基于B型地鐵的空調通風系統設計

楊延龍 劉保生 王 巖

基于B型地鐵的空調通風系統設計

楊延龍 劉保生 王 巖

（中車大連機車車輛有限公司 大連 116022）

空調系統的送風舒適性是衡量地鐵性能的重要指標。為了達到乘坐的舒適性，需要將溫度、風速均勻性控制在合理的范圍內。通過對地鐵車輛參數、運用環境等方面進行分析，設計了某地鐵項目的空調通風系統。運用計算流體動力學技術，創建了客室的三維模型及風道系統模型，模擬客室內流場，得到空載和滿載狀態下坐姿、站姿頭部風速場和溫度場的分布情況。模擬驗證了：環境溫度＋33℃時，保證滿載狀態下，客室內溫度不高于＋28℃。氣流均高于0.07m/s，距地板面1.7m處的平均微風速在0.3～0.5m/s范圍內。將設計方案于真實的地鐵車輛上進行了空載狀態下溫度、濕度和風速的測試。實測結果與模擬計算相近似。研究結果對地鐵車輛的設計有著指導意義。可推廣出適用于B型地鐵車輛的空調通風系統設計平臺。

空調通風系統；氣流組織；模擬仿真；實車驗證；平臺化

0 引言

地鐵具有速度快、載客量大、無排放污染、乘坐舒適等優點，目前全球已有百余城市建造了地鐵[1]。國內各級城市依照國務院批復，積極開展地方地鐵建設。隨著社會的發展，乘客會對舒適性出更高的要求，其中空調通風系統就顯得尤為重要。地鐵客室內氣流組織主要受送風速度，送風溫度，送風濕度，送風角度，送風口布置，熱源分布等眾多因素影響[2]。通過建立地鐵客室和風道系統等數學模型，對溫濕度場、風速場的均勻性進行模擬，以提升氣流組織的效果，達到舒適性。為乘客營造高品質的乘坐環境[3]。

大連交通大學的王斌通過三維建模分析了風道內部氣流組織變化規律，并在車廂內加入了人體模型，通過客室內具有代表性位置的氣流組織分布和環境溫度進行分析，來評估空調系統、風道系統的性能。還對滿載狀態下客室之間進行了模擬，分析兩車之間貫通道處受流場和溫度場的影響情況[4]。中南大學的李超等人采用流體軟件建立計算模型，分析人體與環境之間的氣固耦合散熱問題，優化客室內的氣流組織[5]。于淼、王東屏等通過對人體的散熱、地鐵結構的壁面傳熱等進行了模擬研究，采用調整送風口數量改善出風均勻性[6]。綜上，目前學者多是進行理論研究，關注影響客室氣流組織的各種因素，如：人體散熱及與環境之間的耦合散熱；相鄰兩客室之間的氣流組織；地鐵結構的壁面對傳熱的影響。但缺少理論向實踐轉化的應用案例。而且理論中采用了很多經驗公式及計算模型簡化，難免造成與實際結果的差異。

通過以往地鐵項目中空調系統設計積累的經驗，結合地鐵車輛參數、環境等信息，針對國內某個地鐵進行方案設計，并采用計算流體動力學對客室內部氣流組織的模擬，最終采取在地鐵車輛實車上對客室內部溫濕度場、風速場測試驗證。

1 空調通風系統設計

1.1 地鐵車輛參數

常規的B型地鐵均采用6節編組，編組如下：

Tc—Mp—M—M—Mp—Tc

其中，Tc為拖車；Mp為帶受電弓的動車；M為動車。Mp與M車客室兩側均設置四套車門系統，并有3組大窗，兩組小窗。Tc車的配置與Mp及M車基本類似，但Tc車一位端增設了司機室，司機室兩側配有司機室車門系統。基本參數及載客能力如表1所示。

即為乘客提供良好舒適的環境，又達到節約制冷時的能量能耗。根據國家標準的要求，空調機組的制冷能力達到滿足額定載荷人數（AW2）的制冷量即可[7]。

表1 基本參數及載客能力

1.2 空調系統設計

地鐵車輛空調通風系統由空調機組、風道系統、廢排裝置構成。通過地鐵客室頂部配置的兩臺空調機組和4臺廢排裝置，形成內部的氣流組織，為了利于保證車輛內溫度場、風速場分布的一致性。將空調機組分別設計在整車的1/4及3/4位置，如圖1所示。

