低温热泵技术在轨道车辆空调上的应用_王兴江

低温热泵技术

机电工程技术2011年第40卷第07

期

低温热泵技术在轨道车辆空调上的应用

王兴江

（广州中车轨道交通装备股份有限公司，广东广州

510285）

，，通过喷气增焓技术，。；热泵；空调文献标识码：A

文章编号：1009－9492(2011)07－0165－04

1引言

长期以来，轨道车辆空调系统都是以制冷功能为主，车辆冬季在北方地区使用时，空调机组的压缩机是不工作的，此时通过空调机组内的辅助电加热器，对送入车厢内的新鲜空气进行预热，以避免寒冷的车外空气进入车内给乘客造成的不适感，在整个寒冷的冬季都是用车内电加热来采暖的，车内电加热器和空调机组内辅助电加热器的总功率用以抵消车内总的冷负荷，这种采暖方法耗能多且不安全。若采用常规的空气源热泵系统，外温在10℃～-5℃的运行区间热泵应用效果良好，机组运行平稳，机组的经济性可以得到较好的保证。当外温低于-5℃时，设备将无法正常工作，随着室外气温的降低，制冷剂吸气比容增大，压缩机的吸气量迅速下降，从而导致系统的制热量迅速降低，而车内冷负荷却随着外温的下降而迅速上升，当外界温度很低时，热泵空调的制热量将小到无法满足车辆在冬季采暖的需求。与此同时，随着室外环境温度的降低，压缩机的COP值也急剧下降，压缩比会越来越大，导致排气温度不断升高，长期运行必然会严重损坏压缩机。而国际上特别是日本低温空气源热泵技术开发较早，技术比较成熟，低温空气源热泵机组应用比较普遍，轨道车辆上应用空气源热泵机组达50%以上。

由于轨道车辆空调机组的特殊性，目前空气源热泵机组在国内轨道车辆上还没有广泛应用。近年来，随着我国铁路和城市轨道交通的迅速发展，人们不满足于炎热季节的制冷，已经出现了热泵空调机组的需求，特别是在寒冷的东北地区，对热泵空调机组的呼声更高，研制出适合轨道车辆使用可以在寒冷的冬天运行的空气源低温热泵机组是非常必要的。使用空气源低温热泵机组，会节省大量能

收稿日期：2011－05－30

源，降低车辆的运行成本，带来较大的经济效益和提高车辆运行的安全性和可靠性。

2低温空气源热泵压缩机的选型

为了满足我国东北沈阳、长春等地区的使用环境，在夏季运行时要保证空调机组制冷工况下的有效制冷量，在冬季制热工况下，空调机组在外温-20℃下可高效热泵制热，在外温-25℃下能够安全可靠工作。

由于轨道车辆设备的特殊性，制冷压缩机必须是列车专用并在轨道车辆上有可靠的使用业绩的，使得低温热泵压缩机的选型范围受到了很大的限制，只有极少数品牌的压缩机既能满足轨道车辆的要求又能满足超低环境温度下的制热工作。

将带有辅助进气口的涡旋压缩机用于带经济器的准二级压缩热泵系统，可以提高空气源热泵在低温工况下的制热性能，艾默生公司的蒸汽喷射功能的低温强热涡旋压缩机为轨道车辆用低温热泵空调机组的开发提供了支持。

这种低温强热涡旋压缩机除了正常的吸气口和排气口外，还具有第二个吸气口，即蒸汽喷射口，如图1所示

［1］

。

这种压缩机可以通过喷气增焓技术优化中压段冷媒喷射技术。采用喷气增焓新技设计制冷循环系统，压缩机工作时，中间压力喷气孔吸入一部分中间压力的气体，与经过部分压缩的冷媒混合再压缩，使单台压缩机实现两级压缩，通过增加制冷剂流量和提高过冷度而增加焓差两个方面提高系统的制热量，大大提高了压缩机的效率。利用这种带辅助进气口的涡旋压缩机实现带经济器的准二级压缩，使空气源热泵系统提高在低温工况下的制热性能成为了现实。

低温热泵技术

经验交流

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由式（1）减去式（2）就得到制热量的增加值

Q=m（h4-h5）+（m+i）（h3-h2’）-i（h3’-h2）

（3）

制热量的提高主要得益于蒸发器入口和出口之间的焓增加，还有由于喷射造成压缩机耗功增加，增加量约为（m+i）

（h3-h2’）-i（h3’-h2）。

从冷凝器（室内侧换热器）出来的液体经过过冷器进一步冷却，增加了过冷度，蒸发器（室外侧换热器）入口和出口之间的焓差增加，从环境中多吸收了热量。由于蒸汽喷射的作用，压缩机的吸气流量增加，消耗更多的功率，导致冷凝温度提高，冷凝器侧换热温差增大，冷凝器

