项目2 典型城轨交通车辆空调设备
【项目描述】
城轨交通车辆空调设备多种多样，本项目介绍了我国主要城轨交通车辆空调设备生产厂商及其主要产品，主要产品的应用，新型空调设备，以及城轨交通车辆空调设备选型中应考虑的因素，使学习者从众多城市轨道交通车辆所采用的车辆空调设备中，了解不同地域、不同城市轨道交通车辆空调系统特点，掌握车辆空调设备选型方法。
【学习目标】
1．了解我国城轨交通车辆空调系统主要生产厂家。
2．了解我国城轨交通车辆空调系统主要形式。
3．了解我国现有城轨交通车辆所选用的空调系统主要型号。
4．学习城轨交通车辆空调系统节能设计方案和变频原理，了解新型城轨车辆空调系统。
【能力目标】
1．能够掌握我国现有城轨交通车辆所选用的空调系统主要形式，能参与制订车辆空调方案。
2．能够根据城轨车辆特点及要求，编制轨道车辆空调装置技术说明书。
3．能够掌握我国城轨交通车辆空调系统主要型号及其技术参数，参与车辆空调系统选型设计。
任务2．1 城轨交通车辆空调设备主要生产厂家及常用空调机组的认知
【活动场景】
城轨交通车辆空调设备多种多样，目前，我国城轨交通车辆空调设备主要来源于国内几个大型的车辆设备生产厂家，有的还是铁路机车、车辆空调的定点生产厂家。城轨交通车辆空调已完全实现国产化，且产品质量过硬，并已随车出口到其他国家。本任务在查找整理我国城轨车辆空调主要厂家和空调机组产品资料的基础上，进行课堂教学，或者在车辆空调机组生产厂家现场教学。
【任务要求】
1．了解我国城轨车辆空调设备主要生产厂家及其主要产品的应用；
2．学习我国现有城轨交通车辆所选用的空调设备主要形式及其所应用的城市线路；
3．掌握城轨交通车辆所采用的空调设备的共同特点。
【知识准备】
2．1．1 我国城轨交通车辆空调机组的主要生产厂家简介
目前，我国城轨交通车辆空调机组的生产厂家主要有：石家庄国祥运输设备有限公司、上海法维莱交通车辆设备有限公司、浙江利勃海尔中车交通系统有限公司、广州中车轨道交通装备股份有限公司等。
（1）石家庄国祥运输设备有限公司
石家庄国祥运输设备有限公司（前身是石家庄国祥制冷设备有限公司）是由南车石家庄车辆有限公司、台湾国祥冷冻机械股份有限公司共同投资组建的合资企业，是国内铁路车辆空调设备专业定点生产厂之一，也是ALSTOM全球空调机组“A”级供货商。
国祥公司在国内火车空调之开发技术上具有领先的地位。近年来，中国境内所有新型火车空调，例如160 kM／H准高速列车、200～300 kM／H高速动车组、机车空调及热泵空调、除湿空调等全部由国祥公司开发并首先供应。公司主要产品有铁路火车空调机组、城市轨道交通车辆空调机组、地铁车辆空调机组、铁路运输冷藏机组、公路运输冷藏机组、地面冷库等，产品使用“王牌冷气”商标。该公司是河北省人民政府确认的生产性外商投资先进技术企业，河北省优秀企业机械类第一强，石家庄外资财务管理先进单位等。
该公司主要车辆空调设备已成功应用于北京地铁5、10号线，上海地铁1、2号线，广州地铁2、8号线，深圳地铁4、5号线，南京地铁2号线，西安地铁2号线等以及圣保罗1、3号线，土耳其伊兹密尔轻轨等。
（2）上海法维莱交通车辆设备有限公司
上海法维莱交通车辆设备有限公司成立于1994年6月，是由法维莱集团下属的德国哈格诺克车辆空调设备有限公司（现更名为德国法维莱空调设备有限公司）与上海电气集团的子公司上海冷气机厂共同投资组建的中外合资企业。上海法维莱在生产供铁路干线、城市轨道交通使用的加热设备、通风设备、空调设备和车门系统等产品方面处于国内领先地位。另外，它还提供电源设备、电气部件和软件控制系统。
法维莱总部设于法国。法维莱公司成立于1919年，主要生产供轨道交通使用的各种机电设备如控制、监控、供电、空调、车门和站台屏蔽门等。其中，空调、车门和屏蔽门更占全球领先地位。它在轨道交通方面已经有整整86年的历史，是欧洲以及世界范围内轨道交通产品的先驱。作为本行业的翘楚，法维莱运输以其在部门及产品上的革新能力而著称。
目前，法维莱运输经营的业务主要集中在以下领域，并且很多方面处于领先地位：安全门／半高安全门、轨道空调设备、车门系统、导电弓、功率变换器、影像监控系统和其他电子系统。
这几年，法维莱已经为铁路干线、城市轨道交通提供了大约18 000套列车空调机组和2 500套门系统，另外向菲律宾、伊朗、伊拉克和马来西亚出口了大约400套空调机组。法维莱正在同国内和国外的客户开展多种类型的项目合作，包括为高速列车、大连轻轨、上海莘闵线、深圳地铁和上海明珠二期提供空调机组，也为广州地铁二号线、大连轻轨、大连电车、北京地铁和深圳地铁提供车门系统。
（3）浙江利勃海尔中车交通系统有限公司
浙江利勃海尔中车交通系统有限公司是一家中外合资企业，成立于2006年，位于浙江省诸暨市城西工业区。
中方母公司是广州中车轨道交通装备股份有限公司，简称“中车股份”，生产轨道车辆和机车用采暖通风空调系统。其产品用于中国轨道交通的所有车型，并出口亚非国家。中车股份已凭借其先进的轨道交通空调系统解决方案成为在中国市场居领导地位的公司之一，并被中国铁道部指定为轨道交通空调系统的定点生产厂商。
