一種新型地鐵空調機組的研究與開發

劉加春 范凌云(珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070)

1 前言

我國地鐵空調技術二十紀九十年代中后期源自歐美、日本，當時這些技術較好地滿足改善乘車環境的需要，但隨著時間的推移和技術的進度，一些技術弊端逐漸顯現出來。如不能根據負荷大小自動調節制冷能力，機組重量重等，造成能量浪費；采用非環保制冷劑，不利于環保，采用氣動控制新風、回風閥，易造成空氣污染等。

為適應市場需要，我們在地鐵空調上進行了研究，成功開發出結構緊湊、重量輕，節能、環保、可靠性高的地鐵空機組GDL40。

2 系統設計

2.1 設計依據及有效制冷量計算

目前我國尚無地鐵空調標準，我們主要依據GB/T 19842-2005《軌道車輛空調機組》和TB/T 1804-2009《鐵道客車空調機組》進行設計開發。GB/T 19842-2005《軌道車輛空調機組》中名義工況下的能效比（性能系數）要求見表1［1］。

地鐵空調機組的有效制冷量是用來平衡列車使用中車內熱負荷及新風熱負荷。其計算公式為：

Q y = Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6+ Q7

式中：Q1—車體隔熱壁傳熱負荷；Q2—太陽輻射熱負荷；Q3—乘客散出的顯熱負荷；Q4—乘客散出的潛熱負荷；Q5—車內機電設備、照明器具等散發的熱負荷；Q6—新風帶來的顯熱負荷；Q7—新風帶來的潛熱負荷。

從上式看出，在地鐵車輛結構和車廂室內空氣參數、車內定員確定情況下，所需的有效制冷量大小主要取決于外氣參數。而外氣參數取決于各城市所處的地理位置。本次開發對象為廣州市所需地鐵，因此取廣州市氣象資料為設計計算依據。廣州基本氣象情況見表2，可以看出廣州市年間極端最高溫度是38.1℃,因此本次開發T1氣候類型的地鐵空調機組。

2.2 系統工作原理

地鐵空調機組是城市地鐵車輛上使用的單冷型舒適性空氣調節裝置，用于處理車廂內空氣，使之達到除濕、降溫的目的，給乘客創造一個舒適的乘車環境。

GDL40地鐵車輛空調機組的工作原理：本地鐵車輛空調機組是由2個渦旋壓縮機、2個冷凝器、2個蒸發器和節流裝置及必要的輔助設備所組成的裝置。機組工作時，壓縮機將由吸氣口吸入的低壓制冷劑蒸汽壓縮成高溫高壓氣體，高溫高壓的制冷劑氣體由壓縮機排出后進入冷凝器進行降溫，冷凝成制冷劑液體，制冷劑液體經過干燥過濾器進入節流裝置節流后，進入蒸發器,吸收流過蒸發器的空氣熱量,蒸發成低溫低壓氣體,回到壓縮機,完成一個制冷循環。如此周而復始,達到連續制冷的效果。液管電磁閥、氣旁通電磁閥、卸荷閥則對系統起到保護作用。

表1 名義工況下的能效比（性能系數）

為實現節能和確?？煽啃裕緳C組系統設計成完全獨立的二個子系統。它可以根據實際空調負荷自動選擇一個或二個系統運行，在實現節能的同時，提高機組運行可靠性。

2.3 功能模式

本機組功能模式有：預制冷模式、制冷運行模式、通風模式、緊急通風模式、TEST模式、停機模式。

預制冷模式一般指車輛從檢修段準備開往站臺，整車剛得電的時候，空調機組為了將車內溫度迅速處理到設定溫度而采取的制冷模式。

制冷模式是機組進行制冷運行，使車廂內空氣降溫的模式。

通風模式是不制冷僅引入室外新風的模式。

緊急通風模式是主回路電源無電故障或者輔助逆變器故障或者主回路電源缺逆相保護時，進行緊急通風的安全模式。

TEST模式是安裝、維修調試時用以檢測各功能元器件動作是否正常的一種模式。

停機模式是控制器得到司機室空調關機信號，或者本車控制柜將旋鈕開關打到“OFF”位置時，使機組停機的模式。

3 結構設計

3.1 現行地鐵空調結構狀況

現行地鐵空調殼體一般采用一、二位端對稱、左右側對稱的結構，以實現二端送風、底部單孔或雙孔回風。這種結構的機組體積大、管程長、重量重、結構復雜，工藝要求高。下面以國內、國外二款代表機型簡單說明一下。表3為國內某廠家的地鐵空調參數，表4為國外某廠家的輕軌空調參數，圖2為國外某廠家輕軌空調外形?？梢钥闯鰴C組長度長，重量重，結構復雜，工藝要求高。

