热泵循环的认知

项目5　城市轨道交通车辆空调采暖系统

【项目描述】

空调采暖系统是城市轨道车辆空调系统中必不可缺少的组成部分。本项目介绍了采暖系统的类型、组成，重点介绍了电加热装置基本原理、组成以及电加热器的维护，同时也简要介绍了热泵循环。

【学习目标】

1．了解城市轨道车辆空调采暖系统的基本类型；

2．掌握电加热的基本原理和特点；3．能掌握热泵循环工作原理和特点；

4．了解空气加湿系统。

【技能目标】

1．能进行电加热器的维护；

2．能诊断和处理车辆采暖系统常见故障。

任务5．1　采暖系统概况的认知

【任务场景】

为了在寒冷的冬季给乘客提供一个舒适的乘车环境，必须提高城市轨道交通车辆内部的温度及空气质量，从而采取了一些措施来保证冬天车辆客室内的舒适性，如在车体中采用优质的防寒保温材料，减小车体的传热系数，降低车内向车外的热传递以及设置采暖装置。

【任务要求】

了解目前城市轨道车辆空调采暖系统的常见形式。

【知识准备】

车辆采暖系统为司机室和客室提供暖风和新鲜空气，以提高司机驾驶和乘客乘坐的舒适性。

由于城市轨道交通车辆实际运行区域气候条件的不同，一般在我国南方城市运行的城市轨道交通车辆基本上未设置采暖系统，如广州、深圳、上海等；而在北方各大城市运行的城市轨道交通车辆上都设置有相应的采暖系统，如北京、天津、西安等。

城市轨道交通车辆基本上都采用车顶送风方式，为了保持车内一定温度和减少送风温度与室内温度差，城市轨道交通车辆的采暖系统有两个作用：对送入车内空气进行预热和对车内空气进行补偿加热。

空气的预热是使空调机组的空气处理室内的空气流过空气预热器来实现的。根据热媒不同，空气预热器可分为温水空气预热器和电热空气预热器两种。

空气的补偿加热由设在车辆内两侧地板面上的加热器来完成。根据热媒不同，地面加热器也分为温水加热器和电加热器两种。

目前国内城市轨道交通车辆采暖系统，主要有以下几种形式：

①单纯使用电加热器装置，如西安地铁车辆空调系统。

②单纯使用电热空气预热器，如南京地铁一、二号线地铁车辆空调系统。

③电热空气预热器和电加热器配合使用，如北京地铁一些线路的地铁车辆空调系统。

④热泵供热，如长春轻轨车辆空调系统和南方温暖地区运用的铁路空调客车。

【任务实施】

①以西安地铁二号线地铁车辆空调采暖系统为例，认知车辆采暖的方式及装置：

a．空调机组采用顶置式安装，空调机组采用单冷形式；

b．采暖采用单纯的客室电加热装置，客室电热器安装在座椅底下的安装座上，司机室电热装置安装在司机台下。电热器设“全暖”“半暖”两个控制位，由司机控制。

②通过车辆工厂现场学习或查找相关车辆采暖系统资料，总结我国城轨车辆常用采暖系统方式的特点。

③通过车辆工厂现场学习或查找相关车辆采暖系统资料，了解我国城轨车辆与铁路客车所采用的采暖系统方式，对比不同采暖系统方式的特点。

*【知识拓展】

所谓采暖，就是使室内获得热量并保持一定的室内温度，以达到适宜的生活条件或工作条件的技术，是人类最早期开始使用的室内温度指标控制手段。

所有采暖系统都有热媒制备（热源）、热媒输送和热媒利用（散热设备）三个主要部分组成。热源和散热设备为一体化装置的为集中式采暖，反之为分散式采暖。城轨车辆的客室电加热器为集中式采暖，而热源空调为分散式采暖。

采暖系统的热媒有：热水、蒸汽、空气、电、太阳能等。由于以热水、蒸汽、太阳能作为热媒的采暖系统均需较为庞大的热源设备，如热水（蒸汽）锅炉。以空气作为热媒的采暖系统需要较为笨重的散热设备，而城轨车辆属于交通运输设备，其体积小，利于运动，并且需要尽可能大的空间来运送乘客。因此，目前城轨车辆通常采用电加热采暖。

【效果评价】

评价表

任务5．2　电加热装置的认知和维护

【任务场景】

城轨车辆客室电加热装置通常安装在客室座椅下方，一般采用下挂于座椅下或侧挂于侧墙处。这种方式不仅便于被加热的空气向上流动，从而形成客室内空气热循环，而且可合理利用客室内空间。

