懸掛式空軌車輛空調系統設計與研究

張 麗，趙維恒，何 川，徐 銘，王 磊，郭海龍，王 昭

（1 中唐空鐵科技有限公司，成都 610207；2 成都朗進交通裝備有限公司，成都 611430；3 山東朗進科技股份有限公司，山東萊蕪 250022；4 株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

目前國內懸掛式空軌列車主要應用于旅游示范線路。對于旅游專線，懸掛式空軌列車在完成游客運輸任務，為游客提供感受當地風光的第一視覺窗口外，滿足游客舒適性體驗同樣也很重要。

旅游淡旺季，車廂內游客人數負荷變化非常大，想要適時滿足不同時節游客舒適度感受，這就要求懸掛式空軌車輛能夠對車廂內環境進行自適應調節［1］，最大程度地為旅客提供優質的乘車體驗。車廂內環境調節主要依賴于車載空調系統，由于國內暫無懸掛式軌道交通相關統一標準出臺，國內既有為數不多的懸掛式空軌車輛整車功能需求和配置基本參照城市軌道交通車輛，其車載空調系統的設計仍沿用傳統城市軌道交通車輛模式，例如：車載空調控制系統仍配置獨立的空調控制盤（集成微控制器）；車輛緊急通風工況仍單獨設置緊急逆變器驅動空調機組的通風機；車輛廢排裝置采用獨立配置安裝；客室送風風道主體仍采用鋁合金材質等。然而，按傳統城市軌道交通車輛的思路設計空調系統，實際上很難真正匹配和滿足懸掛式軌道交通這種制式對空軌車輛更高輕量化、集成化等實際需求。因此，綜合懸掛式空軌交通制式的特點及其對車輛切實需求的分析，針對性地設計研發一套適合懸掛式空軌車輛的車載空調系統。

文中將對比現有技術，對該懸掛式空軌車輛空調系統的研發設計進行論述。

1 空調系統設計參數[2]

1.1 車輛參數

編組形式： =Mc+Mc=

最高運行速度： 60 km/h

額定供電電壓： DC 750 V

控制系統額定電壓：DC 24 V

1.2 空調通風性能需求

制冷特性：正常運行（AW2），車外溫（濕）度35℃，63%RH；車內溫（濕）度27℃，65%RH［3］。

制熱工況：正常靜止（AW0），車外溫度-2℃；車內溫度不低于18℃。

空調機組制冷劑采用新型環保制冷劑；EER不低于2.2，COP不低于1.9。

空調系統有緊急安全設計，每臺空調機組緊急通風量不低于1 000 m3/h，且緊急通風時間不低于30 min。

空調系統在正常情況車輛所有門均關閉時，確保客室車廂壓力在10~50 Pa之間。

2 空調機組設計

2.1 方案設計限制因素

常規城市軌道車輛系統大型車載設備一般布置于車輛底架安裝，若采用弓網受流的地鐵車輛，車頂主要設備也僅安裝受電弓、高壓設備、空調機組，空調機組安裝可用空間限制相對較為寬松，很大程度上降低了空調機組的設計難度。懸掛式空軌列車車載設備布置有別于其他軌道車輛，考慮車輛運行線路安全、車載設備維護性等因素，車輛底架區域不安裝任何設備，整車設備布置主要集中于司機室、車頂和客室內。車頂主要安置VVVF、SIV、ADU、BR、BAT等大型主機設備箱，同時車頂空間還需預留轉向架安裝和車頂電氣分段連接等安裝維護空間，導致車頂能夠預留給空調機組安裝的空間極其有限；且因懸掛式列車運行線路限界約束，車頂設備上表面與軌道梁下表面之間必須滿足距離≥260 mm的安全維護空間，這更加增大了空調機組設計的難度。

考慮到旅游線路特色、旅游旺季客運量和游客乘坐觀光體驗等需求，客室采取簡約大視野的美工布局，因此車內無電氣柜布置，無合適空間安裝空調控制盤、緊急逆變器等設備。

2.2 方案設計

基于車輛現有安裝空間限制條件，需研發設計一款高集成度單元式空調機組，如圖1所示，才能滿足懸掛式空軌車輛的需求。

圖1 高集成度變頻熱泵型單元式空調機組

空調系統采用變頻熱泵型單元式空調機組，可根據采集到的車載負荷信號自動調節頻率，實現制冷或制熱能力自適應調節，保證在任何工況下實現空調機組的最大制冷、制熱能力輸出；采用變頻技術，與傳統定頻空調相比，夏季節電率可達30%。

