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标准动车组空调系统智能化优化设计

发表日期:2020/9/8 9:55:33 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

“复兴号”中国标准动车组的开行,开创了中国铁路装备自主化的崭新时代,标志着我国高速动车组技术全面实现自主化、标准化和系列化,标志着中国高铁技术水平跻身世界先进行列。空调系统作为高速动车组重要组成部分,不仅为乘客提供舒适和健康的旅行环境,而且保证高速动车组运行时车厢内具有适当的气流气压,满足乘客旅行中的舒适水平。标准动车组空调系统采用了高速列车冷凝风机气流控制,隔声降噪和车内空调压力波动控制等技术,满足了标准动车组整体平顺化、空调顶置化和车内较高舒适性的要求。

为进一步提升中国标准动车组空调机组的舒适性,提高中国高铁的全球竞争力,石家庄车辆监造项目部与石家庄国祥运输设备有限公司成立技术攻关项目组共同策划、研发,在既有CR400系列中国标准动车组定频空调机组基础上实施技术创新,研发出了变频智能空调机组。同时,增加了空气净化和病毒灭活装置、车内压力监测装置、PHM故障诊断预警功能等新技术,不断提升标准动车组空调系统智能化水平,进一步满足乘客乘坐高速动车组的安全性、舒适性。



1  客室空调机组制冷系统变频设计


1.1  设计背景

目前,既有中国标准动车组空调系统采用定频空调系统,其客室空调机组通过开启热气旁通阀和启停压缩机来调节制冷等级,此种调节模式在制冷量需求较低的情况下,压缩机会空耗一部分能量。而节能降耗、绿色环保作为当今科技发展的主要方向,变频空调的研究已成为主流。

变频空调技术利用变频控制器驱动变频压缩机,通过改变压缩机运转频率改变制冷剂循环量,可以根据实际的冷量需求来调节压缩机和风机等关键部件的运行频率,各部件维持高效率的工作状态,从而实现空调机组的节能化,降低列车空调能耗。同时,多档调节可进一步降低车内温度波动,提高车内的控温精度。

1.2  方案实施

客室空调机组重新设计制冷系统,更换变频压缩机、电子膨胀阀等部件,解决了高速动车组变频空调机组在制冷系统过热度自动控制,变频压缩机在低频运转下的回油润滑等方面的问题。采用高可靠性的变频电控元件(图1),实现在降低高速动车组空调能耗的同时,提升产品的可靠性、耐高低温能力和车内舒适性。


图1  空调机组布局图

变频电控单元安装在空调混合腔内,利用循环风对电器部件降温,保证电器部件良好散热,同时避免雨水等外界影响因素。所选用变频电子部件具有宽电压输入范围、大电流裕量、大发热裕量等特点,具有较好的适应性。

1.3  创新成效

变频空调机组现已应用于“复兴号”动车组以及京张高铁智能动车组和京雄智能动车组样车。实车测试,在车辆静止的稳态下实现车内温度波动控制在±0.5 ℃以内,在车辆运行的动态下实现车内温度波动控制在±1 ℃以内(定频空调为±1.5 ℃)。相比定频空调,整个制冷季变频空调节能超出15%,制冷季节能效比(SEER)提高后高于2.6(定频空调为2.1)。目前,“复兴号”动车组变频空调机组已正线运行近一年,整体运行平稳。



2  空气净化装置设计


2.1  设计背景

随着人们生活质量的不断提高,尤其当前病毒灭活技术的需要,人们越来越关心自己所在的生活环境。“复兴号”中国标准动车组车内存在异味的问题越来越引起乘客关注,解决车内异味问题已成为动车组研究的主要任务。

空气污染物主要分为3类:1) 颗粒:粉尘、烟雾、花粉等;2) 微生物:细菌、真菌、病毒等;3) 有害挥发气体:氨气、一氧化碳、甲醛、苯等。传统的无纺布滤网仅能过滤颗粒物,无法处理微生物和有害挥发气体,已不能满足人们日益提高的环保意识和健康安全要求。

空气净化装置通过等离子、静电、光触媒、活性炭等技术可有效去除空气中的3类污染物,轨道车辆空调机组安装空气净化装置势在必行。

2.2  方案实施

空气净化装置安装在空调机组的室内腔(图2),位于蒸发器前,循环空气先被空气净化器处理后再经过蒸发器预冷后送入客室。现轨道车辆空调机组采用的空气净化器主要有等离子、石墨烯电场、光触媒3种,均可有效过滤PM2.5颗粒,具有杀菌,去除异味,去除有毒有害化学气体的功能。


图2  空气净化器安装截面示意图

净化原理简述如下。

1)等离子:电离子管将空气中的氧分子加载了正、负电荷,生成离子化氧原子簇。这些带有极高氧化性的氧原子簇可使空气中的污染物分解、中和、丧失活性或沉降,从而达到净化、灭菌、消除异味的功效。

2)石墨烯电势场:空气中的颗粒物和细菌通过高压电势场时,受电势场中库仑力的影响,产生随电力线方向的位移,汇聚到石墨烯的负极板上,沉降到净化器底部。石墨烯材料具有电子发射性,细菌被高压电势场中的电子刺破细胞膜而死亡。电子还可造成甲醛等挥发性气体的分子化学键断裂,与空气中其他自由基结合成H2O和CO2等无害气体,从而达到净化、灭菌、消除异味的功效。

