城市軌道車輛空調系統

摘　要　通過對城市軌道交通運輸特點的介紹,提出了一些可供其車輛空調系統參考的設計方法,以及車內外夏季空氣參數的選取依據及計算實例,討論了車輛空調系統的空調機組及通風系統的要求和特點。
關鍵詞　城市軌道交通,車輛,空調系統
城市軌道交通車輛空調系統的設計,除要考慮到城軌交通的一般特點(運量大、快捷、安全、舒適、站點密集、上下車乘客交換頻繁、有一定的運行時間段、車輛部件具備較高可靠性) 之外,還要考慮以下因素: ① 各城市間城軌車輛運營環境不同。我國幅員遼闊,即使目前規劃或在建城軌項目的各城市之間差別也很大,南到廣州,北到長春,東到上海、青島,西到西安,氣候條件必須予以具體考慮,具體設計,實施時要有側重。② 乘員多。城軌交通線路一般穿越城市中心及商業繁華地帶,客流密集。目前十多個城市旅游人口很多,因此除了上、下班時間乘座高峰期,其他時段乘客流量也很大。以下對車輛空調系統各部分分別加以分析。
1 　車內、外空氣參數
1. 1 　車輛空調標準
目前我國還未制訂城市軌道交通車輛的空調標準。下面介紹的是我國現行國標及鐵標對鐵路客車舒適環境作的相關標準規定值:
1. 《公共交通工具衛生標準》GB9673 -1996 旅客列車車廂衛生標準值為:溫度,冬季18～ 20 ℃,夏天24～28 ℃;相對濕度,40 %～70 % , 垂直溫差, ≤3 ℃;微風速, ≤0. 5 m/ s 。
2. 《客車空調設計參數》TB1951 -87
北京以南地區干線鐵路選擇空調客車的外氣計算參數為:
a. 夏季外氣計算溫度35 ℃,相對濕度60 % ;
b. 冬季外氣計算溫度-14 ℃;
c. 夏季客室內氣溫24～28 ℃,相對濕度40 % ～65 % , 最高不超過70 % ;
d. 冬季客室內氣溫18～20 ℃,相對濕度不低于30 % ;
e. 客室內同一水平面和同一鉛垂線的最大氣溫差均不超過3 ℃;
f . 客室內微風速,夏季≤0. 35 m/ s , 冬季≤0. 2 m/ s 。

城軌車輛與干線鐵路車輛結構特征相似,但就其空調系統而言,因城軌交通的運行特點而有其特殊性。從分析乘客在乘坐車輛的具體情況可看到, 上面的標準規定的舒適值是基于人體在空調空間中長時間停留的穩定狀態得出的,人員在車輛中可適當增減衣物,以達到個人的舒適要求。但在城軌車輛運行中,乘員最長的乘坐時間也不過半小時, 絕大部分乘客只有幾分鐘乘坐時間。雖然在空調技術中以數值的方式規定了乘客舒適范圍,但舒適的感覺是人體生理及心理條件決定的。當炎熱夏季從戶外進入有空調或通風的房間時,健康人員的生理要求是散去身體表面熱量,蒸發掉汗液;心理要求是能盡快降溫或通風達到生理的要求。這是一個瞬態人體條件變化中舒適概念。但人體的生理活動變化是一個復雜過程,受心理活動、環境變化等等因素制約,而且變化平緩,所以人員在環境條件變化時,個人舒適感會有一個過渡期,在經過過渡區后才達到穩定狀態。在乘客乘坐城軌車輛過程中,乘客基本處于典型的過渡過程中。夏季, 人們從戶外進入候車廳(如果有的話),隨即進入車內,生理及心理的舒適要求為能夠快速將身體表面熱量帶走以便獲得舒適感;但在實際乘車過程中, 往往乘員在沒有到達穩定狀態或剛剛獲得了涼爽感覺時就已到站下車了。冬季里,人們穿著較厚的戶外冬裝,皮膚表面溫度低,即使在乘坐沒有采暖的普通車輛情況下,群集度較高時人們也會獲得溫暖感覺。當有采暖時,在人們乘車不能脫下外衣情況下,車內溫度過高,乘員會產生悶熱感甚至會出汗,造成人體不舒適。故而冬季乘坐城軌車輛的生理及心理舒適度要求不如夏季乘車迫切,只要在車內溫度高于外界溫度情況下,就會獲得舒適感,而且乘員很快會下車走入戶外。所以冬季車內舒適情況也比較特殊。下面分別對車內外空氣設計參數的制定作簡單討論。
