基于幅流風機的城市軌道交通客車動態空調分析

康 偉

（長春軌道客車股份有限公司城市軌道交通技術部，130062，長春∥高級工程師）

目前，我國城市軌道交通發展迅猛。城市軌道交通客車空調系統能耗在總能耗中占有相當大比例，已嚴重影響到城市軌道交通運營的經濟性［1］。傳統的空調策略力圖維持一個穩定的室內環境，而室內環境的穩定需要消耗大量的能源，同時對人體的健康不利。另外，城市軌道交通客車空調系統中，由于車輛運行過程中車內旅客上下、開關門頻繁，很難保持穩定的熱環境。動態空調策略［2］是通過對室內熱環境的適當動態化，即某些或某個熱環境參數的適當動態化，在盡可能減少能量消耗和環境污染的條件下，提供健康、舒適和可接受的室內環境，以達到舒適和節能的統一。城市軌道交通客車空調系統中幅流風機的應用充分體現了動態空調策略在城市軌道交通客車空調系統中的優勢：利用風速動態化提供給乘客富于變化的、有利于人體健康的空調環境，同時可以減小系統能耗。

1 動態空調策略

動態空調策略與傳統穩態空調策略的區別在于通過某個或數個室內空氣參數的變化給人以適當的刺激，以達到健康、節能、舒適的空調環境。

1.1 穩態空調

穩態空調策略的主要特征是穩定性和熱中性，其主要目的是維持室內熱環境的穩定。然而，空調房間相對穩定的低溫環境，會使人產生許多“空調不適應癥”。室內外較大溫差造成的熱沖擊對人體健康不利；長期生活在穩定的低溫環境，人體生理調節機能得不到鍛煉，抵抗能力被削弱。另外，穩態空調要維持人體的熱中性，空氣溫度一般低于26 ℃，增加空氣流動易造成人體冷吹風感，因而室內空氣流速須限制在較低水平，容易使人感到空氣沉悶，不能滿足人體舒適性要求。

為了維持室內較低溫度，不僅要花費大量的能量及設備投資，而且由于室內熱量排至室外，造成室外環境熱污染。特別是地下運行的地鐵車輛，大量熱量堆積在隧道內，導致隧道溫度顯著升高，進而增加列車空調負荷，產生惡性循環。因此，如何解決穩態空調在城市軌道交通客車中的缺陷成為城市軌道交通客車空調系統發展的方向。

1.2 動態空調

動態空調旨在通過熱環境的適當動態化，即某個或數個室內空氣參數的適當動態化，給人以適當的刺激，以達到健康、節能、舒適的目的。

穩態熱環境的人體熱感覺可用下式描述［3］：

其中：TSV為熱感覺指標，Ta為空氣溫度，Tr為平均輻射溫度，Rh為相對濕度，v為人體感受到的平均風速，met為新陳代謝率，Iclo為著衣量。

在構成熱環境的4個參數（空氣溫度、風速、相對溫度、平均輻射溫度）中，相對濕度在30%～70%范圍內波動對人體的熱感覺和熱舒適無明顯影響，而室內表面平均輻射溫度的變化也很有限。因此，動態化熱環境的實現主要依賴空氣溫度和風速的變化。溫度動態化可以給人體適當刺激，改善穩定情況下無差別狀態；風速的動態化不但可以改善熱舒適，且其具有明顯的溫度補償功能，即使在空氣達到較高溫度時，利用動態送風模式，仍可使人群的熱反應具有較高的可接受性；此時冷吹風感轉化為對空氣流動的需求感，室內空氣沉悶情況可得到改善，感知空氣品質得到相應改善。相關研究表明，利用動態風可以改善室內熱環境［4－5］。另外，在同樣環境條件下，風速從0.1 m／s提高到2.0m／s時，人的體感溫度一般可下降2℃左右（溫度越高時，降低的幅度越大）因此利用風速動態化，可適當提高室內設定溫度，實現舒適與節能的雙重效果。

2 幅流風機

幅流風機是一種小型的貫流式風機，其流量小、噪聲低、造型美觀，實物見圖1。

圖1 幅流風機實物圖

近年來，作為大多數民用空調室內送風機，幅流風機在空調系統中得到廣泛應用。

幅流風機工作時，葉輪在電動機的作用下快速旋轉，向客室送風；葉輪的蝸殼在擺動機構的作用下，在風機下方70°范圍內做往復運動，風機吹向乘客的是間歇式動態風。這樣，一方面減小了長期吹風可能帶來的冷吹風感，另一方面通過幅流風機的間歇作用實現風速動態化，改善了車廂內的熱環境。

幅流風機通常沿車體長度方向布置4～8臺，不同車廂內的布置方式稍有差異，詳見圖2、圖3。幅流風機通過減震器安裝于車頂鋼結構上，嵌于客室頂板。幅流風機下設幅流格柵，幅流風機通過幅流格柵向客室送風。

3 幅流風機在城市軌道交通客車空調系統中的作用

圖2 中間車廂幅流風機布置示意圖

圖3 頭車廂幅流風機布置示意圖

幅流風機在城市軌道交通客車空調系統中的作用主要體現在舒適性改善及節能兩個主要方面。

3.1 幅流風機舒適性改善效果分析

本文首先對一空調房間裝設幅流風機前后的流場進行數值計算，其數值計算模型見圖4。圖5、圖6為裝設幅流風機前后的空調房間溫度分布圖。

圖4 數值模擬計算模型

圖5 未裝設幅流風機的溫度分布

圖6 裝設幅流風機的溫度分布

通過對比可以看出，未裝設幅流風機時，室內有顯著的垂直溫度梯度，最高溫度達到26 ℃以上，熱舒適性較差；而裝設幅流風機后，室內溫度分布比較均勻，最高溫度為25 ℃，熱舒適性較好。