外方母公司为位于奥地利维也纳的利勃海尔交通系统有限公司。它为各种不同类型的轨道车辆生产企业提供空调系统和液压控制系统。利勃海尔是欧洲第一家把微处理机用于空调控制系统的企业，它把航空领域先进和环保的空气制冷式空调系统应用到ICE3高速列车上，此外还开发了面向未来的以二氧化碳为冷媒的新型环保空调系统。利勃海尔的主动或半主动液压控制系统（包括特种减震器、轮对控制系统、气液二级悬挂系统、摆式列车控制系统等产品）为铁路用户提供了先进的技术平台。凭借其先进的轨道交通空调系统和液压系统技术，利勃海尔交通系统有限公司已成为庞巴迪、西门子、阿尔斯通等国际轨道车辆生产企业的主要空调系统供应商。在世界范围内，利勃海尔这一名词代表着先进的技术、高性能的产品和优质的服务。
该合资公司引进利勃海尔先进的管理模式，旨在为中国轨道车辆行业及其用户提供技术先进、质量可靠的产品和服务。其主要空调系统产品应用于北京地铁13号线车辆、北京地铁15号线车辆、深圳地铁3号线车辆、天津地铁3号线车辆、孟买地铁1号线车辆、伊朗马沙德轻轨车辆等。
（4）上海加冷松芝汽车空调股份有限公司
上海加冷松芝汽车空调股份有限公司是由香港陈福成先生于2002年6月投资1 550万美元兴建的专业研发、制造、销售商用车和乘用车空调系统的独资企业。
公司总部位于上海市莘庄工业区华宁路4999号，占地面积110亩，拥有员工近千人，中高级职称人员有200余人。该公司控股厦门松芝、安徽松芝、重庆松芝，并通过了ISO 9001：2000质量管理体系和汽车产品合格双认证，2006年1月又通过了ISO／TS 16949：2002质量管理体系认证，2007年被评为高新技术企业和外商投资先进技术企业。2008年3月，上海加冷松芝汽车空调有限公司改制为上海加冷松芝汽车空调股份有限公司。
2005年6月，上海松芝二期厂房竣工，公司乔迁新址。12月，获得建设部科技委城市车辆专家委员会授予的“中国客车空调旗舰企业”的称号，继续保持领先地位；出口实现重大突破，客户范围覆盖到东南亚、东欧、非洲和南美洲，小型商用车的配套扩展到轻型客车，轻型卡车。
该公司主要产品：超薄型地铁车辆节能空调机组、地铁A型车空调机组，应用于上海地铁、广州地铁。
（5）广州中车轨道交通装备股份有限公司
广州中车轨道交通装备股份有限公司是铁路机车、车辆空调的三个定点生产厂家之一。该公司成立于1956年，占地面积5万m2，现有2家全资子公司及1家参股公司，资产总值超过4．5亿元。
中车股份主要从事铁路机车车辆、地铁车辆和轻轨车辆空调系统的开发、生产、销售、维修及售后服务等业务。目前具有列车空调、通风系统、控制系统方面的综合设计能力，率先实现了从单一的空调机组设计到列车空调系统集成设计的转变。
该公司拥有产品技术研发中心、空调机组测试中心、铁路和城轨空调制造基地。公司的技术研发和制造能力处于国内先进水平。主要产品向着“先进、成熟、可靠”的技术目标不断迈进，不仅服务于中国轨道交通运输的需要，而且实现批量出口。
2．1．2 我国城轨车辆常用空调机组
空调机组是由各种空气处理功能段组装而成的一种空气处理设备。车辆空调机组产品按其功能可分为：单冷空调、冷暖空调、热泵空调、变频空调。
单冷空调，顾名思义是仅能制冷的空调；冷暖空调能够制冷和制热，制热时采用电加热方式；热泵空调同样能够制冷和制热，制热采用热泵方式；变频空调有单冷和冷暖两种形式，应用了变频技术，压缩机及风机分别采用变频器控制，实现根据客室实际热负荷来无级调节制冷量（制热量）。
（1）单冷空调
1）广州地铁二号线车辆空调DL40
该空调是顶置单元式空调机组，如图2．1所示。它采用了两端送风结构，设置电动型新风及回风风量调节阀，每车配置2台机组。
空调机组参数：
①制冷量：40 kW；
②制冷送风量：5 000 m3／h；
③输入功率：20 kW；
④制冷剂：环保制冷剂R407C；
⑤出风方式：前出侧回；
⑥外形尺寸：3 700 mm×1 600 mm×460 mm。
2）广佛线车辆空调DL37
该空调是顶置单元式空调机组，如图2．2所示。它设置电动型新风及回风风量调节阀新风量调节阀以根据乘客负荷调节；每车配置2台机组，全部顶盖为铰链式结构，方便维护检修，可在50℃高温环境下正常运行。
图2．1
图2．2
空调机组参数：
①制冷量：37 kW；
②制冷送风量：4 250 m3／h；
③输入功率：19．5 kW；
④制冷剂：环保制冷剂R407C。
3）西安地铁二号线车辆空调KG29H、北京地铁房山线车辆空调DLD29J
该空调是顶置单元式空调机组，如图2．3所示。它设置电动型新风及回风风量调节阀，每车配置2台机组。司机室设置多挡调速送风单元，采用变压器调速，控制系统采用PLC作为核心元件。
空调机组参数：
①制冷量：29 kW
②制冷送风量：4 000 m3／h；
③输入功率：14 kW；
④制冷剂：环保制冷剂R407C；
⑤出风方式：下出下回；
⑥外形尺寸：3 300 mm×1 600 mm×300 mm。
4）北京地铁八通线车辆空调DL29A
该空调是顶置单元式空调机组，如图2．4所示。它采用超薄型设计，设置电动型新风及回风风量调节阀，每车配置2台机组；控制系统采用PLC作为核心元件。
图2．3
图2．4
空调机组参数：
①制冷量：29 kW；
②制冷送风量：4 000 m3／h；
③输入功率：14 kW；
④制冷剂：环保制冷剂R407C；
⑤出风方式：前出下回；
⑥外形尺寸：3 800 mm×1 400 mm×280 mm。
5）北京地铁四号线车辆空调DL29E、北京地铁大兴线车辆空调DL29H
该空调是顶置单元式空调机组，如图2．5所示。它采用超薄型设计，每车配置2台；控制系统采用国产化专用微处理器CRPC作为核心元件，采用MVB总线进行通信；分别设置司机室送风和回风单元，按照世界上最严格的防火标准BS6853设计制造车辆空调系统。
