淺析西安地鐵二號(hào)線車輛空調(diào)系統(tǒng)

都榮興

摘要：介紹了西安地鐵二號(hào)線車輛空調(diào)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)及空調(diào)系統(tǒng)的通風(fēng)、空調(diào)機(jī)組、自動(dòng)控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，并且針對(duì)存在的不足，提出了改進(jìn)意見。

關(guān)鍵詞：空調(diào)系統(tǒng)；通風(fēng)系統(tǒng)；空調(diào)機(jī)組；

1.概述

西安地鐵二號(hào)線車輛空調(diào)系統(tǒng)是由長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)和整車試驗(yàn)，而空調(diào)機(jī)組由石家莊國(guó)祥運(yùn)輸設(shè)備有限公司制造。每輛車安裝兩個(gè)頂置式單元空調(diào)機(jī)組，共用一個(gè)主風(fēng)道，在Mp、M、T車的一位端、二位側(cè)和Tc車二位端、二位側(cè)各設(shè)有一個(gè)空調(diào)控制柜，還有一些電氣部件在客室內(nèi)，其中空調(diào)控制柜和電氣部件由長(zhǎng)春研奧電器有限公司設(shè)計(jì)制造。此空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了地鐵車輛的實(shí)際運(yùn)行條件，并且采用了一些新的技術(shù)，主要有以下特點(diǎn)：

（1）空調(diào)機(jī)組采用單冷型式、微機(jī)控制可通過(guò)列車總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制，而且還可以通過(guò)單節(jié)車的觸摸屏來(lái)單獨(dú)控制機(jī)組的運(yùn)行。

（2）采用進(jìn)口全封閉臥式渦旋壓縮機(jī)，噪音小、抗沖擊。

（3）采用新型環(huán)保制冷劑R407C。

（4）機(jī)組內(nèi)設(shè)有電動(dòng)回風(fēng)調(diào)節(jié)裝置及新風(fēng)調(diào)節(jié)裝置，能夠滿足不同工況條件下風(fēng)量調(diào)節(jié)的需要。

（5）客室內(nèi)設(shè)置幅流風(fēng)機(jī)，促進(jìn)了車廂內(nèi)的空氣流通。

（6）司機(jī)室和客室通過(guò)設(shè)置電加熱器提供暖風(fēng)和新鮮空氣，從而提高司機(jī)駕駛和乘客乘坐的舒適性。

（7）在列車三相380V、50Hz交流電源失效的情況下，由緊急通風(fēng)逆變器為空調(diào)機(jī)組通風(fēng)機(jī)供電，采取降頻降壓工作方式，保證45分鐘的緊急通風(fēng)。

2.通風(fēng)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)整列車送風(fēng)均勻，采用靜壓風(fēng)道。其工作原理是空調(diào)機(jī)組下部送出的風(fēng)進(jìn)入車內(nèi)主風(fēng)道，并沿主風(fēng)道在推進(jìn)過(guò)程中進(jìn)入靜壓箱，進(jìn)行靜壓平衡調(diào)節(jié)，使得在主風(fēng)道的不同截面上，具有不同靜壓的空氣在靜壓箱中得到平衡，并形成一定的靜壓值，空氣通過(guò)在靜壓箱上的開口將靜壓轉(zhuǎn)換成一定的動(dòng)壓噴射出去，從而達(dá)到均勻送風(fēng)的目的。

送風(fēng)道的布置如圖1：

圖1 送風(fēng)道的布置圖

2.1車內(nèi)氣流組織形式

送風(fēng)

在離心風(fēng)機(jī)作用下，新風(fēng)從空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)口吸入，與客室內(nèi)回風(fēng)在蒸發(fā)器前混合，混合氣流經(jīng)過(guò)冷卻后，通過(guò)風(fēng)道和風(fēng)口均勻地向客室吹出。司機(jī)室送風(fēng)單元通過(guò)風(fēng)道從相鄰的空調(diào)機(jī)組中吸入已經(jīng)處理過(guò)的冷空氣，再將其送入司機(jī)室，可以調(diào)節(jié)送風(fēng)量及送風(fēng)方向。