圖7為裝設幅流風機前后的空調房間風速分布圖。通過對比可以看出，未裝設幅流風機時，送風口處風速最大，約為0.7 m／s；人員活動區域甚至出現了“死區”，室內空氣流動性差，會使人員感覺沉悶，舒適性較差。裝設幅流風機后，幅流風機下方風速最大，達到1.0m／s以上；人員活動區風速達到0.3～0.4 m／s，室內空氣流通性好，可以適當增加室內設定溫度，實現舒適與節能的雙重效果。

圖7 裝設幅流風機前后的空調房間風速分布

同時，本文對一城市軌道交通車廂裝設幅流風機前后的流場進行了數值計算，數值計算中的送風溫度設定為15℃，車體壁面溫度設定為27℃，幅流風機裝設在車頂中間。圖8、圖9為裝設幅流風機前后的車廂內風速、溫度分布圖。通過對比可以看出：未裝設幅流風機時，車廂內送風口及其下方區域風速較高，達到0.5～0.6 m／s，會產生強烈的冷吹風感，而車廂其他大部分區域風速相對較低，空氣流動性差，斷面溫度分布差異顯著，局部溫度達到33℃，熱舒適性較差；增設幅流風機后，車廂內送風口下方風速相對降低，冷吹風感減弱，而車廂整體斷面風速相對增加，空氣流通有所改善，斷面溫度分布比較均勻，為22 ℃左右，溫度較低。

圖8 未裝設幅流風機的風速分布和溫度分布

圖9 裝設幅流風機的風速分布和溫度分布

所以，增設幅流風機后應適當提高送風溫度，可以在滿足熱舒適條件下達到節能效果。

3.2 幅流風機節能效果分析

社會的可持續發展政策使得空調系統能耗問題成為社會關注的焦點。城市軌道交通客車中幅流風機的使用可以適當提高車廂設定溫度，不僅可以減小空調負荷，而且可以提高制冷系統的效率，從而降低系統能耗。

PMV（預測平均投票數）指標是根據人體熱平衡偏離程度的人體熱負荷而得出的，用以表征人體熱感覺，代表了同一環境中大多數人的感覺［3］。PMV 指標可通過估算人體活動的代謝率及服裝熱阻獲得，同時還需要以下環境參數：空氣溫度、平均輻射溫度、相對空氣流速及空氣濕度。一般當－0.5＜PMV＜0.5 時，可以認為人體熱感覺為舒適［6］。本文對一城市軌道交通車廂空調系統不同運行工況的PMV 值進行計算對比分析，詳見圖10。

圖10 幅流風機增設前后PMV 值的對比分析

圖10 a）為僅空調機組工作與空調機組、幅流風機同時工作時，人體舒適性指標PMV 值的對比情況。從圖10 a）可以看出，開啟幅流風機后，PMV值向0值偏移，人體熱舒適性顯著提高。圖10 b）為僅空調機組工作與空調機組、幅流風機同時工作（但室內設定溫度提高1 ℃）時PMV 值的對比情況。從圖10 b）可以看出，設定溫度提高1 ℃時，開啟幅流風機時，人體熱舒適性仍好于僅空調機組工作時的情況。

由于幅流風機的作用將客室內風速控制在2 m／s左右，從而使得相同的體感溫度條件下，空調系統室內溫度的設定值可以大約提高2 ℃。本文對A、B兩種不同車型車輛進行負荷計算。計算中，室外溫度為35 ℃、相對濕度為60%，車內溫度為26℃／28 ℃、相對濕度為65%，A 型車定員為320人、B型車定員為254人，A 型車新風量為3200 m3／h，B型車新風量為2540 m3／h。具體計算結果見表1。

表1 不同車內溫度時A、B型車車輛負荷計算 kW

從表1可以看出，室內設定溫度為28℃相對于室內設定溫度為26℃制冷負荷大約減少10%，根據現有列車配置情況，以每列車8輛城市軌道交通車廂計算，其配置的靜止逆變器的容量可降低約50 kVA，除了相應的設備投資大幅度降低，耗電量也顯著減小。

4 結論

動態空調策略有利于舒適性改善和節能，在城市軌道交通客車空調系統中采用幅流風機，實現風速動態化，在保證舒適性的同時可提高室內設定溫度、減少設備投資和能耗、減少環境污染。因此，應進一步開展幅流風機應用效果的評估分析工作，進一步完善空調系統與幅流風機的協同工作，實現城市軌道交通客車空調系統舒適、節能、環保，為社會的可持續發展做出貢獻。

［1］Yu Liangguang，Wu Xiping，Zhang Chen.Energy saving analysis for curtains of subway［J］.Journal of Thermal Science and Technology，2009（4）：343.

［2］孫淑鳳，趙榮義，許為全.動態空調策略研究［J］.制冷與空調，2003（3）：27.

［3］朱穎心.建筑環境學［M］.2 版.北京：中國建筑工業出版社，2005.

［4］McIntyre D A.Preferred air speeds for comfort in warm conditions［J］.ASHRAE Trans，1978（2）：264.

［5］朱芳宇.動態風作用下人體熱反應及其穩態模糊評價［D］.北京：清華大學熱能工程系，1994.

［6］ISO—7730.Moderate thermal environments determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions comfort［S］.