图2．5
空调机组参数：
①制冷量：29 kW；
②制热送风量：4 000 m3／h；
③输入功率：14 kW；
④制冷剂：环保制冷剂R407C；
⑤出风方式：前出下回。
（2）冷暖空调
1）成都地铁二号线车辆空调DLD29K、北京地铁昌平线车辆空调DLD29J
该空调是顶置单元式空调机组，如图2．6所示。它设置电动型新风及回风风量调节阀，每车配置2台机组。空调机组的底板为双层夹板结构，夹层内部采用消声阻尼材料，有效地降低了空调机组噪声对车辆客室的影响，是结构创新和应用创新的结合。
图2．6
空调机组参数：
①制冷量：29 kW；
②制冷送风量：4 000 m3／h；
③制热量：6 kW；
④输入功率：14 kW；
⑤制冷剂：环保制冷剂R407C。
2）长春轻轨三期车辆空调KLR30YTH
该空调是专门适应中国北方气候环境而设计的低温热泵空调机组，如图2．7所示。它在-25℃时还可以正常制热而非用电加热，起到节能舒适作用。它采用机电一体化设计，所有的控制及电气件集成在机组内，车辆只要给电源及控制信号即可，既方便操作又节省车辆内控制柜的空间。
图2．7
空调机组参数：
①制冷量：30 kW；
②制冷送风量：3 500 m3／h；
③制热量：32 kW；
④输入功率：13 kW；
⑤制冷剂：环保制冷剂R407C。
3）北京地铁9＆10号线车辆空调DLD29G
该空调是顶置单元式空调机组，如图2．8所示。它采用薄型设计，设置电动型回风及新风风量调节阀，每车配置2台机组。
图2．8
空调机组参数：
①制冷量：29 kW；
②制冷送风量：4 000 m3／h；
③制热量：6 kW；
④输入功率：14 kW；
⑤制冷剂：环保制冷剂R407C；
⑥出风方式：下出下回；
⑦外形尺寸：3 300 mm×1 600 mm×300 mm。
4）天津滨海线车辆空调KGD35F
该空调是顶置单元式空调机组，如图2．9所示。它采用薄型设计，设置电动型回风及新风风量调节阀，每车配置2台机组。
空调机组参数：
①制冷量：35 kW；
图2．9
②制热量：9 kW；
③制热送风量：4 000 m3／h；
④输入功率：17 kW；
⑤制冷剂：环保制冷剂R407C；
⑥出风方式：下出下回；
⑦外形尺寸：3 500 mm×1 600 mm×330 mm。
（3）热泵空调
重庆三号线车辆空调DLR22
它采用机电一体化变频设计，所有的控制及电气件集成在机组内，只要给电源及控制信号即可，既方便操作又节省车辆内控制柜的空间。其控制核心采用PLC，可根据环境温度的变化对空调机组实现变频控制；采用接触器和热继电器组成的驱动保护单元，对电机负载进行驱动并具有过载等保护；通过RS485与监控系统通信，把空调机组的运行状态和故障信息上传。
图2．10
空调机组参数：
①制冷量：22．1 kW；
②制冷送风量：3 000 m3／h；
③制热量：18 kW；
④输入功率：10．5 kW；
⑤制冷剂：环保制冷剂R407C。
（4）变频空调
1）广州地铁车辆变频空调DL35
该空调是顶置单元式空调机组，如图2．11所示，每车配置2台机组。它采用防腐设计，机组外表作喷漆防腐处理；应用变频技术，压缩机及风机分别采用变频器控制，制冷量为无级调节，可实现软启动，减少启动对车辆电源的冲击。
图2．11
空调机组参数：
①制冷量：35 kW；
②制冷送风量：4 250 m3／h；
③输入功率：17 kW；
④制冷剂：环保制冷剂R407C。
2）重庆单轨二号线车辆空调DL22
该空调是顶置单元式空调机组，如图2．12所示。它采用超薄型轻量化设计，整机仅400 kg，每车配置2台机组。它采用防腐设计，换热器采用耐腐蚀的铜片制造，机组外表作喷漆防腐处理；应用变频技术，压缩机及风机分别采用变频器控制，可实现软启动，减少启动对车辆电源的冲击。
图2．12
空调机组参数：
①制冷量：22．1 kW；
②制冷送风量：3 000 m3／h；
③输入功率：10．4 kW；
④制冷剂：环保制冷剂R407C。
【活动实施】
（1）总结城轨车辆空调机组主要特点
通过认知上述车辆空调机组，可知我国城轨车辆空调机组具有以下主要特点：
①采用顶置单元式空调机组，每车配置2台机组，每台机组设有2套制冷系统；
②箱体材料为不锈钢；箱体设计采用三维建模，具体结构设计以方便维护，缩短维护时间为目标；通过有限元分析，在满足箱体强度、刚度要求前提下，实施轻量化设计；
③制冷系统管路采用钎焊工艺，全密封系统设计，选用环保型制冷剂R407C；
④风机设计达到动平衡和噪音等指标，并设有回风及新风风量调节阀和便于更换的滤尘网，出风方式多种多样；
⑤机组设置送风、回风、新风温度传感器，控制核心采用PLC或其他空调控制器，实现对客室空调机组运行模式控制，保证客室保持舒适性温度。
（2）阐述空调机组输入功率与制冷量的关系
（3）阐述单冷空调和冷暖（热泵）空调所使用的地域
【知识链接】
“十二五”期间，城市轨道交通建设有望成为继铁路大规模投资之后新的投资热点，成为“十二五”基础建设投资的新增长点。预计未来十年，我国城市轨道交通建设投资有望超过3万亿元。截至2010年，中国内地城市轨道交通已有44条运营线路、总里程1 063 km；另有73条、1 700余km的线路处于建设阶段；全部规划线路达到317条、12 440 km。