新風(fēng)

空調(diào)機(jī)組自帶新風(fēng)口，新風(fēng)口設(shè)有性能好、阻力小的過(guò)濾裝置，可防止風(fēng)沙雨雪滲入車輛，新風(fēng)入口密封嚴(yán)密，所有新風(fēng)均經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器。同時(shí)設(shè)有自動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)控制的要求按照制冷、通風(fēng)、緊急通風(fēng)等不同的工作狀態(tài)控制新風(fēng)風(fēng)量。

回風(fēng)

客室內(nèi)的部分空氣通過(guò)車頂?shù)幕仫L(fēng)口進(jìn)行循環(huán)，回風(fēng)與新風(fēng)在蒸發(fā)器前混合，混合空氣經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器完成降溫除濕的制冷過(guò)程，并由通風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)風(fēng)道向車輛均勻地送風(fēng)?；仫L(fēng)口設(shè)有自動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)控制的要求按照制冷、通風(fēng)、緊急通風(fēng)等不同的工作狀態(tài)控制回風(fēng)風(fēng)量。

排風(fēng)

司機(jī)室利用司機(jī)室增壓?jiǎn)卧a(chǎn)生的正壓，通過(guò)設(shè)于司機(jī)室間壁門和兩側(cè)電器柜下部的回風(fēng)口向客室內(nèi)回風(fēng)，其中一部分與客室內(nèi)的空氣通過(guò)安裝在客室車頂?shù)呐棚L(fēng)裝置排出車外。

整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的車內(nèi)氣流組織形式采用的是下送風(fēng)下回風(fēng)方式。如下圖2所示：

圖2 車內(nèi)氣流組織圖

2.2離心風(fēng)機(jī)

離心風(fēng)機(jī)是通風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，其作用是吸入車外新風(fēng)和客室回風(fēng)，并將處理后空氣加壓，通過(guò)主風(fēng)道等送入客室。此風(fēng)機(jī)為多葉片式離心風(fēng)機(jī)，具有高效、低能耗和低噪聲的特點(diǎn)。風(fēng)機(jī)的電機(jī)為交流電機(jī)，供電電源為3PH/AC380V/50Hz，同時(shí)該風(fēng)機(jī)可降頻降壓運(yùn)行以滿足緊急通風(fēng)功能的實(shí)現(xiàn)。

2.3幅流風(fēng)機(jī)

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)整體布置的要求及室內(nèi)氣流組織的需要，在TC（頭車）安裝了2個(gè)雙軸幅流風(fēng)機(jī)，1個(gè)單軸幅流風(fēng)機(jī)，中間車安裝了4個(gè)雙軸幅流風(fēng)機(jī)，利用葉輪在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生流場(chǎng)，介質(zhì)在葉道內(nèi)流動(dòng)，在葉片的作用下，獲得能量，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，達(dá)到通風(fēng)換氣的目的，促進(jìn)車廂內(nèi)空氣對(duì)流，以提高制冷效果，為乘客提供舒適的服務(wù)。

3.空調(diào)機(jī)組

3.1空調(diào)機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)

型號(hào) KG29H

型式 車頂單元式

電源 主 回 路：三相交流 380V50Hz

控制回路：DC24V 電磁閥AC220V，50HZ

制 冷 量 29.1kW

通 風(fēng) 量 4000 m3/h

新 風(fēng) 量（可調(diào)） 最大為1270m3/h

應(yīng)急通風(fēng)量 2000m3/h

制 冷 劑 R407C

輸入功率 約14 kW

重量 約600kg

外形尺寸

（長(zhǎng)×寬×高） 3300×1600×300mm

(注：外形尺寸為不含安裝座尺寸)