图1

低温强热涡旋压缩机构造

交换更多的热量，形成更多的制热能力。

经济器配合这种蒸汽喷射涡旋压缩机在制热工况时可以大幅度提高制热能力，并能满足在-25℃寒冷环境下的正常工作。同理，将经济器置于热泵机组的制冷回路中，也可以大幅度增加空调机组的制冷量。图3是采用蒸汽喷射涡旋压缩机配合经济器使用时制热和制冷回路的流程图。

3带有蒸汽喷射功能的热泵系统

热泵系统的制热量等于冷凝过程的放热量，根据逆卡诺循环的理论可知，冷凝热量由蒸发过程的吸热量和压缩过程的做功两部分组成。因此，欲提高热泵系统的制热量，可以通过提高蒸发过程的吸热量和增加压缩功来实现。在热泵系统中，使用带蒸汽喷射口的低温强热涡旋压缩机，通过带经济器的系统设计，可以提高蒸发器入口和出口之间的焓差、增大压缩机出口的制冷剂流量和提高压缩过程的做功，从而使系统的制热量显著增加。

图2是带有蒸汽喷射功能的空气源热泵系统的流程图和表示在压焓图上的循环图。

4适用于轨道车辆的低温热泵空调

长春轻轨车辆是用于城市轨道交通的70%低地板的轻轨车辆，全线在地面上行驶，该车的空调系统采用了空气源低温热泵空调机组，在轨道车辆上实现了通过热泵机组达到夏季制冷和冬季制热的目的，由于采用了带有蒸汽喷射功能的空气源热泵系统，在冬季运行时，在-20℃时还能保持较高的能效比，在-25℃时仍能安全可靠地正常运行。

根据长春轻轨车辆夏季制冷负荷和冬季采暖负荷的热工计算，确定每辆车配置两台车顶单元式低温热泵空调机组，分别布置在车顶的两端，每台空调机组的制冷量为

30kW，制热量为32kW，制冷时投

通风量为3500m3/h，制热时通风量为2380m3/h，每台空调机组的新风量为1200m3/h，使用环保型冷媒

R407C。由于轨道车辆的特殊性，

制冷系统只能采用风冷式，所以采用了空气源热泵系统。每台空调机

图2

带有蒸汽喷射功能的空气源热泵系统

组具有两个独立的制冷回路，可以实现分步启动和分系统启停，降低

从图2可以看出，带有经济器具有蒸汽喷射功能的热泵系统总的制热量为：

起动电流，对整车电源的冲击小，同时提高车内温度控制精度。

（h3-h2’）

（1）

为了满足长春地区寒冷冬季的使用要求，选用了艾默生公司带辅助吸气口的蒸汽喷射涡旋压缩机，在系统中增

加了板式换热器作为经济器，类似低温系统双级压缩工作

原理，增加了流量，提高了制冷量和制热量。图4是空气源低温热泵空调机组的制冷系统流程图。

该系统与普通热泵系统的不同之处，在于增加了喷气

（2）

增焓的系统，在热泵模式下，从室内侧换热器出来的液体

Q=m（h1-h5）+m（h2-h1）+（m+i）

公式（1）～（3）中，Q为制热量，kW；m为主回路部分的制冷剂流量，kg/h；i为喷射回路部分的制冷剂流量，kg/h；h为焓，kJ/kg。

对于没有蒸汽喷射和经济器的常规热泵，由于没有再过冷和蒸汽喷射过程，其制热量为：

Qb=m（h1-h4）+m（h3’-h1）

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风又不能向车内吹冷风，蒸汽喷焓压缩机为解决这一技术难题提供了方便。在满足条件后，系统进入融霜状态，采用喷气增焓压缩机排气后，冷媒经室外换热器、制冷节流毛细管、板式换热器、室内侧换热器、气液分离器，再到压缩机，采用逆向运行融霜。当达到退出融霜条件时，则停止压缩机若干秒，然后重新启动系统按制热运行。为了保证车内的舒适性，借助空调机组有两台压缩机构成独立的双回路系统这一优势，让两个系统不同时融霜，而且融霜期间室内风机按低速运行，达到融霜条件时，其中一套系统按制冷循环逆向运行融霜，另一套系统仍然保持制热状态运行。

依据国家标准GB/T19842-2005《轨道车辆空调机组》和铁道部行业标准TB/T1804-2009《铁道客车空调机组》，空气源低温热泵空调机组按表2的工况进行型式试验。