伴随着全国各大城市轨道交通的大规模兴建，我国城市轨道交通的城轨车辆部件行业也得到了飞速的发展，暖通空调也将迎来了行业兴盛的一个重要爆发点。
城轨交通车辆空调作为提高乘坐舒适性的一种重要部件，空调装置率基本达到100%。随之而来的是，国内车辆空调生产企业的产销量也在快速增长。在车辆用空调方面，我国已有一批颇具规模的企业，国产化生产已成为该行业的发展趋势。他们通过中外合资，引进新技术、开发新产品、拓展新领域，研制开发了多种技术含量高、结构合理、性能优良的车辆用空调机组产品。目前，国内多个轨道车辆空调生产企业的主要产品已被城轨车辆制造企业及广大消费者所认可，并在国外城轨有了一席之地。
【效果评价】
评价表
任务2．2 城轨交通车辆空调系统设计选型
【活动场景】
空调系统的设计选型需要考虑多方面因素，最终要使车辆空调系统的工作能力满足车厢内乘客对客室内的空气温度、湿度和空气流速的要求，从而使乘客感到乘坐舒适。本任务在查找整理我国现有典型轨道车辆空调机组资料和车辆客室设计参数相关国家标准的基础上，进行课堂教学。
【任务要求】
1．了解空调系统设计和设备选型时须考虑的因素；
2．掌握城轨交通车辆客室内的空调参数设定的原则；
3．掌握城轨交通车辆空调系统方案的共同特点。
【知识准备】
空调系统是交通车辆的重要组成部分，承担着为车辆提供良好车内温湿环境的任务，是满足车内乘客舒适性要求的主要设备。
空调系统的设计选型主要需要解决好以下几个方面的问题：
①制冷量、制热量、通风量的确定；
②机组制热模式的选择；
③机组形式（单元式还是分体式）；
④机组在车辆上的安装位置；
⑤司机室空气的净化等。其中，关键要解决的是第一个问题，即制冷量、制热量、通风量的确定。
确定车辆空调系统的制冷量、制热量、通风量时，要考虑三方面的问题。
一是城轨交通具有公共交通的一般特点：安全、快捷、舒适、站点密集、上下车乘客交换频繁，这要求车辆部件要具备较高可靠性。
二是城轨交通车辆客流量大，部分时段、区段客流密集。城轨交通一般多在大中型城市，人口众多，日常上、下班时间甚至更多时段是乘座高峰期；再者，城轨交通线路一般会穿越城市中心及商业繁华地带，这些区段客流密集。这要求车辆部件能够应对超大客流。
三是不同城市的城轨车辆其运营环境也不同。我国幅员辽阔，目前已经开通或在建城轨的各城市之间差别也很大，南到深圳，北到长春，东到上海、青岛，西到西安，所在城市的气候条件必须予以具体考虑、具体设计，有所侧重。
因此，应在对车辆所在线路进行科学的客流预测、确定车辆选型的基础上，进行空调系统的设计和设备选型。选用的空调机组应符合《轨道车辆空调机组》国家标准（GB／T 19842—2005）中相关的制冷系统密封性能、运转性能、安全性能、绝缘性能、防雨性能和噪声标准等。
在对城轨车辆所在线路进行科学的客流预测的基础上，确定了车辆空调系统的制冷量、制热量和通风量时，还需满足城轨车辆的舒适性的要求。
城轨交通车辆的运输任务是单一的运送短途乘客，这就要求客室内要有卫生清洁而且是舒适的环境条件。根据人们的生活实践和人体生理卫生上的要求以及车内的特点，可分析出影响车内人体卫生和舒适性的主要因素是：
①客室内的空气温度和空气湿度。
②人体周围空气的流动速度。
③客室内空气的洁净度。
乘客在车厢内的舒适感受，一般来说，只要能够使人体内所产生的热量和向外界发散出去的热量保持平衡，人就感到舒适。反之，当人所处的空气环境不能使人体保持热量平衡，则就会使人感到不舒服。在一般的情况下，人体产生的热量主要靠皮肤和呼吸器官散发到周围的空气中去，这种散发热量的方式有辐射、蒸发、对流和传导。
客室内的空气温度直接影响着人体的热量散发和热量平衡，这也是车辆空调系统功能的主要目标标准。通常情况下，在夏季，在24～28℃的温度环境中，人们感到凉爽；冬季，在18～20℃的温度环境中，人会感到温暖。客室内空气的相对湿度也是影响人体舒适的重要因素，当人体周围的相对湿度较大时，将要影响人体的蒸发散热，而使人们感到闷热。卫生学的观点也认为：当人体周围空气温度在26．7℃以下时，湿度对人体影响不明显，但当温度在28℃以上时，空气的相对湿度对人体的影响就较为明显了。相对湿度对人体影响使人感觉不舒适的极限值约为70%。
客室内空气的流速同样影响人体的散热。车内空气流速的增大可以加速人体表面的对流散热，尤其是夏季的车厢内，当人体周围空气的温度和相对湿度都较高的情况下，增大空气流速会促进人体表面汗液的蒸发，从而增加散热效果，给乘客一个舒适的感觉。
在客室内，由于人的呼吸，二氧化碳含量将增加，当增加到一定浓度后就会影响人的健康。另外，车内乘客携带的物品中产生的有害气体等，使车内空气变得污浊，这时就需要外界的新鲜空气对车内的空气进行一定的更换。
综上所述，客室内的温度、相对湿度、流速、洁净度等参数是影响乘客舒适性的重要因素，《公共交通工具卫生标准》（GB9673—1996）中规定旅客运输车辆车厢卫生标准值为：冬季温度为18～20℃，夏季温度为24～28℃，相对湿度40%～70%，垂直温差≤3℃，微风速≤0．5 m／s。由此根据当地地区的地理位置和气候条件，确定城轨交通车辆客室内的空调参数。
【任务实施】
（1）确定车辆客室空调参数
要确定车辆客室空调参数，首先须根据线路的客流预测确定车辆选型。以西安地铁2号线为例，车辆客室空调参数如下。
①制冷能力：在环境温度为35℃时，能保证客室内温度不高于（28±1）℃，相对湿度65%。客室内同一水平面和同一铅垂面的最大温差均不超过3℃。空调机组在环境温度为45℃时能正常工作。