【任务要求】

掌握电加热器的原理以及组成。

【知识准备】

5．2．1　管状电热元件

当前国内城市轨道车辆使用的电加热器一般采用管状电热元件，根据电流热效应原理，让电流通过电阻丝而产生热量，然后把热量传给流过的空气。它具有表面温度均匀、热量稳定、结构紧凑、控制方便等特点。

管状电热元件的基本结构如图5．1所示，是在金属管内沿轴线方向放入一根螺旋形的电阻丝（镍铬丝），在其空隙部分均匀地填满具有良好导热性和电气绝缘性的结晶氧化镁粉，并用缩管机将管径轧小，以增加氧化镁粉的密度而提高导热系数。同时，还要保证管内螺旋状电热丝不致因电热元件经受弯曲或碰撞发生而碰及管壁。在电热丝引出棒出口处浇以硼酸钡的混合物密封，以避免空气中的水分和液体介质浸入氧化镁粉中而引起绝缘不良。

图5．1　管状电热组件基本结构

1—连线端子；2—绝缘垫；3—金属套管；4—电热丝；5—结晶氧化镁粉；6—封口材料

由于电热丝是埋在紧密的导热性较高的氧化物介质中，不与空气接触，其单位负荷功率相比于裸露式电热丝可大大增加，寿命也相应提高。

5．2．2　电热空气预热器

电热空气预热器结构如图5．2所示，它由电热元件和框架组成，由新风口引入的新鲜空气及车内循环空气被机组的通风机吸入并在电热空气预热器前混合，通过电热空气预热器加热，温度升高，再由通风机送入车内风道各格栅，向车内送热风，使温度徐徐上升，使车内维持在一定舒适温度。使用时与通风机实现电气连锁，与制冷机实现电气互锁。电热元件一般分为2组，通过空调温度控制器根据室内空气温度自动控制其一组工作、两组工作或停止工作。与电热空气预热器相接部分的风道应采用不易燃烧的耐热保温材料制成。

为了防止电热空气预热器在缺风时工作而导致表面温度过高，一般设置两道缺风保险：温度超过70℃，继电器跳开；温度超过139℃，熔断器熔断，从而切断控制电路和主回路，使电热空气预热器停止工作。

5．2．3　电加热器

目前，城市轨道车辆上采用的电加热器分为客室电加热器和司机室电加热器。

图5．2　电热空气预热器

（1）客室电热器

客室电热器安装在座椅底下的安装座上，如图5．3所示。其控制电路采用直流110 V、50 Hz，主电路采用交流220 V、50 Hz。每组电热器内设两支电热管，两支电热管分两路，可分别或同时工作、停止。电热器设“全暖”“半暖”两个控制位，由司机控制。

图5．3　客室电热器

（2）司机室电热器

为了提高司机室冬季采暖的舒适性，司机室设有带风机的强迫通风电热装置。司机室电热装置结构如图5．4所示，每个电热器内设一台小型贯流风机，两支电热管。

司机室电热装置安装在司机台下，控制电路采用直流110 V、50 Hz，主电路采用交流220 V、50 Hz。司机室电热装置内风机与电加热器设置连锁，风机启动后电热装置投入运行，电热装置设热继电器进行超温保护，当由于风机故障等原因使电热器温度超过设定值时，自动停止工作。电热装置可由司机手动操作，设半暖、全暖位。

图5．4　司机室电热器

1—电热管；2—管卡；3—熔断器；4—温控器；5—接线端子；6—风机；7—支架

【任务实施】

客室（司机室）电加热器的日常维护是城轨车辆检修工作的一项基本任务。做好电加热器的使用和维护，能够及时处理采暖设备的故障，使采暖设备正常工作，从而保障城轨车辆运输的服务品质。

（1）电加热器的开启时间

由于电加热器是在寒冷的冬季为城市轨道交通车辆内部提供热量的设备，故各个城市地铁车辆开启电加热器的时间也不同，如北京地铁车辆电暖器开启时间一般在12月份，停用时间为来年2月底左右（具体依据气候条件可延长供暖时间）。沈阳地铁车辆电暖器开启时间一般在11月份，停用时间为来年3月底左右（具体依据气候条件可延长供暖时间）。西安地铁车辆电暖器开启时间一般在11月份左右，停用时间为来年3月份左右（具体的供暖日期可依据气候条件延长供暖时间）。基本上城市地铁车辆使用电加热器的时间大概为11月份—3月份，由于各个城市气候的不同，采暖周期会有所变化。