1. 2 　參數制定
1. 2. 1 　夏季外氣計算參數
在選擇外氣計算溫度時,要依照當地的氣候條件,根據累計氣象資料提出相應的外界溫度要求。我國對全國大中城市氣象進行了統計,推薦了外氣計算參數。因此各地可依此作參考。考慮氣候的變暖趨向,要提出最高外氣溫度,以便在最高外氣溫度條件下,空調系統尚能工作,車輛還能獲得一定的室內外溫差,保證車輛舒適度。
1. 2. 2 　夏季車內計算參數選取
影響人體舒適的因素一般有以下幾項:空氣溫度、空氣流速、相對濕度、水平溫差、垂直溫差、輻射的均衡性、二氧化碳含量、含塵量等等。但是這些參數都滿足是很困難的。尤其是公共使用空間,一般著重控制的是空氣溫度和氣流速度兩項對舒適性最重要的參數。根據衛生學觀點認為:我國人民對夏季高溫適應性為28 ℃ 。結合相對濕度的適應性,當人體周圍溫度在26. 7 ℃ 以下時,濕度對人體影響不明顯;當溫度在28 ℃ 以上時,相對濕度對人體影響明顯;當相對濕度達到70 % 時,就感覺不舒服了。在空調技術中,控制好一定溫度,相對濕度不大于70 % 時,空氣的相對濕度對人體的影響很小。所以對于城軌車輛,在車內達到基本的溫、濕參數情況下,主要起影響作用的還是氣流速度。在選取標準工況時,目前大家普遍提出的溫度≤27 ℃,相對濕度≤65 % 的車內溫、濕度條件是合適的。但由于城軌車輛的乘員經常會有超員情況出現,所以車輛在考慮夏季耗冷量計算時要校核在超員情況下車內溫度,以確定合理的制冷量。目前有地鐵公司考慮車輛損耗、維護量等問題,以票價限定一定的乘員量,也是對車輛熱負荷限定的一個因素,可在運營時加以考慮。
保持一定的氣流速度是城軌車輛滿足乘員舒適性的必要條件。因為車輛的狹長特征,處于車長方向各個區段的回風量是不同的,所以車輛內部衡量乘客舒適的氣流速度以出風吹到人體表面的微風速為依據。這一點國內外的標準是一致的。關于氣流速度控制,一般認為在27 ℃ 時,氣流速度為0. 3～0. 35 m/ s 時能夠獲得較好的舒適感。但乘客停留區的氣流速度受空調機總風量的限制,獲得較高的氣流速度時空調機總風量要大,而擁有大風量通常需要空調送風機尺寸較大。由于城軌車輛提供給空調設備的使用空間較小,限制了空調機尺寸,如果要提供大風量,可能要改變風輪葉片角度、轉速等。這樣的話,車內噪音可能會高。因此空氣流速是個綜合問題,在設計當中需要綜合考慮。如,能否考慮將空調機置于車輛靠中間的位置,以縮短空調送風距離,使送風機在較低的壓頭下送出較高的風量等措施。
1. 2. 3 　冬季外氣計算參數的選取
因為車輛空調系統引入了新風,對于冬季外氣溫度較低的城市,適當增加空調供暖是必要的。冬季外氣最低溫度通常出現于1 :00～4 :00 之間。根據城軌車輛運輸的間歇性,冬季外氣計算溫度以本城市冬季通風外氣溫度為好,以適應城軌交通特點,滿足乘員舒適性,同時可以避免因供熱量過大引起車內溫度高,或供暖與通風交替運行時因通風時間長,供暖時間短而增加車內溫度的波動。
1. 2. 4 　冬季車內計算參數選擇
乘客的衣著對乘客有很大的影響。根據衣著對個人舒適感的影響,通常認為衣著熱阻每增加0. 1clo (clo 表示衣著保暖程度所采用的熱阻單位, 1clo = 0. 155 m2 ·K/W) ,周圍溫度應相對減少約0. 5 ℃ 才使人感到同樣的舒適。據此可確定車內計算溫度。考慮城軌車輛運行特點,當冬季人們穿著戶外冬裝乘座車輛時,車內溫度應參照采暖標準適當降低溫度,以提高車內舒適感。
1. 2. 5 　算例
以南京地鐵車輛冬季簡要計算為例,來說明冬季車內溫度的確定及空調加熱量的確定。