②客室内空气流速：乘客停留区的风速距地板面高1．7 m处（站立区）不超过0．7 m／s。距地板面高1．2 m处（座位区）不小于0．35 m／s。
③新鲜空气的最小供给量：制冷时司机室人均新风量不少于30 m3／h；客室内人均新风量不少于10m3／h（按额定载客人数计）；客室内仅有紧急通风时，人均供风量不少于20 m3／h（按额定载客人数计）。
（2）整理城轨车辆空调的资料，总结空调机组特点及结构
在上一任务中，我们已了解了国内城轨车辆所采用空调机组的共同特点，即：集中单元式、顶置安装、每车2台机组、每台机组2套制冷系统等。空调机组的主要部件包括：全封闭的压缩机2台、冷凝器2台、节流装置2组、蒸发器2台、轴流风机2台、离心风机2台等。所有零部件装在一个不锈钢板制成的箱内，加盖板后形成一个集中单元式的箱体。集中式空调机组的优点是体积小、质量轻、结构紧凑，机组互换性好和检修方便，同时，因空调机组安装在车顶，可避免车底安装设备过多而影响机组热交换和车下环境对热交换器的腐蚀，延长机组的使用寿命。每车2台机组的设计，可实现当某些故障使一台机组必须停止运行时，而另一台机组仍然能够工作，该车的空调单元的制冷过程不会全部停止。每台机组2套制冷系统、两台制冷压缩机，可实现输气量至少有100%、50%、0的三挡调节。集中式空调机组一体化以后，制冷设备管路大为缩短，不但可以节省大量的有色金属，还可以减少管路接头、减少泄漏。
（3）查找资料，阐述城轨车辆空调与房屋建筑空调在设计中的共同点和不同点
【效果评价】
评价表
任务2．3 我国城轨交通车辆空调系统方案的比较
【活动场景】
城轨车辆空调系统的方案虽然有许多共同点，如车顶单元式机组、双机组形式等，但细节上却多种多样。不同的系统方案，系统的性能也相差很大。城轨交通车辆空调机组作为空调机组的主要设备，须充分考虑列车的构造与乘客的需求，采用结构紧凑、功能强劲、性能可靠、节约能源的产品。本任务在查找整理我国现有典型轨道车辆空调机组技术参数等资料的基础上，进行课堂教学。
【任务要求】
1．学习我国城轨交通车辆空调系统不同方案的区别；
2．了解城轨交通车辆空调系统不同方案的特点。
【知识准备】
在我国，铁路车辆从20世纪80年代初开始加装空调，地铁车辆到20世纪90年代采用空调机组，车辆空调技术逐步成熟。进入21世纪，随着我国城市化进程加快和大中城市轨道交通的陆续开通。车辆空调技术也进入快速发展阶段。从采用车内风扇到加装空调机组，从单冷机组到变频空调，城轨车辆空调系统在近30年间得到快速发展。空调系统的发展不仅反映了科学技术的更新，而且反映出“以人为本”的乘客运输环境的改观。
轨道交通的诸多特点、难点，为轨道交通的空调设计带来了值得探讨的课题和研究的方向。轨道车辆空调机组是一种特殊的空调产品，它主要包括制冷（热）系统和通风装置。轨道车辆空调产品要满足风吹、雨淋、震动、冲击、载客量大及空间狭窄等特殊要求。纵观国内外车辆空调技术的发展方向，主要包括三方面。
2．3．1 机组轻量化
空调机组通常置于车顶部，受上部界限的限制，其体积总重受到一定限制。所以小型、轻量化是空调机组必须满足的条件。近年来，空调生产厂商采用一系列新技术来缩小空调机体积。如采用卧式蜗旋式压缩机；换热器采用内螺纹管，增强换热效果；采用带亲水膜轻质铝翅片换热，减少换热器体积、降低换热器质量；引进高效进口风机等，在保证流量、噪声等要求下降低了体积及总重。产品采用先进的集成技术，使得其产品体积更小、质量更轻。
分体式空调机组也是减少车顶设备、避免上界限制的有效措施，高速动车组通常采用一种方式，城轨交通中很少采用。该空调机组采用分体式布置方式，分为制冷系统和通风系统两部分。制冷系统有两套，每一套系统均由压缩-冷凝单元和蒸发单元组成。压缩-冷凝单元布置在车底部，采用空气强制冷却冷凝器；蒸发单元布置在两端车门处，通过蒸发风机将回风和新风混合并处理后送入顶部均匀风道，再由风道送入车厢内。
2．3．2 控制智能化
通常，在城轨车辆运行当中不配有车辆设备巡检员。这就要求城轨车辆空调系统有较高的自动运行能力和自动控制能力。一方面，要求能够以温度信号为判据，控制制冷或采暖系统的运行及停止。温度过高时，开启压缩机制冷；温度过低时，开启加热器采暖；温度适中时，仅开通风使车内空气循环，保持一定量的新风。这样使车厢保持适宜的温度和湿度，为乘客创造良好舒适的环境。另一方面，要求车辆能够在出现问题时自动处理，对非故障问题有自我保护及自我恢复能力；同时，对故障能够自我诊断及存储，以便车辆回库后，能够通过手提电脑进行下载故障记录，及时修复。目前，城轨车辆空调系统等多采用了微处理器控制。该控制系统通过主线进行通信，完成空调运行参数和诊断数据的交换，实现司机的集中控制功能和模拟自动控制功能。而采用UIC的智能化控制方式是空调控制的发展方向，该控制系统通过UIC曲线和微机自动智能调节，可以获得最舒适的客室温度值，提高乘坐舒适度。
2．3．3 运行节能化
车辆空调技术在发展初期往往强调制冷能力和高可靠性。典型轨道车辆空调机组通常采用的单元式空调机组，虽然具有制冷量大、通风量大、送风距离远的优点，但制冷量的调节范围小且只能通过压缩机的启停来实现，存在车厢内温度波动大、能耗较多的问题。因此，研制节能型的空调机组也是空调的主要发展方向。
一是节能元件的选用，例如采用高效压缩机，采用高效的直流风机电机；
