Энергосберегающие системы кондиционирования и вентиляции пассажирских вагонов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Энергосберегающие системы

кондиционирования и вентиляции пассажирских

вагонов

А. Л. ЕМЕЛЬЯНОВ, канд. техн. наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУНиПТ) В. М. КОЗИН, канд. техн. наук, доцент, СПбГУНиПТ В. В. ЦАРЬ, аспирант, СПбГУНиПТ

В статье описаны методы энергосбережения, используемые в современных кондиционерах на железнодорожном транспорте: применение теплового насоса, вентильных электродвигателей, совершенствование алгоритма автоматического управления электрооборудованием и статических преобразователей питания для электродвигателей кондиционера.

Современный пассажирский вагон — весьма нагруженный агрегат в энергетическом отношении. При установленной предельной мощности подвагонного генератора 32 кВт проблема энергосбережения (или эффективного ее использования) для вагонов с автономным электроснабжением оказывается весьма актуальной. В целом та же проблема стоит и в случае поездов постоянного формирования с централизованным электроснабжением.

Большие возможности для экономии энергии в вагоне содержатся в системе кондиционирования воздуха (СКВ) и отопления. Из указанной мощности генератора на долю СКВ летом и на вентиляцию и отопление в переходный период приходится около 22 кВт. Зимой дополнительно включается электроподогрев либо система водяного отопления от котла, элементы которого питаются от централизованной системы высоковольтного электроснабжения. Основные направления и варианты реализации энергоэффективных систем кондиционирования пассажирских вагонов намечены авторами в работах [1, 2]. На основании многолетнего опыта создания и эксплуатации СКВ для подвижного состава отметим высокую эффективность следующих путей энергосбережения в пассажирских вагонах, вагонах-ресторанах и вагонах электроподвижного состава:

• использование в СКВ реверсивного режима холодильной машины — «тепловой насос»;

• применение вентиляторов с двигателями вентильного типа с прямым (минуя подвагонный преобразователь) питанием постоянным током от генератора либо в аварийном режиме от аккумуляторных батарей;

• покупейное (индивидуальное) управление расходом и температурой приточного воздуха;

• оптимизация алгоритма автоматизированного управления СКВ;

• применение встроенных в кондиционер преобразователей постоянного тока от генератора в переменный для питания компрессора и вентиляторов, отказ от подвагонного размещения преобразователей в громоздких стальных ящиках;

• использование облегченных материалов и комплектующих, в частности, изготовление рамы кондиционера из высокопрочных алюминиевых сплавов;

• уменьшение нормативных требований по холодопроизводительности.

Рассмотрим эти направления снижения энергопотребления подробнее.

Режим теплового насоса (ТН). Для подвижного состава железных дорог начал применяться в Японии более 30 лет назад. К 1982 г. на линии Токио — Осака в эксплуатации находились 4200 вагонов, оборудованных кондиционерами с теплонасосным режимом отоп-

ления [3]. В этом режиме в холодильном контуре кондиционера используется обратный цикл, но испаритель и конденсатор меняются своими функциями вследствие изменения направления движения холодильного агента. Конденсатор становится испарителем для хладагента, забирающего тепло из окружающей среды и передающего его в испаритель. От испарителя, выполняющего роль конденсатора, полученное тепло с воздухом передается в вагон с помощью вентилятора. Эффективность ТН, определяемая отношением отданного в вагон количества тепла к затраченной работе, зависит от физических свойств хладагента, температуры окружающей среды, конструктивных особенностей холодильной машины (типа компрессора, площади теплообменников) и других факторов. Для хладона R134а в области температур наружного воздуха от -10 до +16 °С коэффициент преобразования принимает значения от 1,5 до 4, т. е. на каждый потребляемый от сети вагона 1 кВт мощности в вагон подается от 1,5 до 4 кВт тепла.

