鐵路客車冬季熱泵式空調(diào)取暖可行性分析

    【中國(guó)制冷網(wǎng)】摘要：目前我國(guó)鐵路空調(diào)客車冬季取暖仍然以電加熱器取暖為主，電加熱器取暖方式操作簡(jiǎn)單、基本滿足客車取暖的要求。但是，由于現(xiàn)在能源狀況趨于緊張，對(duì)于冬季取暖仍然以電加熱器取暖為主的鐵路客車而言，就顯得有些浪費(fèi)能源。借助已得到廣泛應(yīng)用的房間熱泵空調(diào)技術(shù)，通過(guò)理論計(jì)算與分析，對(duì)在南方地區(qū)運(yùn)行的鐵路空調(diào)客車冬季采用熱泵取暖的可行性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面進(jìn)行分析，認(rèn)證了鐵路空調(diào)客車冬季采用熱泵空調(diào)取暖的可行性。

    關(guān)鍵詞：鐵路客車 熱泵 供熱分析
    

    1 鐵路客車供熱現(xiàn)狀及問(wèn)題

    隨著鐵路運(yùn)行速度的不斷提高，客車空調(diào)化是必然的進(jìn)程，如何使鐵路空調(diào)客車安全、快速、舒適、健康、高效運(yùn)行，是鐵路大提速的重要課題。目前我國(guó)鐵路客車冬季取暖以電加熱器取暖為主，電加熱器取暖方式操作簡(jiǎn)單、基本滿足客車取暖的要求；北方地區(qū)部分客車采用燃煤爐獨(dú)立溫水取暖裝置，該裝置也能達(dá)到客車取暖的要求，但乘務(wù)員操作強(qiáng)度增加，客室空氣易被煤灰與煤煙污染；而電加熱器耗電量太大，熱效率不高，使用成本偏高，有的客車為了降低能耗，或避免火災(zāi)隱患，確保行車安全，行車中關(guān)閉車頂空調(diào)機(jī)組內(nèi)新風(fēng)預(yù)熱器或通風(fēng)機(jī)，以減少新風(fēng)量，這樣嚴(yán)重影響了客室的空氣品質(zhì)，在南方地區(qū)運(yùn)行的客車，其車廂兩側(cè)的電加熱器使用時(shí)間極短，使用效率極低。因此上述兩種取暖都不是理想的取暖方式。近年來(lái)熱泵技術(shù)在空調(diào)制冷行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)也日益成熟，本文側(cè)重于對(duì)鐵路客車空調(diào)冬季采用熱泵取暖進(jìn)行探討。

    2 熱泵技術(shù)在空調(diào)客車上使用的可行性分析

    2．1冬季客車熱負(fù)荷計(jì)算

    2．1．1車內(nèi)所需要的供熱量

    冬季鐵路客車車內(nèi)所需熱量的計(jì)算公式為：Q=Q1+Q6-Q3-Q5

    式中：

    Q1――車內(nèi)外溫差通過(guò)車體隔熱壁損耗的熱量，并考慮車門窗泄漏的熱損失，一般泄漏熱損失按Q1計(jì)算，則：Q1=KF

    Q6――送入車內(nèi)Gkg／s空氣所需的加熱量，Q6=GC’p=GHC’p

    其中tH――車內(nèi)空氣設(shè)計(jì)計(jì)算溫度；

    tB――外氣設(shè)計(jì)計(jì)算溫度；

    tn――空氣加熱后的送風(fēng)溫度；

    tc――空氣加熱前的混合空氣溫度；

    C’p――一空氣比熱；

    Q3――n名旅客每小時(shí)散發(fā)的顯熱量，每人小時(shí)按64.55W計(jì)算；

    Q5――通風(fēng)機(jī)與照明等散發(fā)的熱量。

    計(jì)算時(shí)，取外氣溫度為-7℃，車內(nèi)溫度為18℃，泄漏的熱損失系數(shù)為1.15，車體傳熱系數(shù)K=1.5W/，車體傳熱面積F=310m2來(lái)計(jì)算，則有：