二是提高换热效率，例如采用浸水膜的铝箔，由于水不易形成水珠堵塞风道而提高效率，采用带内螺纹铜管，当空调系统处于通风状态时，系统仅有蒸发器、通风机工作，提高效率；
三是运行节能控制，即变频节能。变频空调机的节电品质等方面发挥着十分重要的作用。
实践证明，变频空调机可实现运行节能3%以上。变频空调机实现了更宽的工作电压、低频启动，高速运转，实现迅速降温，客室温度波动大大减少。变频空调机工作性能更为稳定，效率更高。
【任务实施】
（1）比较城轨车辆空调系统的方案
空调作为轨道交通配套产品之一，在调节列车及车站内部温湿度、保障空气通透性等方面发挥极其重要作用。下面对城轨车辆空调系统的一些方案进行分析比较，供有关人员参考。
1）空调机组厚度的选择
目前，城轨车辆空调机组按高度划分主要有薄型（含超薄型）和普通型两种。薄型空调厚度大约为300 mm，而普通空调一般为380～450 mm。
薄型空调机组与普通型空调机组相比较：
薄型空调机组主要优点是可降低车体限界高度，降低隧道工程量，势必会降低工程施工的费用。国内采用薄型空调的车辆高度为3 510 mm，而采用普通空调的车辆高度都按国标控制在3 800 mm。如果3 800 mm高车采用薄型空调，下部可以设置风道。
薄型空调机组的主要缺点是要求采用卧式压缩机，而卧式压缩机比立式压缩机要贵1万元左右，增加了车辆采购的费用。此外，薄型空调机组由于箱体内部空间限制，风机尺寸和风量受限制，需要增大风速来满足通风要求，会增大噪声，维修也不方便。卧式压缩机在车辆过弯道时容易引起油泵吸不上油而造成的瞬间断油，进而会烧毁压缩机。如加高油面，又会造成油与制冷剂混合。目前，国内普通空调机组技术比较成熟，在薄型空调技术和应用方面还有所欠缺。
考虑以上这些因素，目前国内没有要求采用薄型空调。普通空调是国内铁路和城轨常用空调机组，也是欧美轨道交通常用空调机组。薄型空调在国外以日本应用较多。在国内，北京、天津地铁由于受隧道限制，采用薄型空调。
2）压缩机的选择
城轨车辆空调压缩机根据其结构可分为三种，即活塞式、螺杆式和涡旋式。普通厚度空调可采用涡旋式压缩机或活塞式压缩机。薄型空调可采用全封闭涡旋式或螺杆式压缩机。
活塞式压缩机是目前空调机组常用的压缩机，具有效率高、适应性强、达到的压力范围广的优点，价格比较便宜。同时，它也有外形尺寸和质量相对较大，输出的气流不连续，最大输气量较小的不足。
全封闭涡旋式压缩机是当前最先进的制冷压缩机，在抗震动、抗液击以及频繁起停等方面具有优异的性能，特别适合于冲击和震动大的运输工具上。与其他形式的压缩机相比，它具有噪声低、振动小、效率高（制冷量不大于100 kW时）、寿命长的特点。其中，压缩机寿命能够大于50 000小时。
城轨车辆空调压缩机从其工作原理上分，主要有两种：定频压缩机和变频压缩机。采用变频压缩机的即为变频空调机组。变频技术和变频空调将在下一任务中学习。
3）空调系统的控制
车内温度不是越低越好，要随环境温度变化而变化，这就要求空调系统的控制功能完备，能够随环境温度的变化而及时控制机组的启动和停止。空调系统的控制主要有两种控制思路：一是电脑智能化控制，二是基于PLC或其他空调控制无件的微处理器控制。
欧洲采用电脑智能化的控制方式，采用UIC的标准，通过软件进行计算来获得最舒适的温度值，由微机控制自动调节。其好处是司机不需要设定温度，但价格贵。
国内目前还没有这方面的标准和计算方法，所以一般不采用这种方式，而采用的是PLC或空调控制器为核心元件的控制方式。它可由司机事先设定好客室内的目标温度，机组在以此目标温度为基准的一定范围内自动启动和停止，从而保持车辆运行当中客室温度基本恒定。
（2）根据项目一中西安地铁车辆空调机组的技术参数，总结其空调系统方案的特点
（3）通过查找整理我国现有典型城轨车辆空调机组资料，对比不同地域轨道交通线路空调系统方案的特点
【效果评价】
评价表
任务2．4 城市轨道交通车辆空调系统节能设计
【活动场景】
节能设计对空调系统提高能效比、节省运行费用有着现实意义。我国的城轨车辆自1970年投入使用，经过40多年的发展，技术不断进步，设备日益完善，取得了很大的进展。但随着经济的发展和旅游业的繁荣，城轨车辆空调作为一种舒适性空调的要求越来越高。社会的可持续发展也把空调能耗问题摆上议事日程。本任务从空调舒适性和节能的角度提出在城轨车辆空调中应用变频技术的思考。本任务进行课堂教学，或在采用变频空调的轨道线路检修基地（如重庆轻轨二号线检修基地）进行现场教学。
【任务要求】
1．了解城轨交通车辆空调系统在设计中可采用节能措施；
2．学习城轨交通车辆空调系统节能设计方案；
3．学习变频空调技术原理；
4．学习变频空调的工作特性和特点。
【知识准备】
2．4．1 空调系统节能设计
由于缺乏相关节能量化指标和强制性标准，我国现有铁路、城轨车用空调机组基本上是单冷定速空调，运行耗电严重，空调节能的空间很大。因此，应从设计、运行方面考虑节能，提高空调系统的节能总体水平，在节省能源、保护环境的前提下，要采取各种节能措施，降低空调系统的运行能耗和费用。
城轨交通车辆空调系统的节能设计必须根据工程具体情况，对空调运行季节进行全方位、全过程的分析，找出一个合适的方案，使空调系统在不同的室外气候参数或室内状况下都可以经济、合理、正常地运行。
（1）采用合理的冷热源