空調系統電氣控制采用一對一變頻器控制設計，壓縮機、冷凝風機、通風機分別采用獨立變頻器對應控制。通風機采用DC 24 V直流風機，取消傳統城市軌道交通車輛中緊急通風逆變器配置，在車輛進入緊急狀態時，通風機由列車緊急供電母線直接供電，在提高車輛空間利用率的同時有效降低空調系統故障率；車輛廢排方案并不按照傳統設計模式單獨設置廢排裝置安裝，而是選用低噪聲軸流式風機安裝在空調機組廢排風口處，采用主動式廢排方式，通過廢排風機工作，將客室內廢氣排出，減少了車輛的安裝接口，簡化了獨立廢排裝置的后期維護工作。

懸掛式軌道交通對車輛輕量化設計需求極高，綜合考慮成本因素，空調機組外殼采用鋁合金材質，噴漆處理，最終產品實際稱重為315 kg，比傳統選用不銹鋼材質方案實際降重約為40%。

受車輛與軌道梁間安全距離限制（≤260 mm），空調機組外殼不采用常規翻蓋鉸鏈結構設計，而是根據空調維護區域不同進行蓋板分體式設計，有效避免車輛在軌道梁下方時，整體式翻蓋結構維護困難的情況，提高了空調機組維護的可操作性。各蓋板與機組之間采用特殊密封連接安裝，機組整體進行淋雨試驗，滿足車輛對空調機組IP等級要求。空調機組設計方案對比見表1。

表1 空調機組系統配置設計方案對比

3 通風系統設計

3.1 車廂均勻送風設計

客室風道的布置設計直接影響車廂內溫度場、濕度場、風速場以及車內噪聲等環境。常規軌道交通車輛客室風道主要結構采用定截面條縫式靜壓均勻送風設計，且為單條風道送風，其主體材質采用鋁合金+外包防寒材。對比懸掛式空軌車輛的內裝布局、設備布置方案、通風需求、輕量化要求、可利用空間等因素，無法采用常規風道結構設計，需要根據車輛存在的限制條件重新進行方案設計，本項目客室風道最終方案采用變截面條縫式靜壓均勻送風風道形式，風道主體為2條左右對稱結構的客室風道，如圖2所示。經車頂空調機組處理后的空氣由機組2個出風口分別接入客室左、右側風道，再通過風道下部送風口向客室進行送風，安裝布置如圖3所示。

圖2 客室風道組成

圖3 通風系統安裝布置示意圖

由于客室內安裝空間極度受限，在保證風道機械性能和使用性能的前提下，風道摒棄鋁合金+外包防寒材的方案，風道主體采用6 mm的纖維增強防火泡沫板，該材料在平均溫度25℃時，導熱系數≤0.032 W/（m?k），單位面積質量≤1 kg/m2；吸水率≤1.6（測試方法GB/T 1034），且滿足EN 45545-2中R1項HL3等級要求。在滿足通風系統設計要求的基礎上，針對風道內部結構不斷優化，最終產品實測質量遠遠小于最初車輛預分配的輕量化設計指標（≈70 kg），其中，右側風道實測質量為24.73 kg，左側風道實測質量為24.66 kg，實際降重約為29.44%，保證風道性能的基礎上極大限度滿足懸掛式軌道交通對車輛設計輕量化的要求。

3.2 司機室送風設計

常見的軌道車輛司機室送風主要有2種方式：司機室空調和司機室通風單元。懸掛式空軌車輛由于自身車體結構小，車輛系統功能齊全，故所有車載系統設備及零部件的安裝，必須高效優化空間使用率。綜合考慮，司機室送風不采用常規設計方案，其送風主要由客室風道引出的送風軟管，將空調送風引入司機室內。

3.3 回風與排風設計

空調回風口設置在機組底部，通過內裝結構上預設的回風孔、以及內裝罩板和相關內裝結構接縫的縫隙回至機組內部。

司機室廢氣通過車體隔墻上預留孔排到客室，客室排風通過內裝預設的回風孔排出車廂內，排風的一部分作為回風進入空調機組，一部分被廢排風機強行帶出車廂，排至大氣中。

3.4 通風系統氣流組織分析及驗證

綜上，懸掛式空軌車輛通風系統氣流循環邏輯如圖4所示，氣流組織分析如圖5所示。

圖4 通風系統氣流循環邏輯示意圖

圖5 氣流組織分析示意圖

搭建地面試驗臺對空調機組和風道進行地面匹配通風試驗驗證，如圖6所示。試驗前所有準備參數均與懸掛式空軌車輛安裝設計要求一致。經過現場試驗驗證，風道與空調、風道與車體、風道與風管的接口匹配及出風測試結果，均符合懸掛式空軌車輛通風系統設計要求。