Применение режима ТН позволяет с высокой степенью энергоэффективности дополнительно решить следую -щие задачи:

• в период перехода с летнего на зимний режим функционирования СКВ вагона существует диапазон наружной температуры (от +8 до +11 °С), когда мощности существующих низковольтных калориферов недостаточно; водяной калорифер включают только после поступления приказа на включение высоковольтного отопления при устойчивой температуре наружного воздуха ниже +8 °С; в этот период можно обеспечивать стабильное отопление вагона кондиционером с ТН;

• при помощи ТН обеспечивается стабильное отопление вагона до темпе-

Рис. 1. Схема пневмогидравлическая кондиционера с тепловым насосом

ратуры наружного воздуха -10 °С; при этом не отмечается резкого снижения температуры воздуха в вагоне, если пропадает высокое напряжение;

• использование ТН для отопления вагона при аварии высоковольтных трубчатых электронагревателей (ТЭН) котла предпочтительнее, так как ТН, в отличие от перехода на угольное отопление котла, практически без инерции обеспечит подачу теплого воздуха в вагон.

В России первый транспортный кондиционер с теплонасосным режимом отопления УКВ ПВ(Т) был разработан фирмой «ЛАНТЕП» при участии сотрудников ВНИИЖТ и в 2002 г. был установлен на вагоне модели 61-4179Э производства ОАО ТВЗ [4]. В 2002-2010 гг. авторами данной статьи был разработан типоразмерный ряд транспортных кондиционеров с теплонасосным режимом отопления, которые используются в подвижном составе с 2003 г. За это время было изготовлено и установлено более 1600 кондиционеров, в том числе около 400 штук в пассажирских вагонах и вагонах-ресторанах новой постройки производства ЗАО «ВАГОН-МАШ» и в процессе КВР-2 на ряде вагоноремонтных заводов России, Украины и Белоруссии. На рис. 1 приведена

принципиальная пневмогидравличес-кая схема вагонного кондиционера с ТН, на рис. 2 — его общий вид.

Кондиционеры прекрасно себя зарекомендовали: автоматически переходили на режим отопления вагона при понижении температуры до 16 °С и ниже. В результате проведенных испытаний установлено, что до температуры -8 °С система отопления в вагоне может не включаться при сохранении комфортных условий для пассажиров. Средняя величина коэффициента преобразования во всем диапазоне значений температуры составляла 2,3. Экономия потребляемой энергии на отоплении — в среднем около 10 кВт на вагон в весенний и осенний переходные периоды. В пересчете на состав из 15 вагонов годовая экономия электроэнергии составляет не менее 324 000 кВт-ч. Полученные значения экономии электроэнергии согласуются с приводимыми в [4] для кондиционера УКВПВ(Т). Однако применение ТН в пассажирских вагонах зачастую тормозится, так как сложно поддерживать нормативный перепад температуры по высоте вагона при традиционной схеме воздухораспределения с подачей воздуха «сверху вниз». Поэтому в вагонах с системой подачи воздуха в верх-

нюю зону для снижения перепада температуры по высоте в холодный период года возможно использование жидкостного отопления с температурой теплоносителя не выше +30 °С. Стоимость кондиционера с тепловым насосом увеличивается незначительно, причем увеличение стоимости оправдывается в первый год эксплуатации вагона.

Использование для вентиляторов двигателей с вентильным приводом (с электронной коммутацией). Вентиляторы с указанным приводом для использования в транспортных СКВ в российских условиях по нашему заданию были разработаны фирмой «ЕВМРЛРЭТ» (Германия) [5] и в 2002-2003 гг. тщательно изучены сотрудником ВНИИЖТ, канд. техн. наук Ю. И. Калинкиным во всех возможных рабочих и аварийных режимах. Вентиляторы с вентильными двигателями сохраняют работоспособность при изменении питающего постоянного напряжения в диапазоне 85-145 В (при номинальном значении 110В).

В кондиционерах для пассажирских вагонов для обдува испарителя используются два центробежных вентилятора типа R3G 310, совместно обеспечивающие расход воздуха в вагон до 4500 м3/ч по двум каналам и напор 300 Па.

