地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計要點簡析

王業(yè)+張參+張麗

摘 要：空調(diào)系統(tǒng)是地鐵車輛的重要系統(tǒng)之一。文章以某地鐵項目空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計為基礎(chǔ)，對地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計要點進行分析，著重對空調(diào)負荷計算、客室空調(diào)機組設(shè)計、均勻送風(fēng)道設(shè)計、廢排設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計和緊急逆變系統(tǒng)等進行了闡述。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；空調(diào)系統(tǒng)；設(shè)計要點

中圖分類號：S776.36+3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0093-02

我國現(xiàn)代化城市交通迅速發(fā)展，城市軌道車輛已成為極為重要的運輸工具。為乘客提供舒適的內(nèi)部乘車環(huán)境是對城市軌道車輛的基本要求和重要指標。合理的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計才能使車廂形成均勻而穩(wěn)定的溫濕度場、風(fēng)速場以及高潔凈度，以滿足人體熱舒適性要求。本文以某實際項目車輛空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計為基礎(chǔ)，簡要介紹其設(shè)計要點。

1 車輛概述和對空調(diào)系統(tǒng)的基本需求

1.1 車輛概述

我國南方某城市B型鋁合金鼓形地鐵車輛，4動2拖編組。

編組型式：+Tc*M*M=M*M*Tc+Tc：帶司機室的拖車，M：具有動力的動車+全自動車鉤；=半自動車鉤；*半永久牽引桿額定載荷250人/輛。

車輛可在隧道、高架和地面線路上運行。

1.2 車輛空調(diào)系統(tǒng)的基本需求

（1）列車采用車體頂置單元式空調(diào)機組，具有預(yù)冷、預(yù)熱、制冷、通風(fēng)、采暖和緊急通風(fēng)功能。額定工況下：當(dāng)外界環(huán)境溫度為35℃、相對濕度為70%時，車內(nèi)溫度不大于27℃，車內(nèi)相對濕度不大于63%。制冷功率不小于37kW。（2）司機室設(shè)置一個獨立的通風(fēng)單元，通過風(fēng)道從相鄰的空調(diào)機組引入經(jīng)過處理的空氣，實現(xiàn)司機室的空氣調(diào)節(jié)。（3）列車能對整列車的空調(diào)機組進行集中控制。（4）空調(diào)機組采用微機控制，可根據(jù)外界環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)客室內(nèi)溫度，也可根據(jù)各自的溫度控制器所設(shè)定的溫度進行客室內(nèi)溫度控制。（5）當(dāng)列車斷電或輔助電源、空調(diào)控制器故障時，空調(diào)機組自動轉(zhuǎn)為緊急通風(fēng)模式，緊急通風(fēng)不低于45min。當(dāng)故障恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動恢復(fù)至正常運行模式。

2 空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計

地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的一般分為三部分：空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計、控制系統(tǒng)的設(shè)計、緊急逆變系統(tǒng)的設(shè)計，三個系統(tǒng)相輔相成，共同為乘客提供一個舒適的乘車環(huán)境。

2.1 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

（1）根據(jù)列車運營條件（隧道排風(fēng)井的位置）、空調(diào)設(shè)備的要求（如頂置式空調(diào)）確定具體的氣流組織型式。（2）根據(jù)環(huán)境設(shè)計參數(shù)（車外溫濕度、太陽輻射等）、舒適性參數(shù)（如車內(nèi)溫濕度、人均新風(fēng)量等），進行空調(diào)負荷計算，確定空調(diào)機組的制冷量、總風(fēng)量等參數(shù)。（3）確定了空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織型式、空調(diào)系統(tǒng)的基本參數(shù)后，即進行空調(diào)機組、送風(fēng)道、廢排等設(shè)備的設(shè)計。（4）進行司機室空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計。

2.1.1 氣流組織。車輛空調(diào)系統(tǒng)常見的氣流組織型式有前送下回式、前送側(cè)回式、前送前回式和下送下回式等，根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)，外部的限界形式等確定氣流組織形式。本次研究的車輛選用前送前回的氣流組織型式，該種型式具有送風(fēng)均勻性好，車內(nèi)噪聲低，車內(nèi)乘客舒適性更高等優(yōu)點。