圖1 空調機組、廢排裝置布置及氣流組織圖

1.3 風道系統設計

根據地鐵運用的特殊性限制，送風道布置在客室頂部內裝中，通過內裝頂板的送風格柵將新風送入到客室內。綜合考慮能耗，空調在制冷工況，均采用空調回風模式。客室內的回風氣流較廢排的排風對氣流組織影響更為明顯。客室內較優的氣流組織方式應為上送風，下回風的方式，但回風的阻力偏大，易出現貼壁現象。因此，現有地鐵多采用上送風，上回風的氣流組織形式[8]。

新風與回風在空調機組內充分混合并經冷卻后，經空調內部的送風機送入送風道，通過風道系統內接口處的分風板和導流板后，冷卻氣流從主風道上條縫式的出風口送入到靜壓腔內。在靜壓腔穩定后由中頂的格柵送入到客室內，風道組成如圖2所示。如此，氣流再次從客室回風口被空調機組重新吸入，完成客室降溫的循環過程。

1—送風口；2—主風道；3—出風口；4—靜壓腔

綜合考慮生產便利，風道采用規則矩形，沿著車輛對稱布置，Tc車風道總長度為16540mm，Mp/M車風道總長度為17760mm，寬度均為500mm。Tc車出風面積為2.5m2，Mp/M車出風面積為2.9m2。每節客室均設置兩個尺寸為254mm× 1100mm的回風口。

2 空調通風系統流場計算

2.1 地鐵車輛模型

為了便于進行模擬分析和計算，應對客室進行簡化，僅保留對結果有貢獻的參數。采用Hypermesh軟件進行網格劃分。由于風道模型在末端的出風口處存在通孔出風的情況，網格劃分具有一定難度。因此按不同的部分進行網格劃分，詳見圖6所示。其中兩個風道組成部分網格共264萬，客室內網格1025萬，總計1289萬網格，最大扭曲均小于0.96，網格質量良好，如圖3所示。

圖3 車輛模型網格圖

2.2 空調通風系統模擬分析

由于地鐵客室結構及風道均對稱，在計算中可僅選取一半。邊界參數如表2所示。

表2 邊界參數表

2.2.1 空載狀態下客室的速度和溫度

（1）室地板面1.2m處風速速度及溫度圖（空載），如圖4所示。

圖4 客室地板面1.2m風速速度及溫度圖(空載)

如圖4，距地面1.2m處的人體坐姿頭部位置截面，絕大部分氣流速度為0.12m/s。小部分0.7m/s，由于送風口與回風口的布置位置，小區域會出現風速稍大的情況，最大風速1.45m/s，但從云圖分析，不均勻的區域占比微小。模擬的情況基本滿足空氣流速的要求。

在送風溫度為20℃的情況下，距地板1.2m處，客室溫度較為均勻。客室內仿真計算結果客室平均溫度為21℃。客室內溫度滿足設計要求。

（2）客室地板面1.7m處風速速度及溫度圖（空載），如圖5所示。

圖5 客室地板面1.7m風速速度及溫度圖(空載)

如圖5，距地面1.7m處人體站立時頭部截面，大部分區域氣流速度為0.1m/s，小部分1.33m/s，小區域會出現氣流速度較大的情況，最大風速2.42m/s，但從云圖分析，不均勻的區域占比微小。由于1.7m距風道出風口較近，所以風速較1.2m處大。模擬的情況滿足空氣流速的要求。

距地板1.7m處，客室溫度分布較為均勻。計算結果客室平均溫度比距地面1.2m處平均溫度小，為20.5℃，客室舒適區溫度滿足設計要求。

圖6 客室氣流整體速度矢量圖

圖6是地鐵客室氣流速度矢量圖，從圖6中可以看出，客室中間區域出風口處速度相對較高，整體呈現向下的氣流。在客室長度方向和高度方向上存在風速不均的情況，在同一水平面上送風口處流速比較大。在客室高度方向上，距客室頂部近的地方氣流速度較大，遠離客室頂部處氣流動速度減小。但從整體方面能夠達到證客室氣流的均勻分配。

2.2.2 滿載狀態下客室的速度和溫度

客室中的速度分布，圖7～圖10是客室的速度矢量分布，滿足在人體周圍氣流速度約為0.3～0.5m/s的舒適性要求。

圖7 送風口處速度矢量圖

圖8 回風口處速度矢量分布圖

圖9 中部送風口處速度矢量圖

圖10 前端截面的速度矢量圖

圖11 客室內多個位置橫截面的速度矢量分布

通過圖11可分析出，從整體上客室內的各斷面風速速度滿足設計要求。

客室中的溫度分布，人體與空調機組向客室內的送風進行熱量交換。圖12是客室送風口位置縱向截面溫度分布云圖，由于送風口直接進入客室，所以溫度較低。

圖12 送風口處溫度分布云圖

圖13 中部縱向截面溫度分布云圖

從圖13分布云圖中看，客室前端和后端人體周圍的溫度為26～28℃。滿足設計要求。圖14是客室前端溫度分布的云圖。從中可以看出，人體周圍溫度為28℃，滿足設計要求。