3.2 新型地鐵空調結構設計要求

結構設計除滿足TB/T 1804-2009《鐵道客車空調機組》中對零部件、材料、裝配要求

表2 廣州基本氣候情況（據1997-2000年資料統計）

表3 國內某廠家地鐵空調參數

表4 國外某廠家輕軌空調參數

外，還需考慮：結構緊湊，輕量，管程短，剛性好，結構簡單，抗振能力強，可靠性高、抗腐蝕性能力強，機組重心設計合理，機組吊裝時底平面呈水平狀；成本低，工藝性好；環保；便于安裝維修。除上述外，與現行地鐵空調結構相比，新型地鐵空調結構減少一個送風腔、送風機、蒸發腔，原材料消耗少；節能：重量輕，減少地鐵車輛運行能耗，能效比高。

3.3 結構設計方案

殼體由以下構件組成：前側板組件、后側板組件、左側板組件、右側板組件、左隔

板組件、右隔板組件、前隔板組件、后隔板組件、橫梁組件2、橫梁組件1、橫梁1、底板組件。上述構件通過焊接或鉚接或螺栓聯接構成殼體，形成回風腔2個、混合腔2個、送風腔1個、蒸發腔1個、冷凝腔1個。總體上殼體沿縱軸截面成對稱狀。

為確保防腐性能，各零件材料均采用不銹鋼。為確保殼體強度、剛性，同時減輕重量，各組件采用筋板結構，加強筋采用U、Z、V、幾字形結構。

為防止雨水滲入、雨水與冷凝水混合，冷凝水飛濺，避免送風帶水，設計獨特的存泄水結構、擋水結構。各腔獨立隔開，各腔水路不通，但各腔空氣流道相通。

為改善生產工藝、確保連接強度，安裝腳與側板采用特種鉚釘鉚接，并輔助焊接。

為避免采用特殊寬幅不銹鋼帶來的成本增加、周期延長，同時一定程度上增加強度、剛性，底板組件采用多盒點焊拼接結構形式。

為美化電氣走線，避免電線接近水，采用沿側壁、橫梁等走線的幾字形固線鉤結構。

各零部件組裝在一個由不銹鋼板（材料SUS304）焊接、鉚接成的箱體內，加蓋后形成一個整體?？照{機組的主要部件包括全封閉渦旋式壓縮機2臺，冷凝器2臺，熱力膨脹閥2個，蒸發器2臺（二獨立系統），干燥過濾器2個，離心式風機1臺，軸流式風機2臺、壓力控制開關4個，壓力傳感器4個，組成相對獨立的兩個制冷系統。箱體分為室內側和室外側兩部分。壓縮機、離心式風機、蒸發器等安裝在室內側；軸流式風機和冷凝器等安裝在室外側?？照{機組的箱體和上蓋全部采用不銹鋼板制成。組成制冷系統的部件及配管全部用銀釬焊連接，構成全密封的制冷循環系統，制冷劑R407C封閉在制冷系統內?？照{機組的冷風出口在機組的前端部，回風口在機組的前端部，新風口在機組蒸發腔兩側，新風量以電動調節器調節，帶位置反饋。回風口處裝有回風調節器。新風過濾網及回風過濾網可開蓋拆裝。

機組與車頂連接固定，并設有減震裝置。GDL40機組外形見圖3。

4 實測制冷量計算［2］

地鐵空調機組制冷量試驗參照TB/T 1804-2009《鐵道客車空調機組》進行，利用空氣焓差法測量，制冷量通過測量空調機組室內側進、出口的空氣干、濕球溫度和空氣流量確定。計算用數據采用工況穩定后測試的4組數據的算術平均值。