合理配置空调系统的冷热源对节能和能源合理利用关系重要。空调系统常用的冷热源配置方式有单冷空调机组和冷暖空调机组。单冷空调机组适用于我国南方城市和运行环境冬夏季变化不大的城轨车辆，一般多用于地铁车辆；冷暖空调机组适用于我国北方城市和运行环境冬夏季变化较大的城轨车辆，特别是地上交通车辆。
单冷型设计使空调机组的利用率降低，空调机组的效能和功能没有全部利用起来，造成浪费。冷暖一体化和热泵型冷暖两用车辆空调，可弥补单冷机的不足，提高利用率，如果冷暖空调机组能够达到车辆设计所需的采暖要求，则可取消客室电暖器。
（2）采用变频技术
非变频空调系统的能耗浪费源于两方面原因，这也是采取变频技术的主要原因。
①空调设备选型时，通常会预留一定的富裕量。事实上，设备很少会在全负荷下运行，甚至不可能出现全负荷运行的情况。通常，非变频空调系统制冷工况仅设有半冷和全冷两级控制，而且在每一级控制下，空调设备都是按半冷或全冷额定功率的全负荷运行的。而客室实际的热负荷往往低于额定功率的全负荷。这就必然造成能量的浪费。
②车辆空调实际负荷会随着车内客流密度的变化、环境温度的变化而产生波动。正常情况下，非变频空调设备只能按设备的额定功率运行。当客流密度减少、热负荷降低时，设备仍以额定功率全负荷输出运行。这也必然造成能量的浪费。
如果使用变频技术，不仅能有效地改进非变频空调系统的某些不足，使空调设备的输出功率随着负荷的增减而变化，起到明显的节能效果，较大地降低能耗、节省运行费用。同时，也提高了乘客的舒适感受。避免出现在客流低峰时段，乘客感到有些冷；而在客流高峰时段，乘客感到比较热。变频技术在现在空调系统的使用中成为一种必然。
变频可调技术同样也应用于客室广播系统。即客室广播可根据客室内噪声高低的变化而自动调节广播声音的大小，以便于乘客能够听清楚车辆广播，不会因为乘客较多而听不清广播报站，也不会因为乘客较少而感到广播刺耳。
（3）应用再生能源
可再生能源具有资源丰富、无污染、清洁安全、资源可再生的优势，因此在能源日益短缺的今天，尽量利用再生能源是很有必要的。再生能源包括太阳能、自然风、地下水、土壤能、风能和海洋能。在城轨交通车辆中，冷凝器中制冷剂的冷却采用风冷方式，这在暖通空调设备中已被广泛应用。
2．4．2 变频空调技术的发展
变频器是20世纪80年代问世的一种高新技术，它通过对电流的转换来实现电动机运转频率的自动调节，把220 V、50 Hz交流电的固定电压频率改为30～130 Hz的变化频率。同时，还使电动机电源电压范围达到142～270 V，彻底解决了由于电压的不稳定而造成用电器不能正常工作的难题。
变频空调技术是通过变频技术调节压缩机的转速，依靠压缩机转速的快慢变化来无级控制输出功率（即制冷制热量）的大小，从而达到及时控制室内温度的目的。“变频空调”采用了这种比较先进的技术，启动电压小，压缩机的无级变速可适应更大面积和更为舒适的制冷制热需求。
虽然变频空调技术在中国自20世纪90年代才起步，还没有发展成熟，但据权威数据调查，目前在日本和欧美等国，变频空调已经成为空调行业的技术平台，98%左右的空调均为变频空调。
以目前的国家宏观调控以及空调产品等方面来看，今后中国的变频空调必然成为一种趋势。
2．4．3 变频空调技术原理
（1）三相异步电动机的作用和特性
由于变频器与三相异步电动机有着密切的联系，所以，要熟悉了解变频原理，就必须掌握三相异步电动机的特性。
1）三相异步电动机
三相异步电动机是以三相电源为动力源，实际转速与同步转速不一致的电动机。三相异步电动机的作用是通过三相异步电动机运转（正转或反转）来带动其他设备做各种各样的机械运动。
2）三相异步电动机的特性
①运转方式：靠旋转磁场来带动电动机转子，额定电流约等于其功率的2倍。
②接线方式：有星形（形）和三角形（△形）两种。形接线时，电动机的电流小，但力矩也小。三角形（△形）接线时电动机的电流大，但力矩大。
③转速：
式中 n———电动机转速；
60———常数；
p———极对数；
f———电源频率；
K———滑差系数。
公式说明：只要改变电源频率或极对数，就可以改变电动机转速。传统的电动机其电源频率既定，极对数既定，因此转速不变。
（2）变频压缩机
空调压缩机是空调机组的核心元件。压缩机是由与其紧密相连的三相异步电动机提供动能，压缩机的转速也就由其电动机决定，因此转速不变。而在三相异步电动机加装变频器后，就可以实现调速功能，即任意地改变电动机的转速，从而实现调节压缩机转速的目的。
（3）变频空调
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，我国的电网电压为220 V、50 Hz，在这种条件下工作的空调称为“定频空调”。由于压缩机供电频率不能改变，传统的定频空调的压缩机转速基本不变，只能依靠压缩机的启停来调整室内温度，其一开一停之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。
变频空调的核心是它的变频器，是通过变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速，使压缩机制冷（制热）量与热负荷的变化达到最佳匹配。当供电频率高，压缩机转速快，空调器制冷（热）量就大；而当供电频率较低时，空调器制冷（热）量就小。这就是所谓“变频”的原理。
（4）变频空调技术的分类
变频空调技术分为交流变频和直流变频。
①交流变频：采用交流变频压缩机，2次调节电压转换，从而达到省电的目的。
