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摘 要 通过对城市轨道交通运输特点的介绍,提出了一些可供其车辆空调系统参考的设计方法,以及车内外夏季空气参数的选取依据及计算实例,讨论了车辆空调系统的空调机组及通风系统的要求和特点。
关键词 城市轨道交通,车辆,空调系统
城市轨道交通车辆空调系统的设计,除要考虑到城轨交通的一般特点(运量大、快捷、安全、舒适、站点密集、上下车乘客交换频繁、有一定的运行时间段、车辆部件具备较高可靠性) 之外,还要考虑以下因素: ① 各城市间城轨车辆运营环境不同。我国幅员辽阔,即使目前规划或在建城轨项目的各城市之间差别也很大,南到广州,北到长春,东到上海、青岛,西到西安,气候条件必须予以具体考虑,具体设计,实施时要有侧重。② 乘员多。城轨交通线路一般穿越城市中心及商业繁华地带,客流密集。目前十多个城市旅游人口很多,因此除了上、下班时间乘座高峰期,其他时段乘客流量也很大。以下对车辆空调系统各部分分别加以分析。
1 车内、外空气参数
1. 1 车辆空调标准
目前我国还未制订城市轨道交通车辆的空调标准。下面介绍的是我国现行国标及铁标对铁路客车舒适环境作的相关标准规定值:
1. 《公共交通工具卫生标准》GB9673 -1996 旅客列车车厢卫生标准值为:温度,冬季18～ 20 ℃,夏天24～28 ℃;相对湿度,40 %～70 % , 垂直温差, ≤3 ℃;微风速, ≤0. 5 m/ s 。
2. 《客车空调设计参数》TB1951 -87
北京以南地区干线铁路选择空调客车的外气计算参数为:
a. 夏季外气计算温度35 ℃,相对湿度60 % ;
b. 冬季外气计算温度-14 ℃;
c. 夏季客室内气温24～28 ℃,相对湿度40 % ～65 % , 最高不超过70 % ;
d. 冬季客室内气温18～20 ℃,相对湿度不低于30 % ;
e. 客室内同一水平面和同一铅垂线的最大气温差均不超过3 ℃;
f . 客室内微风速,夏季≤0. 35 m/ s , 冬季≤0. 2 m/ s 。
城轨车辆与干线铁路车辆结构特征相似,但就其空调系统而言,因城轨交通的运行特点而有其特殊性。从分析乘客在乘坐车辆的具体情况可看到, 上面的标准规定的舒适值是基于人体在空调空间中长时间停留的稳定状态得出的,人员在车辆中可适当增减衣物,以达到个人的舒适要求。但在城轨车辆运行中,乘员最长的乘坐时间也不过半小时, 绝大部分乘客只有几分钟乘坐时间。虽然在空调技术中以数值的方式规定了乘客舒适范围,但舒适的感觉是人体生理及心理条件决定的。当炎热夏季从户外进入有空调或通风的房间时,健康人员的生理要求是散去身体表面热量,蒸发掉汗液;心理要求是能尽快降温或通风达到生理的要求。这是一个瞬态人体条件变化中舒适概念。但人体的生理活动变化是一个复杂过程,受心理活动、环境变化等等因素制约,而且变化平缓,所以人员在环境条件变化时,个人舒适感会有一个过渡期,在经过过渡区后才达到稳定状态。在乘客乘坐城轨车辆过程中,乘客基本处于典型的过渡过程中。夏季, 人们从户外进入候车厅(如果有的话),随即进入车内,生理及心理的舒适要求为能够快速将身体表面热量带走以便获得舒适感;但在实际乘车过程中, 往往乘员在没有到达稳定状态或刚刚获得了凉爽感觉时就已到站下车了。冬季里,人们穿着较厚的户外冬装,皮肤表面温度低,即使在乘坐没有采暖的普通车辆情况下,群集度较高时人们也会获得温暖感觉。当有采暖时,在人们乘车不能脱下外衣情况下,车内温度过高,乘员会产生闷热感甚至会出汗,造成人体不舒适。故而冬季乘坐城轨车辆的生理及心理舒适度要求不如夏季乘车迫切,只要在车内温度高于外界温度情况下,就会获得舒适感,而且乘员很快会下车走入户外。所以冬季车内舒适情况也比较特殊。下面分别对车内外空气设计参数的制定作简单讨论。