• НАУКА

Рис. 2. Общий вид кондиционера УК ПВ

Технические характеристики кондиционера УК ПВ:

Холодопроизводительность — 28,0 ± 2,0 кВт;

Теплопроизводительность:

в режиме теплового насоса — 20,0 ± 2,0 кВт; при работе электрокалориферов — 6,0 ± 0,5 кВт;

расход обрабатываемого воздуха (в том числе наружного) — 4000 (1400) ± 500 м3/ч;

Установленная электрическая мощность, не более: компрессора — 11,0 кВт; вентиляторов конденсатора — 2,6 кВт; приточных вентиляторов — 1,6 кВт;

Параметры электропитания:

входное напряжение по цепям управления — 110 В постоянного тока;

Электропитание:

компрессора 88 — 308 В; трехфазный; 20-70 Гц; U/f = const;

вентиляторов — 110 В постоянного тока;

ТЭН — 110 В постоянного тока;

масса не более 500 кг;

габариты 2400 х 1700 х 660 мм.

Для обдува конденсаторов используются четыре осевых вентилятора типа S3G 400 с общим расходом 10 500 м3/ч. Вентильные двигатели обладают высокой надежностью: за восемь лет эксплуатации 400 вагонов отказов кондиционеров по их вине не отмечалось.

Применение вентиляторов с вентильным приводом позволило:

• отказаться от двух каналов статического подвагонного преобразователя;

• снизить суммарное энергопотребление вентиляторов на 2 кВт (с 6 кВт для асинхронных до 4 кВт для вентильных);

• обеспечить в аварийном режиме в течение 17 ч. подачу наружного воздуха в вагон по санитарным нормам с питанием вентиляторов от аккумуляторной батареи при нормальной работе других систем вагона, потребляющих электроэнергию;

• уменьшить существенно массу всей системы;

• создать в вагонах-ресторанах условия для раздельной обработки воздуха, подаваемого в салон и на кухню;

• плавно регулировать расход воздуха в вагоне и в отдельных купе;

• повысить надежность всей системы кондиционирования за счет использования двух вентиляторов для испарителя и четырех для конденсатора, а также за счет исключения двух каналов статического подвагонного преобразователя.

Использование одноканально-го преобразователя в объеме кондиционера. В кондиционерах, применяемых в серийных пассажирских вагонах, используются трехканальные статические преобразователи постоянного тока в переменный DC/AC для обеспечения питания и регулирования производительности компрессора и асинхронных двигателей вентиляторов. Преобразователи располагаются под вагоном, что заметно усложняет их диагностику и обслуживание. Авторами совместно с СП «ГАМЕМ» разработан кондиционер с размещением одноканального преобразователя в объеме кондиционера. Доступ к нему обеспечивается из тамбура вагона через специальный люк в днище кондиционера. При таком решении масса

кондиционера со встроенным преобразователем и рамой, выполненной из сплава АМГ-6, составила 550 кг, что почти на 500 кг меньше в комплекте «кондиционер-преобразователь», чем у серийных аналогов [4]. Важно также, что существенно улучшились температурные и влажностные условия работы преобразователя, повысилась его надежность, упростилось обслуживание.

Покупейное управление микроклиматом. Вносит существенный вклад не только в повышение энергоэффективности вагона, но и в температурный комфорт каждого купе. При достижении индивидуального комфорта реализуется возможность недопущения переохлаждения (перегрева) воздуха (т. е. однозначного перерасхода электроэнергии) в каждом купе. Если в некоторых купе с установленным режимом «Охлаждение» находятся пассажиры, желающие повысить температуру воздуха, то текущая холодопроизво-дительность кондиционера будет снижена, а значит, будет снижено и энергопотребление. При этом система управления СКВ автоматически уменьшает общий расход воздуха в вагоне, уменьшая частоту вращения приточных вентиляторов.