（2）电加热器的拆装

1）拆卸程序

①拆卸之前必须切断电源，如断开相应车辆上的空气断路器。

②松开固定螺钉，将电加热器外罩拆除。

③断开电加热器各接线端子的电气连接线。

④拆下电加热器固定到车辆上的紧固螺栓。

⑤移除电加热器时，务必小心电加热器滑落。

2）安装程序

安装程序与拆卸程序相反，但切记各种接线正确无误，勿将工具、杂物遗留到电加热器外罩内。

（3）电加热器的维护

1）注意事项

在电加热器使用过程中必须注意以下事项：

①电热管发生击穿或闪烁现象时，应该断开电源，进行检查更换；

②乘客不可以随便触摸电热管，以防烫伤或触电；

③不允许将水或其他杂物放入电加热器；

④不得随意磕碰电加热器，以防损坏电加热器外罩；

⑤在夏季停用电加热器时，应该断开电加热器的控制电源。

2）定期维护

电加热器在使用过程中必须进行定期检查，保持电热管表面干燥、清洁。每年在冬季使用电加热器前应对电加热器进行专项检查，具体内容如下：

①电加热器外罩是否变形，紧固螺钉是否缺失；

②打开电加热器外罩，用软毛刷轻轻刷掉电热管表面的灰尘及杂物；

③用真空吸尘器吸掉刷下来的灰尘及杂物；

④检查电加热器相关线路的空气开关、接触器、端子排接线是否松动、脱落、断线、烧损、烧熔等。

⑤将电加热器通电运转1小时以上，观察各电加热器的空气开关、接触器、端子排接线是否出现烧损、烧熔现象，并且用红外线点温枪对电加热器的各空气开关、接触器、端子排处的接线进行点温并记录数值，比较各温度值是否正常，可以按照以下标准执行：

a．接线处温度高于环温35℃时，实测温度高于80℃时；

b．同一接线排各通电接头温度差高于20℃时；

c．同一电气三相接线处温度差高于15℃时。

【效果评价】

评价表

任务5．3　热泵循环的认知

【任务场景】

热泵循环采用四通换向阀来实现空调机组制热功能。热泵循环不仅提高了空调机组的利用率，而且节省了设备初置费用和维修费用。

【任务要求】

了解热泵循环的工作原理及基本组成。

【知识准备】

5．3．1　热泵的种类

热泵技术是近年来在全世界倍受关注的新能源技术。人们所熟悉的“泵”是一种可以提高位能的机械设备，比如水泵主要是将水从低位抽到高位。而“热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，提供可被人们所用的高品位热能的装置，通常按照热源获取来源的不同可分为水源热泵、地源热泵、空气源热泵三种类型。

（1）水源热泵

水源热泵技术的工作原理是通过输入少量高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源。即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而在冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。

（2）地源热泵

地源热泵是一种利用浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调设备。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；在夏季，把室内的热量取出并释放到地能中去。通常，地源热泵消耗1 kW・h的能量，用户可以得到4 kW・h以上的热量或冷量。

（3）空气源热泵

空气源热泵在运行中，蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过永久黏结在储水箱外表面的特制环形管冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了空气源热泵储水箱中的水。冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。

5．3．2　热泵循环的工作原理

热泵循环与制冷循环的原理是一致的，也是利用某种工质的状态变化，从较低温度的热源吸取一定热量，通过一个消耗功或热量的补偿过程，向较高温度的热源放出热量。其区别在于工作的温度区间不同，达到的目的不同。制冷循环是利用吸取热量而使被冷却对象的温度低于环境温度，达到制冷的目的；热泵循环则是从环境介质吸热，向被加热对象放热，使其温度高于环境介质温度。

凡是可以在外界低温环境下吸取热量，并将其热量“泵”入室内的装置称为热泵。

在热泵循环过程中，根据热力学第二定律，高温热源的放热量Q H等于从低温热源吸取的热量Q O加上所消耗的功W之和，即

QH= QO+W

因为Q H＞W，所以利用制冷机从低温外气中吸热而在温度较高的室内空气中放热，比直接利用电能加热所能获得的热量大得多，所以热泵能够节省电能。

热泵循环的性能系数称制热系数（供热系数），用εH表示。供热系数是评价热泵性能好坏的指标，为供热量与消耗功之比，即

εH= QH／W= 1+εO

式中，εO为制冷系数。可见，热泵的制热系数恒大于1，表明其经济效果好。

如图5．5所示，图（a）为夏季制冷工况，置于空气处理室内的蒸发器吸收空气中的热量，从而冷却了车内的空气；图（b）为冬季热泵工况，它通过四通换向阀，来转换制冷剂流向。室内蒸发器作为冷凝器使用，而室外冷凝器作为蒸发器使用，于是通过制冷剂就将室外空气中的热量转移到了室内。