根据试验结果，空气源低温热泵空调机组的名义工况

图3

带有蒸汽喷射功能的热泵系统流程图

制冷量达到29.6kW，按照用户条件工况测得的制冷量为

30.1kW，名义工况的制热量达到32.2kW，名义制冷工况

制冷剂分为两路，一路经中间喷射膨胀阀节流后进入板式热交换器与另一路液体制冷剂在板式热交换器中换热，变为蒸汽进入涡旋压缩机的中间辅助吸气口，而另一路被过冷的制冷剂从板式热交换器流出后经膨胀阀节流后进入室外侧换热器蒸发。

在热泵系统中，另外一个技术难题就是融霜，常规热泵机组在除霜运行时通常是将室内侧风机停止运行，但在车辆上是不允许停止通风的，在除霜过程中既不能停止通

的能效比达到2.67，名义制热工况能效比大于2.1，在室外侧环境温度-20℃下低温制热工况能效比COP＞1.3。图

5、图6、图7分别是各工况下制热量、能效比、输入功率

与环境温度曲线。

这种带中间吸气口的喷气增焓压缩机配合中间热交换的经济器，可以使空调机组在制冷模式、制热模式和融霜

模式下都实现双回路叠加工作，不仅在制热和融霜模式下具有独特的优越性，在制冷模式下，通过中间换热器增加

1.压力开关心风机

2.制冷压缩机3.四通换向阀4.低压开关12.单向阀

5.气液分离器6.室内换热器7.轴流风机8.室外换热器9.离

10.板式换热器11.干燥过滤器13.热力膨胀阀14.

电磁阀15.中间喷射膨胀阀16.制冷毛细管

图4空气源低温热泵空调机组制冷系统流程图

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经验交流

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ZRI61KCE-TFD，两款压缩机的名义输入功率分别是

表2

试验工况参数

5.75HP和5.08HP，排气量分别为16.18m3/h和14.34m3/h，

℃

压缩机的型号降低了一个规格，输入功率和排气量都降低了约11%。

该低温热泵空调机组于2009年初开始在长春轻轨车辆上使用，经受了长春地区两个冬季严寒气候的考验，达到了预期的制冷和制热效果，冬季在外温-20℃下可高效热泵制热，并在外温-25℃下安全可靠工作。

制冷剂液体节流前的过冷度，通过中间补气增加压缩机制冷时的流量，在夏季制冷工况时同样可以有效提高制冷量，减少耗功量，达到制冷节能的效果。名义制冷时的整机能效比达到2.67，比国家标准的规定值2.2高出约21%。在压缩机的选型上，铁路车辆空调常用的KLD29型单冷空调机组的额定制冷量为29kW，使用的压缩机型号为

图7

输入功率与环境温度曲线

ZR68KT-TFD，而该KLR30YTH型低温热泵空调的名义制

冷量为30kW，名义制热量为32kW，使用的压缩机型号为

5结论

在轨道车辆空调中采用低温强热涡旋压缩机，利用喷气增焓的新技术，配以高效经济器，组成高效节能的喷气增焓系统，通过压缩机中间吸气孔吸入一部分中间压力的气体，与经过部分压缩的冷媒混合再压缩，以单台压缩机实现准两级压缩，由中间换热器对低压低温冷媒进行适当的预热，增加了制冷剂流量，提高了制热量和能效比，在外温-20℃下可高效热泵制热，并在外温-25℃下安全可靠工作，满足了轨道车辆低温热泵空调系统在寒冷地区的应用。

参考文献：

［1］张立毅，胡浩，李永健，等.谷轮“低温强热涡旋”在热泵

式空调器中的应用［J］.制冷技术，2007，20（1）：47－48.［2］GB/T19842-2005.轨道车辆空调机组［S］.［3］TB/T1804-2009.铁道客车空调机组［S］.

作者简介：王兴江，

男，

1956年生，辽宁人

，

大学本科，高级工程师。

研究领域：轨道车辆制冷与空调。

图5制热量与环境温度曲线

(编辑：王智圣)

图6能效比与环境温度曲线

低温热泵技术

Key words: automation; assembly equipment; functional design; institutional systems

Institute, Guangzhou510635, China.2.China Tobacco Guangdong Industrial Co., Ltd, Guangzhou510145, China)

11-07-134 Reaming Process of Small Deep Hole Drilling of Tool Steel Mold after Quenching

ZHAO Ming-wen (Shandong Vocational College of Industry

&Department of Electrical and Mechanical Engineering, Zibo256414, China)

Abstract: The testing methods on the standard or non-standard use and design method of laboratory; the selection and confirmation of the expanded and modified standard method before using or subsequent changing; to provide objective evidence through validation to ensure the methods applicable and effective.Key words: test methods; method validation; data control

Abstract: In the mold production, drilling account for a large proportion especially with the development of machinery industry. The requirements of the molds and the quality of the molds have put forward a very high demand. Therefore, to improve the quality of the molds and how to take the advanced and reasonable processing have been attached more and more attention. In this article, processing technology(after quenching) of small deep hole drilling(Ф1.5~Ф6) was overviewed, on the basis of practice and experience for mold machine in Machining Repair Factory of Zhangdian iron and steel works for the past twenty years.