1. 2 参数制定
1. 2. 1 夏季外气计算参数
在选择外气计算温度时,要依照当地的气候条件,根据累计气象资料提出相应的外界温度要求。我国对全国大中城市气象进行了统计,推荐了外气计算参数。因此各地可依此作参考。考虑气候的变暖趋向,要提出最高外气温度,以便在最高外气温度条件下,空调系统尚能工作,车辆还能获得一定的室内外温差,保证车辆舒适度。
1. 2. 2 夏季车内计算参数选取
影响人体舒适的因素一般有以下几项:空气温度、空气流速、相对湿度、水平温差、垂直温差、辐射的均衡性、二氧化碳含量、含尘量等等。但是这些参数都满足是很困难的。尤其是公共使用空间,一般着重控制的是空气温度和气流速度两项对舒适性最重要的参数。根据卫生学观点认为:我国人民对夏季高温适应性为28 ℃ 。结合相对湿度的适应性,当人体周围温度在26. 7 ℃ 以下时,湿度对人体影响不明显;当温度在28 ℃ 以上时,相对湿度对人体影响明显;当相对湿度达到70 % 时,就感觉不舒服了。在空调技术中,控制好一定温度,相对湿度不大于70 % 时,空气的相对湿度对人体的影响很小。所以对于城轨车辆,在车内达到基本的温、湿参数情况下,主要起影响作用的还是气流速度。在选取标准工况时,目前大家普遍提出的温度≤27 ℃,相对湿度≤65 % 的车内温、湿度条件是合适的。但由于城轨车辆的乘员经常会有超员情况出现,所以车辆在考虑夏季耗冷量计算时要校核在超员情况下车内温度,以确定合理的制冷量。目前有地铁公司考虑车辆损耗、维护量等问题,以票价限定一定的乘员量,也是对车辆热负荷限定的一个因素,可在运营时加以考虑。
保持一定的气流速度是城轨车辆满足乘员舒适性的必要条件。因为车辆的狭长特征,处于车长方向各个区段的回风量是不同的,所以车辆内部衡量乘客舒适的气流速度以出风吹到人体表面的微风速为依据。这一点国内外的标准是一致的。关于气流速度控制,一般认为在27 ℃ 时,气流速度为0. 3～0. 35 m/ s 时能够获得较好的舒适感。但乘客停留区的气流速度受空调机总风量的限制,获得较高的气流速度时空调机总风量要大,而拥有大风量通常需要空调送风机尺寸较大。由于城轨车辆提供给空调设备的使用空间较小,限制了空调机尺寸,如果要提供大风量,可能要改变风轮叶片角度、转速等。这样的话,车内噪音可能会高。因此空气流速是个综合问题,在设计当中需要综合考虑。如,能否考虑将空调机置于车辆靠中间的位置,以缩短空调送风距离,使送风机在较低的压头下送出较高的风量等措施。
1. 2. 3 冬季外气计算参数的选取
因为车辆空调系统引入了新风,对于冬季外气温度较低的城市,适当增加空调供暖是必要的。冬季外气最低温度通常出现于1 :00～4 :00 之间。根据城轨车辆运输的间歇性,冬季外气计算温度以本城市冬季通风外气温度为好,以适应城轨交通特点,满足乘员舒适性,同时可以避免因供热量过大引起车内温度高,或供暖与通风交替运行时因通风时间长,供暖时间短而增加车内温度的波动。
1. 2. 4 冬季车内计算参数选择
乘客的衣着对乘客有很大的影响。根据衣着对个人舒适感的影响,通常认为衣着热阻每增加0. 1clo (clo 表示衣着保暖程度所采用的热阻单位, 1clo = 0. 155 m2 ·K/W) ,周围温度应相对减少约0. 5 ℃ 才使人感到同样的舒适。据此可确定车内计算温度。考虑城轨车辆运行特点,当冬季人们穿着户外冬装乘座车辆时,车内温度应参照采暖标准适当降低温度,以提高车内舒适感。