    Q1=1．15KF=1.151.5310）=13.369

    硬座車所需熱量：取定員為119人，新風(fēng)量為20m3/h.人，則：

    Q6=GHC’p=16.726kW

    Q=22.414kW

    硬臥車所需熱量：取定員為67人，新風(fēng)量為20m3/h人

    Q6=9.417

    Q=18.461kW

    軟臥車所需熱量：取定員為37人，新風(fēng)量為20m3/h人

    Q6=5.2

    Q=16.181kW

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空調(diào)價(jià)格指數(shù)：V型反彈短期或?qū)㈦y實(shí)現(xiàn)歐洲空調(diào)經(jīng)銷商定單由日向中國(guó)海爾傾斜天津第四屆高校暖通空調(diào)設(shè)計(jì)賽舉行(圖)

    2．1．2單元式空調(diào)機(jī)組熱泵循環(huán)供熱量的理論計(jì)算

    根據(jù)不同工況下制冷量換算公式Q0b=Q0aλbqvb/λaqva，可計(jì)算出不同工況下的制冷量。對(duì)于KLD-29PQ和KLD-40PQ而言，其名義制冷量Q0a=29.07kW和Q0a=40.7kW時(shí)，查相關(guān)圖得λb、λa；再由制冷系統(tǒng)換熱器計(jì)算公式QK=Q0+W，可得到在不同外氣條件下，單元式空調(diào)機(jī)組一個(gè)制冷系統(tǒng)熱泵循環(huán)時(shí)的產(chǎn)熱量分別如表1所示：

    不同外氣溫度條件下單元式熱泵式空調(diào)機(jī)組的供熱量表1

    冬季不同客車 車種在-70C時(shí)，其所需熱量與電加熱器、單元式空調(diào)機(jī)組熱泵的產(chǎn)生熱量如表2所示：

    電加熱與單元式空調(diào)熱泵方式供熱量比較表2

    25．372kW

    18．011kW

    18．011kW

    注：YZ25車用兩臺(tái)KLD-29機(jī)組，共4個(gè)制冷系統(tǒng)；YW25與RW25車均用一臺(tái)KLD-40機(jī)組，共2個(gè)制冷系統(tǒng)。

    2．2用電量比較

    現(xiàn)行的客車冬季的供熱都采用電加熱的方式，每車種所耗電量及單元式空調(diào)熱泵循環(huán)時(shí)的耗電量如表3所示：

    電加熱器與單元式空調(diào)熱泵耗電量表3
    

    電加熱器用電量
    熱泵用電量

    YZ25
    
         16KW

    YW25
    
         20．7KW

    RW25
    

    2．3經(jīng)濟(jì)性比較

    房間空調(diào)器的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與室內(nèi)、室外的空氣狀態(tài)有十分密切的關(guān)系，性能系數(shù)是通常用來(lái)定量反映運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的理論指標(biāo)，熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)為：

    COPT=供熱量／消耗功率=T0／

    式中：COPT--理論性能系數(shù)，W／W；

    T0--室內(nèi)空氣溫度，K；

    T1--室外空氣溫度，K。

    考慮到種種熱力不完善因素對(duì)實(shí)際熱泵系統(tǒng)效率的影響，實(shí)際熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)可以用下式表示為：COP=ξCOPT=ξ

    式中：COP--實(shí)際性能系數(shù)，W／W；

    ξ--熱力完善度。

    根據(jù)有關(guān)資料表明，當(dāng)T1=-19℃，T0=20℃時(shí)，性能系數(shù)的計(jì)算值僅為COP=1.0W/W。此計(jì)算結(jié)果的物理意義就是，假如系統(tǒng)的熱力完善度不變，當(dāng)室外氣溫降低至-19℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)的耗電量等于供熱量，從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的角度而言，熱泵循環(huán)與電熱供熱方式已經(jīng)相等，隨著氣溫進(jìn)一步將降低，熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性將低于電熱器。而在我國(guó)的長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū)，冬季氣溫一般都在-5℃以上，即使非凡氣候也不會(huì)起過(guò)-19℃。因此在這些地區(qū)采用熱泵制熱所消耗的電量肯定小于純粹的電加熱所需要的用電量。