3.2空調(diào)機(jī)組主要部件功能

3.2.1壓縮機(jī)

制冷壓縮機(jī)為全封閉臥式壓縮機(jī)，是將電動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)構(gòu)及供油系統(tǒng)組裝在同一個(gè)密封的機(jī)殼內(nèi)，其主要作用是將來(lái)自蒸發(fā)器的低溫低壓的 R407C氣體壓縮成高溫高壓的氣體，并送往冷凝器。

3.2.2軸流風(fēng)機(jī)（冷凝風(fēng)機(jī)）

軸流風(fēng)機(jī)為直聯(lián)軸流式風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的葉輪安裝在立式電機(jī)上，并采取防水結(jié)構(gòu)，主要用于強(qiáng)化冷媒在冷凝器中的凝結(jié)放熱過(guò)程。

3.2.3蒸發(fā)器

蒸發(fā)器為銅管套鋁肋片的直接蒸發(fā)式空氣冷卻器，主要將液態(tài)制冷劑R407C蒸發(fā)成低溫低壓的氣體，與此同時(shí)吸收車內(nèi)循環(huán)空氣和新鮮空氣的熱量，達(dá)到降溫的目的。

3.2.4冷凝器

其結(jié)構(gòu)型式與蒸發(fā)器相同。

高溫高壓的R407C氣體，通過(guò)冷凝器時(shí)，在外界空氣的強(qiáng)制冷卻下，變成低溫高壓的冷媒液體。

3.2.5毛細(xì)管

毛細(xì)管是一組內(nèi)徑極小的細(xì)長(zhǎng)銅管，當(dāng)高壓液體冷媒流經(jīng)這組高阻力管時(shí)，起到節(jié)流降壓的作用。

3.2.6干燥過(guò)濾器

干燥過(guò)濾器將濾網(wǎng)固定在容器內(nèi)，并封入干燥劑，過(guò)濾冷媒中的殘余雜質(zhì)并吸取冷媒中的殘留水份。

3.2.7高、低壓壓力開關(guān)

當(dāng)制冷系統(tǒng)的壓力異常高或低時(shí)，高、低壓開關(guān)動(dòng)作，停止壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，保護(hù)制冷系統(tǒng)。高、低壓開關(guān)的復(fù)位方式為自動(dòng)復(fù)位。

3.2.8旁通電磁閥

該電磁閥設(shè)置在壓縮機(jī)排氣管與氣液分離器前吸氣管之間，為保證壓縮機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間停止后以及溫度較低情況下啟動(dòng)時(shí)的軸承潤(rùn)滑，與壓縮機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，30秒后斷電。

3.2.9容量控制電磁閥

此電磁閥配合壓縮機(jī)內(nèi)能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以控制壓縮機(jī)的容量，與壓縮機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，40秒后斷電。通過(guò)2個(gè)電磁閥的開閉及每臺(tái)機(jī)組兩臺(tái)壓縮機(jī)工作狀態(tài)組合，進(jìn)行全運(yùn)轉(zhuǎn)以及控制容量運(yùn)轉(zhuǎn)（約70%）的切換，可實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組多級(jí)能量調(diào)節(jié)，制冷能力實(shí)現(xiàn)100%、70%、50%共三檔。當(dāng)打開高壓側(cè)電磁閥，關(guān)閉低壓側(cè)電磁閥時(shí)，為全運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)打開低壓側(cè)電磁閥，關(guān)閉高壓側(cè)電磁閥時(shí)為容量控制運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.2.10液管電磁閥

此電磁閥設(shè)置在冷凝器出口，與壓縮機(jī)同時(shí)啟動(dòng)同時(shí)停止，防止壓縮機(jī)停止時(shí)冷媒液倒流入壓縮機(jī)側(cè)，防止造成再次啟動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑不良。