热泵系统中，作为蒸发器的换热器（制冷系统中的冷凝器）有可能表面结霜，以致堵塞空气通路，影响换热，所以在系统中应采取适当的融霜措施。

图5．5　制冷与制热系统原理

5．3．3　四通转换阀基本结构

四通转换阀是将电磁阀和四通阀用毛细管连接而成的一个换向系统，其结构如图5．6、图5．7所示。四通阀有四根接管1、2、3、4和3根毛细管C、D、E。阀体内装有滑块和活塞，它们利用支架构成一体，两端活塞上各有小孔，以使活塞两端能互相通气。1号管与蒸发器出口连接，2号管与压缩机吸气管连接，3号管与冷凝器进口连接，4号管与压缩机排气管连接，而滑块好像一个三通阀门，可以将1与2连通，也可以将2与3连通。当1、2连通时，3、4就通过四通阀体而连通；当2、3连通时，1、4就通过四通阀体而连通。3根毛细管中，C、D管接在四通阀两端，E管接在管2中。电磁阀由阀体，阀芯A、B，弹簧1、2，衔铁及电磁线圈组成。阀芯A和B与衔铁组成一体并一起移动。当线圈接通电源而产生磁场时，衔铁被磁场吸引而动作，使阀芯向右移动，阀芯B关闭左阀孔，而右面阀孔被阀芯A打开。当线圈断电而衔铁复位时，阀芯A关闭右阀孔，而左面阀孔被阀芯B打开。

图5．6　四通转换阀制冷时的工作原理

图5．7　四通转换阀制热时的工作原理

5．3．4　四通转换阀在制冷时的工作原理

如图5．6所示，系统制冷时，由于受电源换向开关的控制，四通换向阀电磁铁线圈的电源被切断，衔铁在弹簧1推动下左移，使阀芯A将右阀孔关闭，而左阀孔就打开。这样，C与E管被接通，而D管被关闭而不通。四通阀体内，除滑块盖住的部分是低压气体外，其他部分都是高压气体。在D管堵住不通的情况下，阀体内的高压气体通过活塞2的小孔，向四通阀左端盖内充气。因为C管与E管是接通的，而毛细管孔径又比活塞上的小孔大数倍，故从小孔流过去的气体迅速涌向压缩机吸气管。因此，在活塞2的左面不能建立起高压力，滑块左、右端活塞就形成一个压力差，把滑块与活塞组推向左端位置。此时管1与管2连通，即制冷剂气体从蒸发器流出被压缩机吸入；而管4与管3连通，即压缩机排出的高压气体进入冷凝器，这就是热泵系统在制冷位时的四通阀的状态。

5．3．5　四通转换阀在制热时的工作原理

如图5．7所示，系统制热时，电源换向开关将四通换向阀的电磁线圈的电源接通，线圈产生磁场，衔铁被磁场吸引向右移动，阀芯A打开右边阀孔，阀芯B关闭左边阀孔，E管与D管连通，C管被堵住不通。四通阀右端盖内高压气体从D管经E管流向压缩机吸气管，使右端盖内压力等于吸气压力。而左端盖内，由于C管被堵住不通，高压气体从活塞小孔向左端充气，使压力升至排气压力而平衡。这样，左、右两端产生压力差，活塞就带动滑块一起向右移动，滑块将管2与管3接通，管1与管4接通，压缩机排气从管4经过管1进入冷凝器（即制冷运行时的蒸发器），然后经毛细管进入蒸发器（即制冷运行时的冷凝器）。从蒸发器流出的蒸汽经管3与管2而进入压缩机吸气管，通过四通换向阀对管路的转向，使原来制冷运行时的蒸发器成为冷凝器，而冷凝器则成为蒸发器，从而实现从室外吸热而向室内放热。