Key words: small deep hole; surface hardness; quenching; reaming process; allowance; surface structure; machining accuracy

11-07-150 Improving Automobile Fuel Efficiency Measures

MO Chi-biao(Jiangmen Polytechenic, Jiangmen529090,China)

Abstract: we first introduce the concept of automobile fuel economy, then describes the influence of automobile fuel economy, some factors and finally from the technology and driving forward two layers of automobile fuel economy is improving measures.Key words: automobile; fuel efficiency; measures

11-07-153 The Parameter of Grounding Transformer and Protect Calculate

XU Kai(Sunten Electric Equipment Co., Ltd, Foshan 528300, China)

Abstract: The text introduce advantage of ZN grounding transformer, lists calculation methods with how to choose its capacity. Get across to account of grounding transformer grounding protect scheme and setting valve,explain short circuit current does not depend on impedance voltage.

Key words: grounding transformer; connect; capacity; protect; set; calculate

11-07-136 Radial Drill Drilling Machine Main Axle Processing Process Study and Research

PENG Cheng-song(Guangdong Science Center, Guangzhou510006,

China)

Abstract: In view of the radial drill drilling machine main axle is tall and slender, the precision is high, the structure complex, is not easy to process, summarizes question which in the processing process easy to appear, improves its craft route reasonably, thus formulates a set practical, the stable processing technique.

Key words: radial drill drilling machine; main axle; processing craft

11-07-159 Application of Mineral Casting in Manufacturing

XIANG Fei(Guangdong Machinery Research Institute, Guangzhou510635,

China)

11-07-139 Development Status and Trend Analysis of 20kV Medium Voltage Power Distribution

DU Ping(Zhuhai Guangda Electrical Equipment Co., Ltd, Zhuhai519075,

China)

Abstract: Introduced domestic and foreign development status of 20kV medium voltage power distribution, lists the 20 kV medium voltage power distribution advantage than 10kV medium voltage power distribution, points out the 20kV medium voltage power distribution promotion ideas, principles and trends, proposed the final-round promotion of 20kV power medium voltage distribution is a long process.

Key words: electrical Engineering; voltage class; 20kV medium voltage power distribution; developments and trends

Abstract: Based on the properties of mineral casting, improvements on manufacturing equipment and applications are introduced. And manufacturing of mineral casting piece and the relative technology are discussed.

Key words: mineral casting; properties; application

11-07-162 A Brief Analysis on the stainless Steel Tank Container Inspection Points

CHEN Wei-chao(Zhongshan Zhonghua Tank Containers Ltd,

Zhongshan528451, China)

11-07-144 The Development of Folding Lorry-Mounted Crane Boom

LI Guo-hua(Shaoguan City Crane Limited Company, Shaoguan512025)Abstract: Most boom styles of folding lorry-mounted crane are hexagon. The early general structures of the boom are four-welding seams structure or two-welding seams structure in Chain. These two structures must be connected by four welding seams and two welding seams respectively. In recent years, with the development of lorry-mounted crane there is a new hexagon boom structure which just has one welding seam. The characteristic of different structure style have been introduction following.

Key words: folding lorry-mounted crane; bend; one welding seam; hexagon boom

Abstract: It introduces stainless steel tank container inspection item in the production process, inspection instruments and notes.Key words: tank container; inspection; essential

11-07-165 Application of Low-Temperature Heat Pump Technology in Rail Vehicle Air Conditioning

WANG Xing-jiang(Guangzhou Zhongche Railway Vehicles Equipment Joint-Stock Co., Ltd, Guangzhou510285, China)

Abstract: This paper analyzes the main technical problems and countermeasures in the running of rail vehicle heat pump air conditioning unit at low temperatures, and discusses application of low temperature intense heat scroll compressor in the rail vehicle air conditioning by the use of heat economizer and jet enthalpy increase technology to improve the air source heat pump applications in low temperature and significantly improves the technology of heat capacity and energy efficiency, so that the application of rail vehicle air-source heat pump in cold regions becomes a reality.

Key words: rail vehicle; low-temperature; heat pump; air conditioning

11-07-147 Brief Discussion on Testing Method of Laboratory and Confirmation

CAO Jian-jun1, ZHAO Wen-ping,2(1. Guangdong Machinery Research