    同理現(xiàn)在的客車供熱如采用熱泵供熱，其消耗的電量小于現(xiàn)行的電加熱所需要的用電量，客車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性是顯而易見(jiàn)，同時(shí)，單元式空調(diào)機(jī)組的電加熱器和客車車廂兩側(cè)的電加熱器也可以取消，降低了客車的制造成本。

    2．4可靠性分析

    熱泵技術(shù)的廣泛應(yīng)用是由于，在一定的運(yùn)行條件下，與相同耗電量的電熱器相比，熱泵能夠提供數(shù)倍的供熱量，但是，熱泵的運(yùn)行特性受運(yùn)行條件影響很大，尤其是室外氣溫。在室外氣溫較低時(shí)，南方地區(qū)濕度較大時(shí)，熱泵空調(diào)面臨的主要問(wèn)題是室外換熱器的融霜和壓縮機(jī)的運(yùn)行情況。根據(jù)GB/T7725-1996《房間空氣調(diào)節(jié)器》規(guī)定，熱泵制熱運(yùn)行超低溫工況是室外空氣溫度為干球溫度-7℃，對(duì)應(yīng)的濕球溫度-8℃。而GB／T15765-1995《房間空氣調(diào)節(jié)器用全封閉型電動(dòng)機(jī)一壓縮機(jī)》規(guī)定，其適用范圍是蒸發(fā)溫度在-15～15℃之間的房間空氣調(diào)節(jié)器用全封閉型電動(dòng)壓縮機(jī)。

    雖然壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有直接說(shuō)明對(duì)應(yīng)的空調(diào)器在熱泵運(yùn)行方式時(shí)，室外溫度是多少，不過(guò)，根據(jù)目前房間空調(diào)器的實(shí)際技術(shù)配置狀況，在熱泵制熱運(yùn)行時(shí)，熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度與室外側(cè)空氣進(jìn)風(fēng)溫度相差5～10℃來(lái)推算，在蒸發(fā)溫度為-15℃時(shí)，室外空氣溫度約為-5～10℃之間。而在我國(guó)的長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū)，冬季氣溫一般都在-5℃以上，一年中氣溫低于-7℃的時(shí)間也是很少的。從而說(shuō)明在我國(guó)的長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū)客車如采用熱泵循環(huán)還是可靠的。

    3 結(jié)論

    從理論分析可知，雖然熱泵供熱量隨著氣溫的下降而減弱，但我國(guó)長(zhǎng)江以南地區(qū)運(yùn)行的鐵路空調(diào)客車冬季取暖可采用熱泵供熱，即能保證乘客所需的新風(fēng)量，也能滿足冬季客車舒適、健康的要求。

    由經(jīng)濟(jì)性比較，采用熱泵取暖不僅熱效率高，耗電量小，降低了客車日常費(fèi)用，還可以取消車廂兩側(cè)電加熱器，降低客車制造成本。

    假如能解決熱泵空調(diào)冬季結(jié)霜與融霜的問(wèn)題，熱泵技術(shù)在空調(diào)客車上使用是完全可行，且能確保行車安全。
    

    參考文獻(xiàn)：

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    2、蔣能照．空調(diào)用熱泵技術(shù)及應(yīng)用．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997年

    3、陳沛霖，岳孝芳．空調(diào)與制冷技術(shù)手冊(cè)．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990年

    4、黃遜青．家用電器科技．2002，7：60～63

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空調(diào)價(jià)格指數(shù)：V型反彈短期或?qū)㈦y實(shí)現(xiàn)歐洲空調(diào)經(jīng)銷商定單由日向中國(guó)海爾傾斜天津第四屆高校暖通空調(diào)設(shè)計(jì)賽舉行(圖)