1. 2. 5 算例
以南京地铁车辆冬季简要计算为例,来说明冬季车内温度的确定及空调加热量的确定。
(1) 冬季外气计算温度
根据《采暖空调制冷手册》,南京冬季通风计算温度是2 ℃ 。以此可作为外气计算温度。
(2) 冬季车内空气参数
根据我国冬季铁路车辆采暖标准,室内空气温度为18～20 ℃ 。以成年男性为计算依据,在南京户外活动时,正常室内冬装要加一件长夹衣或厚短外衣,此时,衣着增加的热阻约为0. 49～ 0. 53clo 之间。这样,对于地铁车辆,车内计算温度可定为: 18 -0. 5 ×5 = 15. 5( ℃) 。
(3) 空调加热量计算
计算参数确定为:车外温度( tH) 为2 ℃;车内温度( tB) 15 ℃(根据车内舒适温度计算,暂定在车辆半负载情况下车内温度为15 ℃); 新鲜空气量( VX) 为3 200 m3/h ; 通风量( V0) 为10 000 m3/h ; 车内定员( n) 320 人;车体传热面积( F) 为242. 81 m2 ;车体传热系数( K),静止时为2. 4 W/ (m2 ·h) , 车速为40 km/ h 时为3. 192 W/ (m2 ·h) ;
车辆热平衡计算为: Q2+ Q3+ Q5= Q1+ Q6 式中:Q1 为车体传热;Q6 为新风负荷;Q2 为空调加热量; Q3 为旅客散热; Q5 为车内设备散热(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 为空气高度,CpX 为
定压比热) Q3 = nq = 13 600 W 则有: Q2 = 9 915 W 根据电热功率整数分配方法,可确定空调机供热量为12 kW(两台空调每台为6 kW) 。
(4) 校核车辆满负荷时车内温度状况
当全部电热运行时,Q3 = 27 200 W ,设车内温度为tB1 ;根据热平衡方程算得tB1 = 23.1 ℃ 。此时,室内外温差为21 ℃ 。
当半电热运行时,设车内温度为tB2 。根据热平衡方程算得tB2 =20 ℃ 。此时,室内外温差为18 ℃ 。计算此时在空调机加热器前空气混合温度(tN):
在压力不变,且无相变的条件下,空气内能为体积与温度的函数。根据混合规律,
tN = [(V0 -VX)tB2 + VX tH ]/ V0 = 14.2 ℃
计算出风温度(tC):
50 %Q2 = V0/3 600 ×ρN cpN (tC -tN) ×103 ,
则tC = 16 ℃ 。
此时车内出风温度不算太高,乘客在此状态下不致产生闷热感觉,而且可通过空调控制通风与电热交替运行来控制车内温度。适当的热余量可应付车辆停站开门热量损失。所以空调供热量定为12 kW 是可行的。
2 空调机组
2. 1 简述
我国目前在干线铁路上车辆空调已完全实现国产化,且产品质量过硬,并已随车出口到其它国家。因此,轨道车辆空调系统的国产化不存在任何技术问题。
目前,我国拥有自主知识产权的第一列地铁车辆已经开始由南京浦镇厂、长客厂联合制造。第一台国产化空调系统已由石家庄国祥制冷设备有限公司制造完毕并已做完相应地面试验,表明我国完全具备地铁轻轨车辆空调系统完全国产化的能力。
上海、广州进口地铁车辆的空调系统在运行期间表露了一些问题。其实问题的发生主要还是空调系统不适合中国国情。我们知道,在西欧、北欧国家,夏季气温一般较低,高过32 ℃ 已经算难以忍受;而且在发达国家的乘员较少,乘坐率较低。这和我国人口众多、气温较高有很大差别。在空调系统的设计上,就必须考虑这点,否则空调系统难以正常运行。
2. 2 空调机