(1) 冬季外氣計算溫度
根據《采暖空調制冷手冊》,南京冬季通風計算溫度是2 ℃ 。以此可作為外氣計算溫度。
(2) 冬季車內空氣參數
根據我國冬季鐵路車輛采暖標準,室內空氣溫度為18～20 ℃ 。以成年男性為計算依據,在南京戶外活動時,正常室內冬裝要加一件長夾衣或厚短外衣,此時,衣著增加的熱阻約為0. 49～ 0. 53clo 之間。這樣,對于地鐵車輛,車內計算溫度可定為: 18 -0. 5 ×5 = 15. 5( ℃) 。
(3) 空調加熱量計算
計算參數確定為:車外溫度( tH) 為2 ℃;車內溫度( tB) 15 ℃(根據車內舒適溫度計算,暫定在車輛半負載情況下車內溫度為15 ℃); 新鮮空氣量( VX) 為3 200 m3/h ; 通風量( V0) 為10 000 m3/h ; 車內定員( n) 320 人;車體傳熱面積( F) 為242. 81 m2 ;車體傳熱系數( K),靜止時為2. 4 W/ (m2 ·h) , 車速為40 km/ h 時為3. 192 W/ (m2 ·h) ;
車輛熱平衡計算為: Q2+ Q3+ Q5= Q1+ Q6 式中:Q1 為車體傳熱;Q6 為新風負荷;Q2 為空調加熱量; Q3 為旅客散熱; Q5 為車內設備散熱(1 500 W) 。
其中:Q1 = KF(tB -tH)= 10 076 W
Q6 =VX/3 600 ×ρX CpX (tB -tH) × 103 = 14 939 W(ρX 為空氣高度,CpX 為
定壓比熱) Q3 = nq = 13 600 W 則有: Q2 = 9 915 W 根據電熱功率整數分配方法,可確定空調機供熱量為12 kW(兩臺空調每臺為6 kW) 。
(4) 校核車輛滿負荷時車內溫度狀況
當全部電熱運行時,Q3 = 27 200 W ,設車內溫度為tB1 ;根據熱平衡方程算得tB1 = 23.1 ℃ 。此時,室內外溫差為21 ℃ 。
當半電熱運行時,設車內溫度為tB2 。根據熱平衡方程算得tB2 =20 ℃ 。此時,室內外溫差為18 ℃ 。計算此時在空調機加熱器前空氣混合溫度(tN):
在壓力不變,且無相變的條件下,空氣內能為體積與溫度的函數。根據混合規律,
tN = [(V0 -VX)tB2 + VX tH ]/ V0 = 14.2 ℃
計算出風溫度(tC):
50 %Q2 = V0/3 600 ×ρN cpN (tC -tN) ×103 ,
則tC = 16 ℃ 。
此時車內出風溫度不算太高,乘客在此狀態下不致產生悶熱感覺,而且可通過空調控制通風與電熱交替運行來控制車內溫度。適當的熱余量可應付車輛停站開門熱量損失。所以空調供熱量定為12 kW 是可行的。
2 　空調機組
2. 1 　簡述
我國目前在干線鐵路上車輛空調已完全實現國產化,且產品質量過硬,并已隨車出口到其它國家。因此,軌道車輛空調系統的國產化不存在任何技術問題。
目前,我國擁有自主知識產權的第一列地鐵車輛已經開始由南京浦鎮廠、長客廠聯合制造。第一臺國產化空調系統已由石家莊國祥制冷設備有限公司制造完畢并已做完相應地面試驗,表明我國完全具備地鐵輕軌車輛空調系統完全國產化的能力。
上海、廣州進口地鐵車輛的空調系統在運行期間表露了一些問題。其實問題的發生主要還是空調系統不適合中國國情。我們知道,在西歐、北歐國家,夏季氣溫一般較低,高過32 ℃ 已經算難以忍受;而且在發達國家的乘員較少,乘坐率較低。這和我國人口眾多、氣溫較高有很大差別。在空調系統的設計上,就必須考慮這點,否則空調系統難以正常運行。
2. 2 　空調機