4.電加熱系統(tǒng)（采暖系統(tǒng)）

考慮到地鐵車輛實(shí)際運(yùn)行區(qū)域的氣候條件，西安地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)專門設(shè)置了電加熱系統(tǒng)。

4.1客室電熱器

客室電熱器安裝在座椅底下的安裝座上。每組電熱器內(nèi)設(shè)兩支電熱管，兩支電熱管分兩路，可分別或同時(shí)工作、停止。電熱器設(shè)“全暖”、“半暖”兩個(gè)控制位，由司機(jī)控制。

4.2司機(jī)室電熱器

為提高司機(jī)室冬季采暖的舒適性，在司機(jī)室設(shè)帶風(fēng)機(jī)的強(qiáng)迫通風(fēng)電熱裝置。設(shè)半暖、全暖位，由司機(jī)手動(dòng)操作。每個(gè)電熱器內(nèi)設(shè)一臺(tái)小型貫流風(fēng)機(jī)，兩支電熱管。司機(jī)室電熱裝置安裝在司機(jī)臺(tái)下。司機(jī)室電熱裝置內(nèi)風(fēng)機(jī)與電加熱器設(shè)置連鎖，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后電熱裝置投入運(yùn)行，電熱裝置設(shè)熱繼電器進(jìn)行超溫保護(hù)，當(dāng)由于風(fēng)機(jī)故障等原因使電熱器溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)停止工作。

5.自動(dòng)控制系統(tǒng)

5.1供電

從接觸網(wǎng)下來(lái)的DC1 500 V直流電經(jīng)過(guò)列車靜止逆變器（SIV）轉(zhuǎn)換成AC380 V、50 Hz三相交流電后，供給空調(diào)機(jī)組的壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)等交流負(fù)載。

空調(diào)系統(tǒng)的控制電路使用DC110 V直流電。從接觸網(wǎng)下來(lái)的DC1 500 V直流電經(jīng)過(guò)列車輔助供電系統(tǒng)的整流裝置變換成DC110 V后供給控制電路。

當(dāng)交流供電失效的情況下時(shí)，由Tc車的蓄電池供電，將DC110 V直流電經(jīng)緊急通風(fēng)逆變器轉(zhuǎn)換成三相交流電，驅(qū)動(dòng)機(jī)組內(nèi)的兩個(gè)通風(fēng)機(jī)工作45分鐘。

5.2空調(diào)控制柜

在Mp、M、T車的一位端、二位側(cè)和Tc車二位端、二位側(cè)各設(shè)有一個(gè)空調(diào)控制柜。此控制柜與客室內(nèi)的空調(diào)裝置一起為司機(jī)與乘客提供空調(diào)控制?？照{(diào)控制柜控制單元由PLC主機(jī)單元 、溫度擴(kuò)展模塊、信息顯示操作屏組成。

5.2.1PLC功能

PLC是可編程邏輯控制器的縮寫，對(duì)整個(gè)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)，對(duì)出現(xiàn)的故障自動(dòng)處理，通過(guò)顯示操作屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，響應(yīng)顯示操作屏輸入的命令、參數(shù)、將故障信息、運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)顯示操作屏顯示等。

5.2.2顯示操作屏

顯示操作屏是一種微型可編程終端，采用全中文液晶顯示操作屏（帶背光），具有字符類型和圖像類型顯示，由通訊接口和PLC的外設(shè)接口進(jìn)行通訊。主要功能是空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行工況的控制，運(yùn)行工況參數(shù)的顯示，實(shí)時(shí)顯示各功能的運(yùn)行狀態(tài)及故障現(xiàn)象。

5.3運(yùn)作模式

（1）通風(fēng)狀態(tài)：兩個(gè)機(jī)組的送風(fēng)機(jī)全部運(yùn)行，而且新風(fēng)閥、回風(fēng)閥全部打開。