【任务实施】

①通过互联网了解热泵循环在城市轨道车辆上应用情况。

②通过学习热泵循环的相关知识，讨论并分析采用热泵循环的优缺点。

*【知识扩展】

空气加湿系统仅在某些对车内相对湿度要求较高的客车内安装。在冬季，由于车外空气温度很低，含湿量很小，当空气被加热而温度提高之后，其相对湿度就更低了，而某些客车由于定员少，所以旅客的散湿量也小。这样，有可能使车内空气的相对湿度较低，不满足舒适性的要求。为此，必须对空气进行加湿处理。

对空气加湿可以采用直接喷水蒸气加湿、直接喷水雾加湿、水表面自然蒸发加湿和电热加湿等方法。这些加湿方法可归纳成两类：一类是将水蒸气混入空气进行加湿，即等温加湿；另一类是由于水吸收空气中的热而汽化进入空气的加湿，即等焓加湿。

（1）蒸汽加湿器

常用的蒸汽加湿器有电极式加湿器、干式蒸汽加湿器、红外加湿器等。在小型空调设备中，电极式加湿器应用得最为广泛。电极式加湿器的结构如图5．8所示，在金属或耐裂陶瓷做成的圆筒中盛有一定高度的水，将3根不锈钢棒或镀铬铜棒插入其中作为电极，与三相电源连接。电极棒接通电后，就有电流从水中通过。水相当于电阻，水被加热而产生蒸汽。蒸汽由排出管引致欲加湿的空气中去，直接与空气混合。显然，水位越高，导电面积越大，电阻越小，电流越强，发热量越大。因此，水位的高低决定了产生蒸汽量的多少，水位高度可由溢水管的高低来调节。电极也可以采用两根电极棒，或利用两个同心的不同直径的金属作为电极。

电极式加湿器在圆筒内无水时电流切断，因此，相对于电容式更加安全，加湿器也容易控制。其缺点是容易积水垢，电极易腐蚀。

（2）喷水加湿器

图5．8　电极式加湿器

1—接线柱；2—外壳；3—保温层；4—电极；5—进水管；6—橡皮短管；7—溢水管；8—蒸汽出口

喷水加湿器常用于某些余热量较大、余湿量较小，又要求保持较高温度的室内加湿。这类加湿器是直接将常温水雾化，利用水雾吸收室内空气热量蒸发成水蒸气来加湿空气。常用的喷水加湿器有高压喷水雾加湿器、离心式加湿器、超声波加湿器等。

1）高压喷水雾加湿器

高压喷水雾加湿器是将经过高压泵加压的高压水喷嘴小孔向空气中喷出，形成粒径细小的水雾，并与周围空气进行热湿交换而汽化蒸发实现加湿的。

为防止杂质堵塞喷水小孔，要求水质清洁、无异味，最好用软化水。高压喷水加湿器的优点是体积小，质量轻，加湿量大，耗电量少等。但当被处理空气温度较低时，喷出的水雾蒸发困难，加湿效果将受影响。

2）离心式加湿器

离心式加湿器是依靠离心力作用将水雾化成细小水滴，水滴在空气中蒸发进行加湿的。这种加湿器有一个圆筒状外壳，封闭电机驱动一个圆盘和水泵管高速旋转。水泵管从储水器中吸水并送到旋转的圆盘上面形成水膜，水由于离心力作用被甩向破碎梳，形成细小水滴。干燥空气从圆盘下部进入，吸收雾化了的水滴而被加湿。

离心式加湿器具有结构简单，安装、维修方便，体积小，使用寿命长等优点，可用于较大型的空调系统。但由于水滴颗粒较大，不能完全汽化蒸发，因此需设置排水设备。

3）超声波加湿器

超声波加湿器的主要部件是超声波发生器，是由装置水箱底部的振动子将发振回路产生的超声波发射到水中。由于超声波发生器以每秒170万次的高频电振动超声波将水雾化进行加湿，具有能耗少、发湿量大、喷雾粒子较细、加湿快等特点。超声波喷雾加湿不仅增湿效果好，同时还会产生大量的负氧离子。

【效果评价】

评价表

项目小结

空调采暖系统在冬季对进入车内的空气进行预热和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。

城市轨道车辆的采暖系统主要以电空预热器和电加热为主。其中，电空预热器对流过预热器的空气进行加热，电加热作为空气的补偿加热，由装在客室座椅下和司机驾驶台下的加热器来完成。

思考练习

1．简述采暖系统的基本作用以及常见类型。

2．电加热装置有哪两种类型？其基本原理和主要特点是什么？

3．说明热泵循环的工作原理。

4．简述电加热器维护和保养的作业范围。