基于室內側測試數據計算制冷量時，其計算公式如下。

表5 額定制冷試驗工況 單位℃

式中，Q0—制冷量（室內側數據），單位為瓦（W）；L0—室內側空氣流量測量值，單位為立方米每秒（m3/s）；hc—室內側送風空氣焓值，單位為焦每千克干空氣（J/kg干空氣）；hn—室內側回風空氣焓值，單位為焦每千克干空氣（J/kg干空氣）；Vp—噴嘴處空氣比容，單位為立方米每千克（m3/ kg）；Xp—噴嘴處空氣含濕量，單位為千克每千克干空氣（m3/ kg）

本機組額定制冷試驗工況見表5，額定制冷試驗數據見表6。表中測試數據表明達到設計要求。

5 開發中面臨的問題及解決措施

地鐵空調開發面臨的問題很多，如：如何確保名義制冷量？如何確保系統可靠運行？如何確保二系統的均衡性？如何確保最大制冷運行？如何解決送風帶水？如何提高焊接質量？如何確保抗振性能等。為分析這些問題產生的原因，尋求解決問題的方法，我們作出極大的努力，并最終將所有的問題解決掉。下面著重就送風帶水的原因和解決措施進行闡述。

送風帶水是地鐵空調開發中易出現的問題，在本次開發中也碰到了這個問題。我們分析認為：由于蒸發器分液頭布置不合理，加上擋水結構設計欠妥，分液頭、分流管及蒸發器表面上冷凝產生的水珠，在通風腔負壓的作用下，被氣流帶到通風機葉輪，吹向送風口（見圖4）。

解決措施：如圖5，將蒸發器分流頭及分流管更換一個方向，這樣風速較小的部位不容易將凝露水滴吹掉，即使吹掉，經過較長路徑，在路途中滴落在中間水盤，再由水盤排水孔排出。同時將靠近風機的前隔板底部增加三處擋水結構，防止蒸發器底部水珠被吸引。試驗表明能有效解決凝露水飛出問題。

6 機組技術參數及機組特點

6.1 機組技術參數

通過設計計算和多次試驗，最終確定GDL40機組主要技術參數如表7。

GDL40機組不同工況下的制冷量曲線圖見圖6。

6.2 機組特點

6.2.1 節能

當人群高峰期時，地鐵空調全負荷運轉，確保車廂內溫度和濕度達到要求；當人群低峰期時，地鐵空調機組回風溫度傳感器檢測到車廂內溫度達到設定溫度，機組將自動實現減半運行或通風運行，從而達到節能目的。本機組通過優化設計，與現行地鐵空調相比，新型地鐵空調減少一個送風腔、送風機、蒸發腔，原材料消耗少；能效比高，重量輕，減少地鐵車輛運行能耗，節能。

表6 額定制冷試驗數據

6.2.2 環保

采用環保型制冷劑R407C，對臭氧層零破壞。機組采用無鉛注塑件及多種可維修型材料，更利于環境保護。

表7 地鐵車輛空調主要技術參數表

6.2.3 運行可靠

雙系統設計，根據實際空調負荷自動選擇一個或二個系統運行。機組采用熱力膨脹閥節流確保機組運行時不回液；機組設有液管電磁閥，確保機組不回液，從而確保壓縮機任何時候都是可靠的，有效延長壓縮機使用壽命。機組設有高壓開關、低壓開關，低壓旁通閥等確保運行中一切都在控制范圍內；選用國際著名廠家的元器件，確保系統運行可靠性。

6.2.4 維修方便

機組內部布置合理，過濾網拆卸方便，兩器沖洗方便；蓋板采用鐵路通用壓縮式門鎖固定，開啟和關閉都佷方便。

6.2.5 更強防銹

機組殼體由不銹鋼板SUS304 2B 焊接和鉚接而成，所有緊固件均采用不銹鋼材質，具有超強的抗腐防銹能力，確保機組殼體使用壽命。

7 結論

針對本機組的開發，公司專門制定了企業內控標準，盡管該標準比GB/T 19842-2005《軌道車輛空調機組》嚴格得多，但該機組通過了包括長期運轉試驗在內的所有型式試驗，證明完全達到設計要求和企標要求。該機組性能良好，結構緊湊，重量輕，節能，環保，運行可靠，維修方便，更強防銹，具有廣泛的市場應用前景。

[1] GB/T 19842-2005 軌道車輛空調機組［S］ 2005

[2] TB//T 1804-2009 鐵道客車空調機組［S］ 2009.11[3] 劉加春 專利ZL201020630219.7 空調［P］ 2010.11