2.1.2 空調(diào)系統(tǒng)負荷計算。根據(jù)用戶提供的基礎(chǔ)計算參數(shù)（如氣候條件、列車載客量、新風(fēng)量、太陽輻射等）、車體幾何尺寸、車體傳熱系數(shù)等，按照TB/T1957標準進行計算。通過計算確定空調(diào)機組的制冷量、風(fēng)量等相關(guān)參數(shù)。空調(diào)制冷量、風(fēng)量應(yīng)適宜，不宜過大，因為地鐵車輛預(yù)留給空調(diào)機組的空間有限，單純提高制冷量、風(fēng)量會給機組帶來機械設(shè)計、壓縮機選型、風(fēng)機選型、噪聲提高等諸多問題。經(jīng)過計算，每輛車選用2臺制冷量分別為37kW，新風(fēng)量為1300m3/h，總風(fēng)量為4000m3/h的空調(diào)機組即能滿足需求。

2.1.3 客室空調(diào)機組的設(shè)計。空調(diào)機組主要分為單元式及分體式兩種，單元式機組結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝和維護。分體式機組（冷凝單元和通風(fēng)單元分開）結(jié)構(gòu)及安裝較復(fù)雜，但噪音相對較低。本車輛的空調(diào)機組采用頂置單元式，各零部件組裝在機組構(gòu)架內(nèi)，主要部件有壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、通風(fēng)機、冷凝風(fēng)機、毛細管、回風(fēng)及新風(fēng)電動閥等。空調(diào)機組通過螺栓加減震器型式安裝在車輛上，能有效抑制空調(diào)振動傳遞到車輛上。為響應(yīng)國家節(jié)能減排號召，該車輛新風(fēng)量可根據(jù)列車載客量進行自動調(diào)節(jié)。新風(fēng)熱負荷約占整個空調(diào)熱負荷的40%左右，因此在保證舒適性的情況下，合理控制新風(fēng)的進入量，是一種高效可靠的節(jié)能方式，尤其在車輛運營載客的非高峰期，節(jié)能顯著。

2.1.4 均勻送風(fēng)道設(shè)計。地鐵風(fēng)道的設(shè)計直接影響著空調(diào)系統(tǒng)的制冷（制熱）效果、車內(nèi)溫濕度場、風(fēng)速場以及車內(nèi)噪聲。目前地鐵上較多采用的送風(fēng)風(fēng)道型式：條縫式靜壓均勻送風(fēng)風(fēng)道，網(wǎng)孔式送風(fēng)風(fēng)道和變截面式均勻送風(fēng)風(fēng)道等。本項目綜合車輛的需求和成本等多方面因素考慮，選擇采用條縫式靜壓均勻送風(fēng)風(fēng)道，該風(fēng)道主要由主風(fēng)道和靜壓風(fēng)道組成，通過靜壓風(fēng)道的條縫送風(fēng)口向車廂內(nèi)送風(fēng)。為了保證滿足人體熱舒適性的要求，風(fēng)道結(jié)構(gòu)及車廂內(nèi)的氣流組織需進行CFD模擬計算，空調(diào)與風(fēng)道的配套試驗等，最終實現(xiàn)對車廂的均勻送風(fēng)。

2.1.5 廢排設(shè)計。廢排的設(shè)計對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)影響比較大。若排風(fēng)面積不足，排風(fēng)量將偏小，車內(nèi)壓力過高，導(dǎo)致車門打開困難；若排風(fēng)口面積過大，引入的新風(fēng)量過多，則導(dǎo)致空調(diào)負荷增加、車內(nèi)溫度偏高等問題。本項目設(shè)置4個車頂廢排裝置，利用車廂內(nèi)正壓將廢氣排出車外，結(jié)構(gòu)簡單易于維護，能滿足排風(fēng)量和車廂的10～50Pa壓力的需求。廢排在設(shè)計時進行了相關(guān)的CFD模擬計算、風(fēng)量與車廂內(nèi)壓力的阻力特性試驗和淋雨試驗等，保證廢排的性能滿足車輛需求。

