地鐵車輛空調系統設計要點簡析

王業+張參+張麗

摘 要：空調系統是地鐵車輛的重要系統之一。文章以某地鐵項目空調系統設計為基礎，對地鐵車輛空調系統設計要點進行分析，著重對空調負荷計算、客室空調機組設計、均勻送風道設計、廢排設計、控制系統設計和緊急逆變系統等進行了闡述。

關鍵詞：地鐵車輛；空調系統；設計要點

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

我國現代化城市交通迅速發展，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部乘車環境是對城市軌道車輛的基本要求和重要指標。合理的空調系統設計才能使車廂形成均勻而穩定的溫濕度場、風速場以及高潔凈度，以滿足人體熱舒適性要求。本文以某實際項目車輛空調系統設計為基礎，簡要介紹其設計要點。

1 車輛概述和對空調系統的基本需求

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 車輛空調系統的基本需求

（1）列車采用車體頂置單元式空調機組，具有預冷、預熱、制冷、通風、采暖和緊急通風功能。額定工況下：當外界環境溫度為35℃、相對濕度為70%時，車內溫度不大于27℃，車內相對濕度不大于63%。制冷功率不小于37kW。（2）司機室設置一個獨立的通風單元，通過風道從相鄰的空調機組引入經過處理的空氣，實現司機室的空氣調節。（3）列車能對整列車的空調機組進行集中控制。（4）空調機組采用微機控制，可根據外界環境溫度自動調節客室內溫度，也可根據各自的溫度控制器所設定的溫度進行客室內溫度控制。（5）當列車斷電或輔助電源、空調控制器故障時，空調機組自動轉為緊急通風模式，緊急通風不低于45min。當故障恢復正常后，系統自動恢復至正常運行模式。

2 空調系統的設計

地鐵車輛空調系統設計的一般分為三部分：空調通風系統的設計、控制系統的設計、緊急逆變系統的設計，三個系統相輔相成，共同為乘客提供一個舒適的乘車環境。

2.1 空調通風系統設計

（1）根據列車運營條件（隧道排風井的位置）、空調設備的要求（如頂置式空調）確定具體的氣流組織型式。（2）根據環境設計參數（車外溫濕度、太陽輻射等）、舒適性參數（如車內溫濕度、人均新風量等），進行空調負荷計算，確定空調機組的制冷量、總風量等參數。（3）確定了空調系統的氣流組織型式、空調系統的基本參數后，即進行空調機組、送風道、廢排等設備的設計。（4）進行司機室空調系統的設計。

2.1.1 氣流組織。車輛空調系統常見的氣流組織型式有前送下回式、前送側回式、前送前回式和下送下回式等，根據車輛的結構，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，該種型式具有送風均勻性好，車內噪聲低，車內乘客舒適性更高等優點。

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

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

2.1.4 均勻送風道設計。地鐵風道的設計直接影響著空調系統的制冷（制熱）效果、車內溫濕度場、風速場以及車內噪聲。目前地鐵上較多采用的送風風道型式：條縫式靜壓均勻送風風道，網孔式送風風道和變截面式均勻送風風道等。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風道，該風道主要由主風道和靜壓風道組成，通過靜壓風道的條縫送風口向車廂內送風。為了保證滿足人體熱舒適性的要求，風道結構及車廂內的氣流組織需進行CFD模擬計算，空調與風道的配套試驗等，最終實現對車廂的均勻送風。

2.1.5 廢排設計。廢排的設計對空調通風系統影響比較大。若排風面積不足，排風量將偏小，車內壓力過高，導致車門打開困難；若排風口面積過大，引入的新風量過多，則導致空調負荷增加、車內溫度偏高等問題。本項目設置4個車頂廢排裝置，利用車廂內正壓將廢氣排出車外，結構簡單易于維護，能滿足排風量和車廂的10～50Pa壓力的需求。廢排在設計時進行了相關的CFD模擬計算、風量與車廂內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 司機室空調系統設計。司機室的空調設計主要有兩種模式：司機室空調和通風單元。司機室空調有獨立的控制系統，制冷、制熱效果好，司機可獨立控制其溫濕度。但造價偏高。因空調機組和控制板需要單獨設置，造成司機室空間更加緊張且后期維護成本較高。通風單元內部只有通風機、電加熱器和簡單的控制系統，具有結構簡單、重量輕、維護簡便且費用較低等優點。但對司機室溫度控制精度較差。本項目采用司機室通風單元的形式，通過控制引風量滿足司機室舒適性，同時減少了設計、維護、檢修成本，提高設備可靠性。endprint

2.2 控制系統設計

控制系統以微機控制為控制核心，控制空調機組工作在預冷、制冷和通風等不同的工作模式，調節客室內溫度，使其處于舒適的溫度環境下，同時具有自診斷功能及信息傳遞等功能。

客室空調控制分為網絡集中控制與本車空調控制，空調集中控制功能是通過操作駕駛顯示單元（HMI）觸摸屏發送空調控制指令經多功能車輛總線（MVB）網絡傳送給客室空調控制盤來實現的，本車控制功能是通過操作每個客室空調控制盤上的溫度與模式選擇開關來實現的。

2.2.1 集中控制。當空調處于集控狀態，客室空調根據室內外溫度，自動進行制冷工況。在該工況時，客室空調一般將根據UIC553曲線調節客室溫度：

即：Tic=22℃（如果Te<19℃）

Tic=22℃+0.25℃（Te-19℃） （如果Te≥19℃）

其中：Te：外界環境溫度；Ti：室內溫度；Tic：室內目標溫度計算值。

司機也可手動選擇客室目標溫度，此時車內目標溫度與外界環境溫度無關，提高車廂內舒適度。

2.2.2 本車控制。空調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來實現。模式選擇開關可選擇自動、通風、制冷、停止、測試等檔位，溫度選擇開關可設定目標溫度，共同實現相應的功能。

2.2.3 空調通訊與維護。空調控制系統通過MVB接口與列車網絡進行通訊，接收來自車輛的指令，傳遞空調機組的工作狀態，溫度及故障信息等，并在HMI上顯示和查詢。當需要調試維護，可在空調控制器上進行數據下載及運行監測。

2.3 緊急逆變系統設計

當車輛主電源出現故障或空調控制器故障的情況下，為保證乘客的舒適度，空調系統設有緊急逆變裝置，對車輛進行緊急通風。

當空調三相供電網絡故障或空調控制器故障等情況下緊急通風將啟動。緊急通風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通風機使用，包括司機室通風單元通風機。當空調的三相電恢復或緊急通風45分鐘后，緊急通風將結束。

緊急通風設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 結束語

本項目車輛的空調系統在完成設計、制造及車輛總成后，按照EN14750標準進行了相關試驗驗證，驗證結果表明本項目空調系統的風量、制冷量、溫度場等參數滿足合同的要求。在實際運營過程中，空調系統運行良好。

參考文獻：

[1]計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：126-130.

[2]龍靜，王書傲.關于地鐵車輛送風方式方案的探討[J].鐵道車輛，2004（8）：24-26.

[3]TB/T1957-1991.鐵道空調客車熱工計算方法[S].endprint