車輛空調系統,一般應達到小型輕量化、耐振性、阻燃性、水密性、可維護性(免維護性) 、耐蝕性、電源協調使用等要求。歸納起來,城軌車輛空調系統要具備以下特點: ① 小型輕量化; ② 可靠性高; ③ 免維護程度高。
2. 2. 1 　小型輕量化
小型輕量化是城軌車輛空調系統的顯著特點。由于城軌車輛一般比鐵路車輛小,高度低,運載量大,而空調機通常置于車頂部,這樣空調機體積重量受到一定限制。所以小型、輕量化是空調機要考慮的一個現實條件。近年來,石家莊國祥制冷設備有限公司連續采用一系列新技術來縮小空調機體積。如:采用臥式蝸旋式壓縮機;換熱器采用內螺紋管,增強換熱效果,減少換熱器體積;采用帶親水膜輕質鋁翅片,降低換熱器質量;引進高效進口風機等,在保證流量、噪音等要求下降低了體積及重量。北京地鐵的第一臺擁有我國自主知識產權的國產化地鐵空調機組充分采用了以上新技術。
2. 2. 2 　可靠性高
首先,車輛空調機的耐振性能要好。車輛在運用過程中會產生較大振動,因此車輛空調系統要具備耐振性能。我國鐵路標準TB/ T2432 -93 對車輛空調設備做了抗振要求及試驗標準。這個標準對運行條件好于鐵路車輛的城軌車輛空調系統來說,應該是完全適用的。
其次,耐腐蝕性好。現在城市的污染程度較大,尤其是沿海城市的鹽霧影響,對暴露在大氣當中的空調機的電機、換熱器殼體的耐腐蝕要求較高,因此空調機在設計、制造當中要充分考慮到這點。如采用防護等級較高的電機,并在電機外部配合處增加電機防護技術措施,在換熱器上采用耐酸、堿、鹽霧腐蝕的覆膜鋁翅片,并采用不銹鋼板材制造空調機殼體,可有效防止腐蝕發生,延長空調機使用壽命。
此外,根據車輛運行特點,空調機組制冷系統盡量采用多系統,避免使用單系統的空調機組。因為如采用單系統,當制冷系統出現問題時,整個空調機組就不能為車輛提供冷量。而多系統的空調機,當某一個系統出現故障時,另外的系統還可以工作,為車輛提供一定的冷量。以下是采用多系統的優點:
·制冷系統故障對雙系統或多系統的影響小;
·雙系統或多系統的空調機能使車內達到較穩定的溫度;
·由于雙系統或多系統的空調機壓縮機交替運行,壓縮機磨損壽命長;
·由于雙系統或多系統的空調機壓縮機分步啟動,啟動電流沖擊小。

2. 2. 3 　免維護程度高
安裝于車輛上的空調機并不能象地面制冷機組那樣,可以給檢修、維護人員一個易于檢視的環境和空間。根據干線鐵路車輛空調的使用經驗,在條件允許的情況下空調制冷系統盡量使用單元式、全封閉式制冷循環系統,并提高免維護的元件使用率,盡可能不采用分體式空調機。以下是全封閉制冷循環系統的優點特性:
·出廠前所有制冷系統部件均焊接,故系統密封性好;
·出廠前充入定量制冷劑因在性能試驗后發貨,無泄漏,所以性能與質量穩定,可靠性高;
·由于可省掉儲液器、管路接頭,以及免充入過多的制冷劑,故重量輕;
·因為系統無泄漏,故制冷系統的維修周期長;
·因為管路元件少,系統不泄漏,故制冷系統維護工作量少,適合車輛使用。
2. 3 　空調控制器
空調控制器控制空調機正常運行,是空調機組的重要組成部分。它在車輛上的使用關鍵是可靠性、可觸及性、自動化程度及電磁兼容性。
2. 3. 1 　可靠性
目前,車輛空調控制器的關鍵元件采用的是質量較好的進口元件或合資工廠生產的元件,降低了元件的故障率。電路設計經過大量的實際運行驗證,可靠性較高。
2. 3. 2 　可觸及性
由于空調控制器元件動作較頻繁,并有較多的空調機保護元件,對它的維護量在空調組中占的比重較大。而且在空調機檢修當中,要觀察控制器整體的動作情況,以便判明故障原因。因此空調控制器要盡可能布置在檢修人員易于觸及、易于觀察的地方,否則,空調機組的維護、檢修就會變得困難, 工作量會大大增加。
2. 3. 3 　自動化程度