②直流变频：采用直流数字变转速压缩机，只经过一次电压转换，相对于交流变频节省18%～40%的电能，从而体现出直流变频技术的优越性。
（5）变频技术的优点
①制冷或制热速度快。
②具有较好的舒适性。
③启动时对电路没有大的电流冲击。
2．4．4 变频空调的工作特性
变频空调是在普通空调的基础上选用了变频压缩机，增加了变频控制系统，实现了快速、节能和舒适控温效果。它的基本结构、制冷原理和普通空调完全相同。其工作特性是：
①变频空调每次启机使用时，以最大功率、最大风量进行制热或制冷，迅速接近所设定的温度。
②达到所设定的温度后，空凋主机则以能够准确保持这一温度的恒定速度运转，实现“不停机运转”，避免压缩机频繁地启停。
③变频空调的主机是自动进行无级变速的，可根据所需的冷（热）量调整压缩机的运转频率。
④运用变频控制技术，可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式。
【任务实施】
（1）认知变频空调和普通空调的区别
与普通空调相比，变频空调的最大优点在于节能。空调耗电量最大的部位是压缩机。变频空调比普通空调增加了一个可用于调节压缩机速度的变频器。变频空调与普通空调在开机启动时，由于室内温度并未达到设定的目标温度，所以都是以最大的功率运行，这个时候，变频空调由于电路比普通空调复杂，因此这段时间并不省电，有可能还更耗电。当室内温度达到设定的目标温度后，变频空调通过变频器将压缩机的运转速度降低，耗电量理所当然地就急剧下降了。而普通空调在室内温度达到设定温度后，并不能调节压缩机的速度，因此它必须关闭压缩机。关闭压缩机的这段时间内，它的耗电量比变频空调还要低。当室内温度高于设定温度时，它又必须开启压缩机。因此，室内温度总是在设定的目标温度上下进行波动。由于压缩机在启动／停止时，会产生瞬间大于压缩机正常运行时3～7倍的电流，频繁地开停对压缩机的寿命有一定的损害。
变频空调的优点有：
1）节能
变频空调可根据室内冷（热）负荷的变化自动调整压缩机的运转频率。达到设定温度后，变频空调以较低的频率运转，避免了室温剧烈变化所引起的不适感。当负荷小时，运转频率低，此时压缩机消耗的功率小，同时避免了频繁开停，从而更加省电。同时，这对噪音的减小和延长空调使用寿命有相当明显的作用。
2）噪声低
由于变频空调运转平衡，震动减小，噪声也随之降低。
3）温控精度高
变频空调可以通过改变压缩机的转速来控制空调机的制冷（热）量。其制冷（热）量有一个变化幅度，因此室内温度控制可精确到目标温度±1℃，使人体感到很舒适。
4）调温速度快
当室温和调定温度相差较大时，变频空调一开机，即以最大的功率工作，使室温迅速上升或下降到目标温度，制冷（热）效果明显。
5）保持室温恒定
变频空调可随时调节空调机心脏———压缩机的运转速度，从而做到合理使用能源；由于它的压缩机不会频繁开启，会使压缩机保持稳定的工作状态，从而室温稳定，波动小。
6）电压要求低
变频空调对电压的适应性较强，有的变频空调甚至可在150～240 V电压下启动。
7）环境温度要求低
变频空调对环境温度的适应性较强，有的甚至可在-15℃的环境温度下启动。
与普通空调相比，变频空调的最大缺点在于价格昂贵。变频空调为实现其功能在定频空调的原理的基础上，换装了变频压缩机，加装了变频控制器系统，并将毛细管换为电子膨胀阀，辅件还有除霜阀，双毛细管。由于其主要部件成本高，所以机组价格过高，同时也导致维修时成本居高不下。
（2）城轨车辆变频空调系统的可行性分析
城轨车辆变频空调采用变频调速系统（包括传感器、变频器和可编程控制器等），改善了城轨车辆定频空调系统存在的运行工况不稳定，能耗大，不能满足旅客舒适性要求等不足（如图2．13）。
图2．13 城轨车辆空调系统变频控制原理图
目前，变频技术不仅用于民用空调，而且在铁路客车和城轨车辆上也占有越来越大的比重。城轨车辆空调变频技术可行性分析如下：
①城轨车辆空调应用变频技术将在很大程度上节约能耗，特别是在客流低峰时，空调系统长时间的低负荷运转将大大减少城轨交通运营部门的运行成本，提高经济效益。同时减轻了对大气的排放污染，符合环境保护的要求。
②变频式空调系统能自动调节通风量和制冷剂流量，使车内温度保持恒定，改善了车内的空气环境，提高舒适性，更能适应城市交通市场竞争的需求。
③采用变频技术后，城轨车辆空调的制冷系统、通风系统及控制系统的运行环境得到改善，保证了设备的安全运行，减轻了设备维修保养的费用，更能满足节约运营成本的要求。
④变频技术在城轨车辆空调系统中的应用潜力很大，但由于其价格偏高、技术复杂，在具体的应用中还会存在一定的困难。
（3）论述城市轨道交通车辆变频空调的发展前景
【效果评价】
评价表
续表
项目小结
空调机组是完成夏季制冷、冬季加热（预热）的空气处理设备，是空调系统的重要组成部分。它对进入车内的空气进行冷却或对车内的空气进行加热，保证了车辆内的温度保持在一个舒适范围内。
本项目旨在使学员了解目前我国主要城轨交通车辆所采用的空调机组的型号、形式，掌握空调机组方案的特点、区别以及空调机组的发展方向。
思考练习
1．简述空调机组的常见形式，其功能有何不同。
2．简述目前我国城轨交通车辆所采用的空调设备的共同特点。
3．简述变频空调的工作原理和节能原理。
4．变频空调与传统空调相比有何优点？
5．从本项目中，总结我国新型城轨交通车辆空调设备的设计发展方向。
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