圖14 客室前端溫度分布云圖

圖15 客室中部坐姿乘客周圍溫度分布云圖

在圖15中，由于此截面存在坐姿乘客的原因，所以溫度相對低，乘客面前的溫度為23℃。圖16顯示的是客室內多位置的溫度分布。從整體上，客室內的溫度比較理想。達到了設計規定的溫度。

圖16 客室內多位置溫度分布

圖17 室空氣粒子運動軌跡

圖17是客室的氣流流動軌跡。客室中乘客為230人，由于人數較多，送風基本上在人體上部，到達人體下部位置，溫度普遍增高到28℃。

圖18、圖19分別是乘客坐姿頭部（1.2m）和站姿頭部（1.7m）處位置的溫度分布云圖。從圖中得出，由于乘客的原因，車輛下半部溫度普遍增高到28℃。客室前端溫度，約28℃，中部溫度約22～23℃，均滿足設計要求。

關于政府公信力的界定，朱光磊、周望將其定義為“政府在施政過程中通過合理、有效地履行其功能和職責而取得公眾信任的能力”，認為政府公信力是執政能力的重要組成要素, 長期積累下來又發展成為政府的一種執政資源，一種軟實力和巧實力，其主要來源為政府的主動作為。[8] 此次自媒體平臺中有關瀘縣T中學事件的網友留言一定程度上彰顯了網民對于政府部門的不信任態度。 同時，T中學事件中出現的各種謠言，以及地方政府起始的簡單應對策略，一定程度上削弱了政府公信力。

圖18 乘客坐姿頭部(1.2m處)溫度分布云圖

圖19 客室站姿位置頭部(1.7m處)溫度分布云圖

2.3 客室通風系統模擬結論

對地鐵車輛空載和滿載的狀態下進行模擬分析。空載狀態下，乘客坐姿頭部（1.2m處）溫度為21℃，乘客站姿頭部（1.7m處）溫度為20.5℃；滿載狀態下，受客室內部乘客的影響，客室下半部溫度普遍增高到28℃。客室前端溫度，約28℃，客室中部溫度約22～23℃。在滿載的狀態下乘客周圍的風速在0.3-0.5m/s左右，未出現“靜態區域”，客室內的風速與溫度的分布均能夠滿足在客室外環境溫度為＋33℃時，能保證客室內溫度不高于28℃的要求。并且溫差不超過6℃。滿足設計要求。保證了乘客身體感到舒適。

3 地鐵客室通風系統測試驗證

由于理論和實際情況可能會存在差別，良好的計算模型能夠模擬客室氣流組織和溫度的變化趨勢，計算結果是否準確，還需通過實際的地鐵車輛進行客室送風的速度場、溫度場和風量的測試。將檢測和驗收合格的空調機組、風道系統、廢排裝置根據施工圖紙裝配在地鐵車輛上。

依據《CJ/T354 城市軌道交通車輛空調》標準中規定[9]，在客室內的中間及兩端取3個測溫截面，如圖20、圖21所示位置的截面1、截面3、截面5測試溫度和濕度。并在標注所有五個截面測試風速。

圖21 風速、溫度和濕度的測試截面位置

由于風道系統存在風阻，因此空調機組出風量會受機外靜壓而發生變化，影響實際出風量。因此在進行溫度、濕度和風速測試前，需要對組裝完成的地鐵車輛進行風量測試驗證。

地鐵車輛在組裝后，客室內的扶手、吊環等設施會對出風口風量采集產生影響，根據空調機組送風量等于回風量與新風量之和，因此采用此方法求得空調機組的送風量。

空調機組設置在通風模式下，空調機組新風量如表3所示，回風量如表4所示。

表3 空調機組新風量測試數據

續表3 空調機組新風量測試數據

注：1.以地鐵車輛靠近I位端的空調為1#空調，靠近II位置端的為2#空調；

2.地鐵車輛關于縱向中心線對稱，因此僅對空調機組的一側測試新風量。

表4 空調機組回風量測試數據

Tc車實測總風量為8258m3/h，Mp車實測總風量為8401m3/h。空調機組與風道系統在車輛安裝后的風量能夠滿足測試的需求，可以進行溫度、濕度測試。測試時，地鐵車輛外部環境滿足測試的要求地鐵車輛客室溫度濕度測試結果，見表5。