城軌車輛與鐵路車輛運行情況及車輛配置人員不同。通常在城軌車輛運行當中不配制車輛設備巡檢員。這就要求城軌車輛空調系統有較高的自動運行能力,能夠在出現問題時自動處理,對非故障問題有自我保護及自我恢復能力;同時,對故障能夠自我診斷及自動存貯,以便車輛進站后,能夠及時修復。
石家莊國祥制冷設備有限公司為上海明珠線生產的司機室空調、大連有軌電車空調系統、北京地鐵空調系統、國產化地鐵空調系統等都采用了微處理器控制。該控制系統能夠對偶發性非故障現象進行自我判斷,對于實際故障能夠診斷記錄,可通過手提電腦進行手動調試。該控制器還可以進行通訊,實現上位機的集中控制功能。
2. 3. 4 　電磁兼容性
車輛的自動化程度越高,車輛設備及信號控制系統電磁環境越復雜,電子部件信號系統要適應此電磁環境。因此空調自動控制器要在預期的電磁環境中能正常工作,且無性能降低或故障,電磁兼容性是要預先考慮的。要遵照車輛運行電磁環境進行功能設計。
3 　通風系統
空調車輛的通風系統是車輛空氣調節的重要組成部分。經空調機處理過的空氣只有通過通風系統送往車內,才能保證車內溫度均勻性。因此, 通風系統可制約空調機在車輛中的性能發揮,目前,我國干線鐵路車輛普遍采用靜壓風道。這種靜壓風道能夠降低噪音,使送風均勻。
3. 2 　氣流組織
通常車內乘員較多,車輛內部最好做到全面送風。即使是空調機回風口區域,也要設送風口。否則氣流受擁擠人群擾動、阻塞,回風往往越過空調機回風口區乘員頭頂回到空調機內,此處乘員感覺不到氣流;而且在超員的情況下,回風溫度也較高, 不能帶給乘員相應的涼爽感覺,滿足舒適需要。
目前地鐵車輛一般設廢排口。尤其在車輛乘員多的情況下,通過車門開閉不能完全置換車內空氣,有必要設置廢排。這樣做有3 個好處: ①直接將擁擠人群下部散發的熱量通過廢排口排出,減少上涌熱氣流與空調系統送風的有效空氣的干擾; ② 冬季有利于熱氣流下沉; ③使乘員氣味感受清新。
下面通過國產化地鐵通風系統作簡要陳述。
3. 3 　國產化地鐵車輛通風系統
每輛車兩端分別安裝一臺車頂單元式空調機, 每輛車設一臺空調控制器控制兩臺空調機的正常運行。新風吸入口設在空調機兩側,并設有防水浸入和防塵過濾機構。空調機前端設有兩出風口,車內頂部設送風道與空調機出風口連接。風道型式為靜壓送風道,保證冷熱空氣能夠均勻送出使得車內溫度均勻(見圖1) 。機組底部設有回風口。車內空氣從車兩端空調機底部平頂板上回風進入機組。車內排氣口設在兩側座椅下中,多余空氣通過排氣口進入側墻板夾層到達車頂 由車頂排氣管裝置排出(見圖2) 。

圖1 　車內頂部風道示意圖　　
風道是空調系統的重要組成部分,采用斷面為1 200 mm ×240 mm 的靜壓送風道,材料為酚醛玻璃鋼。其保濕可采用聚氨酯夾層壓力發泡。該類型風道具有以下特點:送風均勻,氣流平穩;整體剛性好,抗振性強,降噪性能明顯;保溫性能高;其阻燃性能較高,氧指數高達50 %～ 80 % ,煙密度≤ 200 ,無毒。
在交流動力電源失效的情況下,空調系統自動轉入應急通風。應急通風用空調蒸發風機,由蓄電池提供DC 110 V 電源,通過逆變器供給風機交流電源。該裝置提供45 min 應急通風。
圖2 　車內廢氣流向示意圖

參　考　文　獻
1 　黃素逸,林秀慶,葉志瑾. 采暖空調制冷手冊. 北京:機械工業出版社,1995
2 　中原信生(日). 高層建筑暖通空調設計和建筑優化及故障檢測與室內空氣品質、節能和全球環境問題的協調. 暖通空調,1998 ,28 (2)
3 　滕兆武,王剛. 車輛制冷與空氣調節. 北京:中國鐵道出版社,1993
4 　中國機車車輛工業總公司. 國產地鐵列車技術設計(討論稿) . 2000