（2）弱冷狀態(tài)：兩個(gè)機(jī)組的送風(fēng)機(jī)全部運(yùn)行，冷凝風(fēng)機(jī)也全部運(yùn)行，每個(gè)機(jī)組的壓縮機(jī)只有累計(jì)運(yùn)行時(shí)間少的壓縮機(jī)運(yùn)行，即一半的壓縮機(jī)啟動(dòng)。

（3）強(qiáng)冷狀態(tài)：兩個(gè)機(jī)組的送風(fēng)機(jī)全部運(yùn)行，冷凝風(fēng)機(jī)全部運(yùn)行，每個(gè)機(jī)組壓縮機(jī)全部運(yùn)行，即所有的壓縮機(jī)啟動(dòng)。

（4）自動(dòng)狀態(tài)：列控（網(wǎng)絡(luò)）給定自動(dòng)冷溫度T值及指令，當(dāng)室溫t0≥T+3.5 oC，雙機(jī)制冷：送風(fēng)機(jī)運(yùn)行→延時(shí)5秒→冷凝風(fēng)機(jī)運(yùn)行→延時(shí)30秒→累計(jì)運(yùn)行時(shí)間少的壓縮機(jī)運(yùn)行→延時(shí)5秒→另一臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行→降溫至室溫t0≤T +2oC→運(yùn)作時(shí)間多的壓縮機(jī)先停機(jī)→當(dāng)室溫t0≤T oC時(shí)→延時(shí)3秒→另一臺(tái)壓縮機(jī)停機(jī)→延時(shí)30秒→冷凝風(fēng)機(jī)停機(jī)→送風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行→如果需要停送風(fēng)機(jī)延時(shí)5S→可以停送風(fēng)機(jī)。

（5）停機(jī)狀態(tài)：所有的通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)均停止運(yùn)行。

以上幾種運(yùn)作模式可以通過(guò)單節(jié)車的顯示操作屏來(lái)控制單節(jié)車機(jī)組的運(yùn)行，也可以通過(guò)司機(jī)室的觸摸顯示屏選擇運(yùn)作模式，其指令通過(guò)列車的中央控制單元、終端控制端元、總線、空調(diào)網(wǎng)關(guān)傳送給每節(jié)車空調(diào)控制柜內(nèi)的PLC主機(jī)單元，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整列車的空調(diào)機(jī)組進(jìn)行集中控制。

6.結(jié)束語(yǔ)

總之，西安地鐵二號(hào)線車輛空調(diào)系統(tǒng)整體性能不錯(cuò)。但也存在一些不足，還需從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)：

（1）空調(diào)機(jī)組的外蓋板材質(zhì)太薄，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中蓋板極易變形給檢修工作帶來(lái)不便，建議空調(diào)機(jī)組外蓋板應(yīng)該采用2.5-3mm的不銹鋼蓋板較為合理。

（2）空調(diào)機(jī)組的排水槽里面容易形成積水，建議將排水槽槽底設(shè)計(jì)成帶斜度的，可將積水排干凈。

（3）客室內(nèi)溫度不均勻，建議廠家在設(shè)計(jì)風(fēng)道時(shí)嚴(yán)格控制主風(fēng)道內(nèi)最大風(fēng)速不高于8 m/s ，而且在充分考慮風(fēng)道阻力及噪聲的前提下，應(yīng)該將主風(fēng)道送風(fēng)條縫和靜壓風(fēng)道送風(fēng)條縫的寬度尺寸設(shè)計(jì)成越小越好。

（4）空調(diào)噪音偏大，降低了乘客乘坐的舒適性，建議空調(diào)通風(fēng)機(jī)和風(fēng)道內(nèi)選用低噪聲和多葉片的離心風(fēng)機(jī)和消聲風(fēng)道，冷凝風(fēng)機(jī)選用低噪聲、低轉(zhuǎn)速、大流量的軸流風(fēng)機(jī)，而且要嚴(yán)格控制空調(diào)機(jī)組各設(shè)備的安裝工藝，盡可能降低噪聲。

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。