2.1.6 司機室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計。司機室的空調(diào)設(shè)計主要有兩種模式：司機室空調(diào)和通風(fēng)單元。司機室空調(diào)有獨立的控制系統(tǒng)，制冷、制熱效果好，司機可獨立控制其溫濕度。但造價偏高。因空調(diào)機組和控制板需要單獨設(shè)置，造成司機室空間更加緊張且后期維護成本較高。通風(fēng)單元內(nèi)部只有通風(fēng)機、電加熱器和簡單的控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、維護簡便且費用較低等優(yōu)點。但對司機室溫度控制精度較差。本項目采用司機室通風(fēng)單元的形式，通過控制引風(fēng)量滿足司機室舒適性，同時減少了設(shè)計、維護、檢修成本，提高設(shè)備可靠性。endprint

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)以微機控制為控制核心，控制空調(diào)機組工作在預(yù)冷、制冷和通風(fēng)等不同的工作模式，調(diào)節(jié)客室內(nèi)溫度，使其處于舒適的溫度環(huán)境下，同時具有自診斷功能及信息傳遞等功能。

客室空調(diào)控制分為網(wǎng)絡(luò)集中控制與本車空調(diào)控制，空調(diào)集中控制功能是通過操作駕駛顯示單元（HMI）觸摸屏發(fā)送空調(diào)控制指令經(jīng)多功能車輛總線（MVB）網(wǎng)絡(luò)傳送給客室空調(diào)控制盤來實現(xiàn)的，本車控制功能是通過操作每個客室空調(diào)控制盤上的溫度與模式選擇開關(guān)來實現(xiàn)的。

2.2.1 集中控制。當(dāng)空調(diào)處于集控狀態(tài)，客室空調(diào)根據(jù)室內(nèi)外溫度，自動進行制冷工況。在該工況時，客室空調(diào)一般將根據(jù)UIC553曲線調(diào)節(jié)客室溫度：

即：Tic=22℃（如果Te<19℃）

Tic=22℃+0.25℃（Te-19℃） （如果Te≥19℃）

其中：Te：外界環(huán)境溫度；Ti：室內(nèi)溫度；Tic：室內(nèi)目標溫度計算值。

司機也可手動選擇客室目標溫度，此時車內(nèi)目標溫度與外界環(huán)境溫度無關(guān)，提高車廂內(nèi)舒適度。

2.2.2 本車控制。空調(diào)的本車控制通過每個客室控制盤上的模式和溫度選擇開關(guān)來實現(xiàn)。模式選擇開關(guān)可選擇自動、通風(fēng)、制冷、停止、測試等檔位，溫度選擇開關(guān)可設(shè)定目標溫度，共同實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

2.2.3 空調(diào)通訊與維護。空調(diào)控制系統(tǒng)通過MVB接口與列車網(wǎng)絡(luò)進行通訊，接收來自車輛的指令，傳遞空調(diào)機組的工作狀態(tài)，溫度及故障信息等，并在HMI上顯示和查詢。當(dāng)需要調(diào)試維護，可在空調(diào)控制器上進行數(shù)據(jù)下載及運行監(jiān)測。

2.3 緊急逆變系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)車輛主電源出現(xiàn)故障或空調(diào)控制器故障的情況下，為保證乘客的舒適度，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)有緊急逆變裝置，對車輛進行緊急通風(fēng)。

當(dāng)空調(diào)三相供電網(wǎng)絡(luò)故障或空調(diào)控制器故障等情況下緊急通風(fēng)將啟動。緊急通風(fēng)逆變裝置將列車蓄電池提供的DC110V逆變成三相交流電源供空調(diào)通風(fēng)機使用，包括司機室通風(fēng)單元通風(fēng)機。當(dāng)空調(diào)的三相電恢復(fù)或緊急通風(fēng)45分鐘后，緊急通風(fēng)將結(jié)束。

緊急通風(fēng)設(shè)計時需注意考慮車輛回庫維修時在無中壓情況、升弓時間及輔助逆變器的自檢時間等工況，防止意外啟動。

3 結(jié)束語

本項目車輛的空調(diào)系統(tǒng)在完成設(shè)計、制造及車輛總成后，按照EN14750標準進行了相關(guān)試驗驗證，驗證結(jié)果表明本項目空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)量、制冷量、溫度場等參數(shù)滿足合同的要求。在實際運營過程中，空調(diào)系統(tǒng)運行良好。

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