3)光触媒:通过光等离子管发出超低频率的电磁辐射,使分子迅速提升能量,达到激发三重态,从而产生包含激化的原子、分子、离子和游离电子的光等离子团。这些离子团对有机污染物具有极强的破坏性,从而达到净化、灭菌、消除异味的功效。

2.3  创新成效

空气净化装置现已应用于京张高铁智能动车组和京雄智能动车组的客室空调机组中,并随空调机组进行了性能、EMC、振动冲击等试验,可满足动车组的运行环境要求。经装车测试,空气净化器技术指标可达到每小时甲醛去除率不低于70%,TVOC(总挥发性有机物)去除率不低于50%,PM2.5颗粒去除率不低于90%,细菌去除率不低于60%,可有效净化空气,降低空调系统中空气有害物质,解决动车组车内异味的问题,满足车辆的绿色环保使用要求。



3  PHM故障诊断预警功能设计


3.1  设计背景

为实现高速列车整车及核心部件健康管理PHM(Prognostics Health Management)及预防性维修指导,提高列车在途故障的应急处理效率,降低运营安监事故率,降低列车运营成本,对列车及其关键部件开展全生命周期健康管理技术研究。

3.2  实施方案

空调PHM以车内环境舒适性控制为主要目标,通过对空调机组系统运行压力、送风温度、回风温度、新风温度、空调运转模式、压缩机运行电流、风机运行电流及振动值等参数进行监测分析。目前已实施PHM模型9项如表1所示。

表1  PHM模型


3.3  创新成效

1)故障预警:通过对空调系统运行参数的监测分析,发现故障的早期征兆并进行预警,提醒检修维护人员提前进行检查,降低空调系统在线运用故障率。

2)对运用修、高级修提供指导建议。将实时采集的空调机组运行参数数据传递给地面数据中心,后期通过地面数据中心的寿命评估模型,对空调部件(压缩机、风机等)寿命进行跟踪评估,提供高级修寿命评估数据支撑。同时,根据空调系统运用修数据分析,减少空调运用修检修项点,降低检修工作量。

以上9项PHM模型现已分别应用于京张高铁智能动车组项目和京雄智能动车组项目。



4  车内压力监测功能设计


4.1  设计背景

列车高速化是世界各国铁路技术发展的共同趋势,是社会经济不断发展的必然结果之一,快捷、安全和舒适是当今国内外高速铁路的主要发展目标。与低速列车相比,高速列车在明线会车、单车过隧道以及隧道内会车时的车内压力波动问题比较突出,并且伴随着车速的提高以及线路条件的变化,乘客对乘坐列车上压力的舒适性问题越来越关注。

为了进一步提高车内压力舒适性,提出了实时监测车内大气压力的方案,实现车内压力预警、大数据分析功能。

4.2  实施方案

为了实现此功能,在空调控制器内集成板载式压力传感器(图3),即将压力传感器芯片直接板载植入控制器PCBA,由MCU直接监测车内的气压变化,该压力传感器具有量程大、分辨率高、精度高、工作温度范围大、功耗低、体积小等优点,能够精准地检测出车内大气压力的变化。


图3  板载式压力传感器

列车正线运行时控制器实时采集车内大气压力,当波动超过设定值时,上报车辆网络,车辆网络通过无线传输方式将消息传至地面PHM设备,从而实现压力预警功能。

控制器具有存储芯片,实时存储空调的运转状态以及车辆网络发送的车辆运行信息(车速、开关门、隧道信号等),能够连续存储3天约10万条数据,通过定期下载不同车型、不同海拔地区运营车辆的实时记录数据,可积累大量运行数据用于分析。

4.3  创新成效

1)压力预警:当车内压力波动较大时,上报地面PHM进行预警,地面监测人员收到预警消息后通知检修维护人员提前做好排查准备,第一时间解决处理,避免故障进一步恶化,提高了检修的及时性与灵活性,从而充分保证车内舒适性。

2)大数据分析:通过定期下载的实时记录作为大数据支撑,可用于分析车内大气压力变化与车型、车速、隧道、海拔、线路条件等影响因素的关联情况,提出更优的压力波控制方案,进一步提高车内的舒适性。



5  减振降噪优化设计


5.1  设计背景

随着生活水平不断提高,人们对舒适性的要求也日益提高,为减小车内噪声对乘客的影响,进一步降低空调机组噪声的研究势在必行。

5.2  实施方案

采用变频压缩机:压缩机软启动,启动噪声平缓;压缩机变频工作,减少压缩机起停次数,减少启动噪声;低负荷时压缩机低频运转,降低运转噪声。

采用变频、双速风机:根据运行工况选择合理的运行频率及转速,降低风机噪声。

5.3  创新成效

经装车测试,在车内测试变频空调机组底部噪声相对于定频机组,空调机组制冷运行时,车内通过台处噪声降低约7 dB(A),可有效改善车内的舒适性。



6  结束语


目前,标准动车组空调系统变频智能空调机组、空气净化装置、PHM故障诊断预警功能、车内压力监测功能等多项新技术已应用到在京张高铁智能动车组和京雄智能动车组等多个高铁项目上,并收到较好效果。标准动车组空调系统通过不断的技术创新,在绿色环保、节能降耗、大数据应用、安全监测诊断等方面实现了新的突破。

2019年12月30日正式开通运营的京张智能高铁,集中展示了中国高铁技术的最新成果,开启了中国高铁智能新时代。随着中国高铁技术的不断创新,中国高铁向更高技术、更高标准、更高质量不断推进。



本文选自《制冷与空调》2020年7月刊82-85页;作者:李海涛 郝明吉;未经许可,不得转载


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