Системы индивидуального управления температурой воздуха в купе рассмотрены в работе [6]. Показано, в частности, что индивидуально управлять температурой воздуха в купе можно, изменяя либо его расход, либо температуру на входе. Установившийся скачок температуры воздуха в купе, возникающий в случае принудительного увеличения входной температуры ¿х0 на величину А!ех, а расхода воздуха Ь0— на величину АЬ, определяется выражением

де=с„ [(¿о +А£)ЧХ -Аф0 -;вх>0)] аИ+ ср (¿0+АЬ)

где Ь0, ©0 — номинальные значения установленных расхода и комфортной температуры;

ср — изобарная объемная теплоемкость воздуха;

В — внутренняя поверхность купе;

а — коэффициент теплоотдачи для этой поверхности.

Из расчетов следует, что при уменьшении расхода воздуха в купе от 360 до 200 м3/ч в течение трех минут температура воздуха в купе изменяется на 2-4 °С [6].

Это выражение может служить ориентиром при решении обратной задачи, когда возникает необходимость считать заданным параметр А0 и через

него подбирать необходимые скачки параметров Д^ и ДЬ.

Вопросы оптимизации алгоритма управления СКВ. На этапе подготовки вагона к рейсу целесообразно использовать режим интенсивного продува вагона наружным воздухом, а кондиционер включать только с началом движения [1]. При оптимизации алгоритма работы электрооборудования систем отопления, вентиляции и кондиционирования в плане энергоэффективности потребления основная задача состоит в исключении перегрева (переохлаждения) вагона во время движения, т. е. в поддержании параметров микроклимата в достаточно узком диапазоне, соответствующем требованиям санитарных правил на железнодорожном транспорте (СП 2.5.1198-03). Необходимо отметить, что до сих пор в пассажирских вагонах в системах управления кондиционированием главным образом используется только пропорциональный закон регулирования температуры воздуха в салонах и купе. Однако в последних проектах стало реа-лизовываться плавное управление расходом воздуха и теплопроизводи-тельностью ТЭН низковольтных калориферов. Кроме того, алгоритм работы

СКВ предусматривает автоматическое поддержание давления конденсации в кондиционере с помощью плавного регулирования частоты вращения электродвигателей для вентиляторов конденсатора. В случае такого подхода исключаются потери энергии на пусковые токи электродвигателей по сравнению с регулированием давления конденсации простым включением (выключением) и тем более не допускается перерасход энергии, если регулирование не выполняется.

Влияние конструкции вагона. В последние годы отечественные производители пассажирских вагонов добились существенного снижения эффективной тепловой проводимости вагона до 0,8-0,9 Вт/(м2-К), используя герметичные двери, двухкамерные оконные блоки и улучшая тепловую изоляцию вагона. Это достижение позволяет обеспечить нормативные санитарные требования по температуре в вагоне при уменьшении холо-допроизводительности кондиционера для купейных вагонов до 15-18 кВт с соответствующим снижением энергопотребления СКВ до 10-12 кВт и массогабаритных характеристик до 350 кг. Такие кондиционеры для электроподвижного состава имеются в ак-

тиве разработчиков и могут быть предложены вагоностроителям для пассажирских вагонов.

Литература

1. Емельянов А. Л., Царь В. В. Моноблочный кондиционер для купейных вагонов: варианты исполнения // Системы вентиляции, кондиционирования и отопления в пассажирских вагонах: Сб. докл. науч.-практ. семинара / Под ред. докт. техн. наук, проф. С. Е. Буравого. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2001. - С. 72-77.

2. Буравой С. Е., Платунов Е. С., Царь В. В. Тепловой режим пассажирского вагона на различных этапах эксплуатации // Там же. С. 58-71.

3. Бартош Е. Т. Тепловые насосы в энергетике железнодорожного транспорта. - М: Транспорт, 1985.

4. Жариков В. А. Климатические системы пассажирских вагонов. — М.: ТРАНСИНФО, 2006.

5. Каталог изделий фирмы «EBMPAPST». 2009.

6. Емельянов А. Л., Буравой С. Е., Плату-нов Е. С. Системы индивидуального регулирования температуры воздуха в купе пассажирского вагона // Электрон. науч. журнал «Холодильная техника и кондиционирование» С.-Петерб. гос. ун-та низкотемпературных и пищевых технологий. — 2007. — № 1. — [№ гос. регистрации 0421000118; www.refrigeration.open-mechanics.com]