圖6 空調機組和風道地面通風試驗臺

4 控制系統設計

4.1 控制方案

空調機組主要電氣設備均采用獨立控制設計，壓縮機、冷凝風機、通風機分別采用獨立變頻功率IPM模塊控制，可實現過欠電壓、過電流、過熱等保護功能，有效防止負載非正常工作，防止空調機組出現故障時干擾其他設備的正常運行。

空調系統與車輛網絡接口設計，主控網絡為MVB，維護網絡為以太網。空調系統通過MVB與列車網絡進行通訊，可在DDU上顯示和查詢相關信息；更深層數據/信息的獲取，可使用PTU通過空調控制器以太網接口進行下載，也可通過以太網接口實現對空調控制系統的軟件升級、調試、在線測試等。網絡接口拓撲圖如圖7所示。

圖7 車輛網絡接口拓撲圖

DDU顯示界面設有“停止”、“通風”、“預冷”、“制 冷”、“預 熱”、“制 暖”、“自 動”等 模 式 選 擇，如圖8所示。TCMS通過列車總線對空調模式進行設定，實現空調的正常運轉控制。

圖8 DDU空調狀態顯示示意圖

4.2 緊急安全控制

所有軌道交通車輛，緊急安全設計都必不可少，懸掛式空軌亦如此。當空調三相供電網絡出現故障時，為保證乘客舒適度，空調系統自動切換至緊急通風模式。當列車主電源故障或空調控制器故障等情況下緊急通風模式也將會啟動。

當空調三相供電恢復或緊急通風達30 min后，緊急通風模式將自動停止。在這關鍵的30 min內，是對車輛進行緊急異常處理或施加救援的最佳時機，與此同時為乘客提供一個良好的通風環境，緩解乘客焦慮亦是軌道交通發展的人性化設計趨勢。

4.3 站臺噪聲污染控制

懸掛式軌道交通獨特之處，是運行線路采用高架線形式，車輛懸吊于軌道梁下方行駛。由于軌道梁一直處于車輛正上方，懸掛式空軌列車進站，站臺處并無類似地鐵站內空調井等設施，車輛進站后若冷凝風機一直處于高頻運行狀態，相對列車運行在空曠線路上，站臺內噪聲感知情況較為明顯。

為解決此問題，列車進站時，通過TCMS將進站信號發送給空調控制器，控制冷凝風機低頻運行。這樣既保證乘客上下車時有冷（熱）量輸出，也達到了列車進站降噪的目的。列車出站后，運行環境逐漸空曠，此時TCMS給空調控制器發送出站信號，空調控制器收到出站信號后，空調機組即時恢復進站前的工作模式，有效降低列車進站對站臺內乘客造成的噪聲污染。

5 懸掛式空軌車輛空調系統發展探討

（1）空調機組與SIV集成一體化設計，將SIV輔助逆變功能融入到空調機組設計中，整車不再單獨配置獨立的SIV，直接利用空調機組給整車供電，不僅減少車載設備間的電氣接口，簡化車輛電氣布線工藝，降低整車電源購置成本，還滿足了懸掛式空軌車輛輕量化設計需求，有利于整車設備布置和配重設計。

（2）懸掛式空軌列車在空中為全封閉空間，確保乘客安全是首要任務。車輛對煙火安全的探測設計要求極為嚴格，煙火探頭數據采集依賴于車載空調系統回風氣流，空調系統可將智能煙火探測系統有機結合，有效提高火災探測預警準確性。

（3）空調機組主框架結構采用新復合材料替代金屬材料。例如：碳纖維復合材料，其使用壽命、抗磁性、絕緣性均優于金屬材質。碳纖維復合材料相對密度不足鋼的1/4，強度約為鋼的4倍，相同設計結構，碳纖維與不銹鋼材料殼體相比，質量可減輕約65%，絕對滿足懸掛式軌道交通高度輕量化設計需求。

（4）空調系統與PIS、照明系統交互糅合設計。PIS系統將車廂溫度分布情況進行可視化顯示，提醒乘客根據自身需要選擇合適的乘坐區域；照明系統可根據空調系統不同工況狀態，進行不同的變色動態顯示照明，讓乘客從視覺上第一時間感知車廂環境的變化，也將是一種超常規的體驗。

6 結語

懸掛式軌道交通在國內作為一種新制式軌道交通［4］，正在逐漸成長起來，未來最終發展趨勢我們拭目以待。懸掛式空軌車輛空調系統也將充分結合其發展進程中的新需求、新理念，隨之演變出多樣化的產品來適應懸掛式軌道交通的發展，優化和彌補過去傳統軌道交通車輛空調系統技術上的不足和缺陷，滿足行業的發展。