其电源品质较差，谐波含量较高。从而引起变频器的效率偏低，功率损耗较大。5.3.3变频范围有限现在运营的轨道车辆变频空调，其压缩机一般采用涡旋压缩机。由于涡旋压缩机的固有特性，在低频条件下，动涡旋与定涡旋不能保证很好密封作用，所有其工作频率一般要大于45Hz。现有的轨道交通车辆变频空调，一般采用50～100Hz的超频压缩机。因此，在0～50Hz之间没有调频能力。从这点来讲，这类变频空调与多压缩机定频空调相比，在节能方面更没有太多优势。6可靠性比较轨道交通车辆属于公共服务系统，因此车辆以及相关配件的可靠性要求非常高。然而，变频空调用于轨道交通车辆，将会降低车辆空调系统的可靠性。８变频器的可靠性：逆变器作为变频空调的核心部件，其可靠性对整个变频空调影响很大。但由于变频器内部部件很多，加上轨道交通车辆空调的使用环境较家用和商用空调更恶劣，在列车空调上使用的变频器的可靠性并不如人意。现有的列车空调变频器故障率较高。空调系统的可靠性：现有变频空调压缩机采用的都是超频的涡旋压缩机，这种超频的小马拉大车做法，使变频压缩机长时间处于高频状态，不仅空调能效比低，还会对空调器及其元器件造成伤害，缩短压缩机使用寿命。7结论通过以上分析，我们可以得出以下结论：变频空调与定频单压缩机空调系统相比，变频空调在适应负荷能力，温控精度，启动性能等方面有较大的优势。多压缩机定频空调在适应负荷能力，温控精度等方面可以通过调整压缩机的数量来获得与变频空调相类似的性能。简单从SEER与EER比较，变频空调看似在节能方面有些优势。但综合SEER与EER的测试条件，变频器谐波损耗以及轨道交通空调的一些特殊应用条件，变频空调在轨道车辆空调节能这方面并不能达到很好的效果。变频空调的可靠性较差，故障率较定频空调高。综上所述，变频空调并不适合轨道车辆使用，轨道车辆空调的主流还是多压缩机定频空调系统。