车辆空调系统,一般应达到小型轻量化、耐振性、阻燃性、水密性、可维护性(免维护性) 、耐蚀性、电源协调使用等要求。归纳起来,城轨车辆空调系统要具备以下特点: ① 小型轻量化; ② 可靠性高; ③ 免维护程度高。
2. 2. 1 小型轻量化
小型轻量化是城轨车辆空调系统的显著特点。由于城轨车辆一般比铁路车辆小,高度低,运载量大,而空调机通常置于车顶部,这样空调机体积重量受到一定限制。所以小型、轻量化是空调机要考虑的一个现实条件。近年来,石家庄国祥制冷设备有限公司连续采用一系列新技术来缩小空调机体积。如:采用卧式蜗旋式压缩机;换热器采用内螺纹管,增强换热效果,减少换热器体积;采用带亲水膜轻质铝翅片,降低换热器质量;引进高效进口风机等,在保证流量、噪音等要求下降低了体积及重量。北京地铁的第一台拥有我国自主知识产权的国产化地铁空调机组充分采用了以上新技术。
2. 2. 2 可靠性高
首先,车辆空调机的耐振性能要好。车辆在运用过程中会产生较大振动,因此车辆空调系统要具备耐振性能。我国铁路标准TB/ T2432 -93 对车辆空调设备做了抗振要求及试验标准。这个标准对运行条件好于铁路车辆的城轨车辆空调系统来说,应该是完全适用的。
其次,耐腐蚀性好。现在城市的污染程度较大,尤其是沿海城市的盐雾影响,对暴露在大气当中的空调机的电机、换热器壳体的耐腐蚀要求较高,因此空调机在设计、制造当中要充分考虑到这点。如采用防护等级较高的电机,并在电机外部配合处增加电机防护技术措施,在换热器上采用耐酸、碱、盐雾腐蚀的覆膜铝翅片,并采用不锈钢板材制造空调机壳体,可有效防止腐蚀发生,延长空调机使用寿命。
此外,根据车辆运行特点,空调机组制冷系统尽量采用多系统,避免使用单系统的空调机组。因为如采用单系统,当制冷系统出现问题时,整个空调机组就不能为车辆提供冷量。而多系统的空调机,当某一个系统出现故障时,另外的系统还可以工作,为车辆提供一定的冷量。以下是采用多系统的优点:
·制冷系统故障对双系统或多系统的影响小;
·双系统或多系统的空调机能使车内达到较稳定的温度;
·由于双系统或多系统的空调机压缩机交替运行,压缩机磨损寿命长;
·由于双系统或多系统的空调机压缩机分步启动,启动电流冲击小。
2. 2. 3 免维护程度高
安装于车辆上的空调机并不能象地面制冷机组那样,可以给检修、维护人员一个易于检视的环境和空间。根据干线铁路车辆空调的使用经验,在条件允许的情况下空调制冷系统尽量使用单元式、全封闭式制冷循环系统,并提高免维护的元件使用率,尽可能不采用分体式空调机。以下是全封闭制冷循环系统的优点特性:
·出厂前所有制冷系统部件均焊接,故系统密封性好;
·出厂前充入定量制冷剂因在性能试验后发货,无泄漏,所以性能与质量稳定,可靠性高;
·由于可省掉储液器、管路接头,以及免充入过多的制冷剂,故重量轻;
·因为系统无泄漏,故制冷系统的维修周期长;
·因为管路元件少,系统不泄漏,故制冷系统维护工作量少,适合车辆使用。
2. 3 空调控制器
空调控制器控制空调机正常运行,是空调机组的重要组成部分。它在车辆上的使用关键是可靠性、可触及性、自动化程度及电磁兼容性。
2. 3. 1 可靠性
目前,车辆空调控制器的关键元件采用的是质量较好的进口元件或合资工厂生产的元件,降低了元件的故障率。电路设计经过大量的实际运行验证,可靠性较高。
2. 3. 2 可触及性
由于空调控制器元件动作较频繁,并有较多的空调机保护元件,对它的维护量在空调组中占的比重较大。而且在空调机检修当中,要观察控制器整体的动作情况,以便判明故障原因。因此空调控制器要尽可能布置在检修人员易于触及、易于观察的地方,否则,空调机组的维护、检修就会变得困难, 工作量会大大增加。
2. 3. 3 自动化程度