表5 溫度濕度測試結果

續表5 溫度濕度測試結果

在外部環境33.7℃的情況下，實測的結果為：Tc車1.2m處平均溫度22.35℃，1.7m處平均溫度22.27℃；Mp車1.2m處平均溫度21.92℃，1.7m處平均溫度21.67℃。與本文的模擬分析結果：1.2m處平均溫度21℃；在1.7m處平均溫度20.5℃接近，滿足設計要求。

采用風速儀在地鐵車輛五個截面進行測試，測試結果見表6。

根據標準要求進行的測點，其微風速均高于0.07m/s的要求，并且1.7m處的平均微風速在0.4～0.5m/s范圍內，滿足設計要求。

表6 地鐵車輛風速測試結果（單位：m/s）

4 結論

通過對典型B型地鐵車輛特點分析，設計出在室外環境溫度為＋33℃時，能保證客室內溫度不大于28℃，相對濕度不大于65%的空調通風系統。采用有限元對空載和滿載狀態模擬分析，得出了客室內部的溫濕度及風速分布情況。此設計方案于真實的地鐵車輛上進行了空載狀態下溫度和風速的測試，加以驗證空調通風系統設計效果，得到以下結論：

（1）通過數值模擬的方法分析了在空載和滿載的狀態下，設計的B型空調通風系統具有在外部環境溫度為＋33℃時，能保證客室內溫度不大于28℃，相對濕度不大于65%的能力。

（2）通過數值模擬的方法分析了在空載和滿載的狀態下，空調通風系統在運行時，氣流速度均高于0.07m/s，未出現“靜態區域”，平均微風速約為0.4～0.5m/s，乘客身體感到舒適。

（3）通過實車測試的方法測試空載狀態下，地鐵車輛溫度和風速分布情況。在外部環境33.7℃的情況下，實測的結果為：Tc車1.2m處平均溫度22.35℃，1.7m處平均溫度22.27℃；Mp車1.2m處平均溫度21.92℃，1.7m處平均溫度21.67℃。Tc車1.2m處平均微風速為0.385m/s，1.7m處平均微風速為0.421m/s；Mp車1.2m處平均微風速為0.39m/s，1.7m處平均微風速為0.415m/s，均滿足設計要求。

在實車驗證時，測試點的風速均勻性良好，而在地鐵車輛客室數值驗證計算時，存在部分點風速過高的情況，但占比微小，或是網格劃分引起的，但模擬與實車測試的結果趨勢及分布情況非常近似。

（4）根據本文研究的空調通風系統，能夠實現地鐵的平臺化設計方案，減少了新造地鐵的設計周期，并大幅度減少了后期的驗證時間。對地鐵空調通風系統的設計有著一定的工程應用借鑒價值。

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Design of Air Conditioning System Based on Type B Subway

Yang Yanlong Liu Baosheng Wang Yan

( CRRC DALIAN Co.,LTD, Dalian, 116022 )

The air supply comfort of air conditioning system is an important index to measure the subway performance. In order to achieve riding comfort, it is necessary to control the uniformity of temperature and wind speed within a reasonable range. The air conditioning and ventilation system of a subway project is designed by analyzing the parameters of subway vehicles and the application environment. Using computational fluid dynamics (CFD) technology,the three-dimensional model of the passenger room and the model of the air duct system were created to simulate the flow field in the passenger room,and the distribution of wind speed field and temperature field of the head in sitting and standing posture under AW0 and AW2 were obtained. The simulation verifies that when the ambient temperature is +33℃,the temperature in the guest room is not higher than +28℃ under AW2. The airflow is all higher than 0.07m/s,and the average breeze velocity at 1.7m away from the floor is within the range of 0.3～0.5m/s. The design scheme is tested on a subway vehicle in AW0 condition in terms of temperature, humidity and wind speed. The measured results are similar to the simulated calculation. The research results have guiding significance for the design of subway vehicles. The design platform of air conditioning and ventilation system for Type B subway vehicles can be popularized.

Air conditioning and ventilation system; Air distribution; Simulation; Real car verification; platform

U231.5

A

1671-6612（2021）02-225-09

楊延龍（1982.5-），男，工程碩士，E-mail：YYL0517@163.com

2020-08-19