城轨车辆与铁路车辆运行情况及车辆配置人员不同。通常在城轨车辆运行当中不配制车辆设备巡检员。这就要求城轨车辆空调系统有较高的自动运行能力,能够在出现问题时自动处理,对非故障问题有自我保护及自我恢复能力;同时,对故障能够自我诊断及自动存贮,以便车辆进站后,能够及时修复。
石家庄国祥制冷设备有限公司为上海明珠线生产的司机室空调、大连有轨电车空调系统、北京地铁空调系统、国产化地铁空调系统等都采用了微处理器控制。该控制系统能够对偶发性非故障现象进行自我判断,对于实际故障能够诊断记录,可通过手提电脑进行手动调试。该控制器还可以进行通讯,实现上位机的集中控制功能。
2. 3. 4 电磁兼容性
车辆的自动化程度越高,车辆设备及信号控制系统电磁环境越复杂,电子部件信号系统要适应此电磁环境。因此空调自动控制器要在预期的电磁环境中能正常工作,且无性能降低或故障,电磁兼容性是要预先考虑的。要遵照车辆运行电磁环境进行功能设计。
3 通风系统
空调车辆的通风系统是车辆空气调节的重要组成部分。经空调机处理过的空气只有通过通风系统送往车内,才能保证车内温度均匀性。因此, 通风系统可制约空调机在车辆中的性能发挥,目前,我国干线铁路车辆普遍采用静压风道。这种静压风道能够降低噪音,使送风均匀。
3. 2 气流组织
通常车内乘员较多,车辆内部最好做到全面送风。即使是空调机回风口区域,也要设送风口。否则气流受拥挤人群扰动、阻塞,回风往往越过空调机回风口区乘员头顶回到空调机内,此处乘员感觉不到气流;而且在超员的情况下,回风温度也较高, 不能带给乘员相应的凉爽感觉,满足舒适需要。
目前地铁车辆一般设废排口。尤其在车辆乘员多的情况下,通过车门开闭不能完全置换车内空气,有必要设置废排。这样做有3 个好处: ①直接将拥挤人群下部散发的热量通过废排口排出,减少上涌热气流与空调系统送风的有效空气的干扰; ② 冬季有利于热气流下沉; ③使乘员气味感受清新。
下面通过国产化地铁通风系统作简要陈述。
3. 3 国产化地铁车辆通风系统
每辆车两端分别安装一台车顶单元式空调机, 每辆车设一台空调控制器控制两台空调机的正常运行。新风吸入口设在空调机两侧,并设有防水浸入和防尘过滤机构。空调机前端设有两出风口,车内顶部设送风道与空调机出风口连接。风道型式为静压送风道,保证冷热空气能够均匀送出使得车内温度均匀(见图1) 。机组底部设有回风口。车内空气从车两端空调机底部平顶板上回风进入机组。车内排气口设在两侧座椅下中,多余空气通过排气口进入侧墙板夹层到达车顶 由车顶排气管装置排出(见图2) 。
图1 车内顶部风道示意图
风道是空调系统的重要组成部分,采用断面为1 200 mm ×240 mm 的静压送风道,材料为酚醛玻璃钢。其保湿可采用聚氨酯夹层压力发泡。该类型风道具有以下特点:送风均匀,气流平稳;整体刚性好,抗振性强,降噪性能明显;保温性能高;其阻燃性能较高,氧指数高达50 %～ 80 % ,烟密度≤ 200 ,无毒。
在交流动力电源失效的情况下,空调系统自动转入应急通风。应急通风用空调蒸发风机,由蓄电池提供DC 110 V 电源,通过逆变器供给风机交流电源。该装置提供45 min 应急通风。
图2 车内废气流向示意图
参 考 文 献
1 黄素逸,林秀庆,叶志瑾. 采暖空调制冷手册. 北京:机械工业出版社,1995
2 中原信生(日). 高层建筑暖通空调设计和建筑优化及故障检测与室内空气品质、节能和全球环境问题的协调. 暖通空调,1998 ,28 (2)
3 滕兆武,王刚. 车辆制冷与空气调节. 北京:中国铁道出版社,1993
4 中国机车车辆工业总公司. 国产地铁列车技术设计(讨论稿) . 2000