张宗友
成都地铁运营有限公司 成都 610000
摘要：随着社会的不断进步，我国地铁建设的速度愈来愈快。原来由国外公司垄断的地铁车辆设计格局已被打破, 车辆主体国产化设计已经成为发展趋势。本文介绍了地铁车辆空调系统的设计要点, 并结合目前车辆空调系统使用的问题 ,提出设计改进建议 。
关键词：地铁车辆；空调系统；设计要点
引言
随着我国现代化城市交通迅速发展, 城市轨道也已成为现阶段人们的重要出行工具。为乘客提供舒适的内部乘车环境是对城市轨道车辆的基本要求和重要指标。合理的空调系统设计才能使车厢形成均匀而稳定的温湿度场、风速场以及高洁净度，以满足人体热舒适性要求。
1 车辆空调系统的基本需求
（1）列车采用车体顶置单元式空调机组，具有预冷、预热、制冷、通风、采暖和紧急通风功能。额定工况下：当外界环境温度为 35℃、相对湿度为 70%时，车内温度不大于 27℃，车内相对湿度不大于 63%。制冷功率不小于 29kW。 （2）司机室设置一个独立的通风单元，通过风道从相邻的空调机组引入经过处理的空气，实现司机室的空气调节。（3）列车能对整列车的空调机组进行集中控制。（4）空调机组采用微机控制，可根据外界环境温度自动调节客室内温度，也可根据各自的温度控制器所设定的温度进行客室内温度控制。（5）当列车断电或辅助电源、空调控制器故障时，空调机组自动转为紧急通风模式，紧急通风不低于 45min。当故障恢复正常后，系统自动恢复至正常运行模式。
2 空调系统的设计
2.1 空调通风系统设计
（1）根据列车运营条件（隧道排风井的位置）、空调设备的要求（如顶置式空调）确定具体的气流组织型式。（2）根据环境设计参数（车外温湿度、太阳辐射等）、舒适性参数（如车内温湿度、人均新风量等），进行空调负荷计算，确定空调机组的制冷量、总风量等参数。（3）确定了空调系统的气流组织型式、空调系统的基本参数后，即进行空调机组、送风道、废排等设备的设计。（4）进行司机室空调系统的设计。
2.1.1 气流组织
车辆空调系统常见的气流组织型式有前送下回式、前送侧回式、前送前回式和下送下回式等，根据车辆的结构，外部的限界形式等确定气流组织形式。本次研究的车辆选用前送前回的气流组织型式，该种型式具有送风均匀性好，车内噪声低，车内乘客舒适性更高等优点。
2.1.2 空调系统负荷计算
依据用户给予的基础计算参数（如列车载客量、新风量、太阳辐射、气候条件等）、车体几何尺寸、车体传热系数等，按照 TB/T1957 标准进行计算。通过计算确定空调机组的制冷量、风量等相关参数。空调制冷量、风量应适宜，不宜过大，因为地铁车辆预留给空调机组的空间有限，单纯提高制冷量、风量会给机组带来机械设计、压缩机选型、风机选型、噪声提高等诸多问题。经过计算，每辆车选用 2台制冷量分别为 29kW，新风量为 1300m 3 /h，总风量为 4000m 3 /h 的空调机组即能满足需求。
2.1.3 客室空调机组的设计
空调机组主要分为单元式及分体式两种，单元式机组结构简单、易于安装和维护。分体式机组（冷凝单元和通风单元分开）结构及安装较复杂，但噪音相对较低。本车辆的空调机组采用顶置单元式，各零部件组装在机组构架内，主要部件有压缩机、蒸发器、冷凝器、通风机、冷凝风机、毛细管、回风及新风电动阀等。空调机组通过螺栓加减震器型式安装在车辆上，能有效抑制空调振动传递到车辆上。为响应国家节能减排号召，该车辆新风量可根据列车载客量进行自动调节。新风热负荷约占整个空调热负荷的 40%左右，因此在保证舒适性的情况下，合理控制新风的进入量，是一种高效可靠的节能方式，尤其在车辆运营载客的非高峰期，节能显著。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2.1.4 均匀送风道设计
风速场以及车内噪声。当前阶段地铁上较多运用的地铁风道的设计直接关系着空调系统的制冷（制热）效果、车内温湿度场、送风风道型式：条缝式静压均匀送风风道，网孔式送风风道和变截面式均匀送风风道等。本项目综合车辆的需求和成本等多方面因素考虑，选择采用条缝式静压均匀送风风道，该风道主要由主风道和静压风道组成，通过静压风道的条缝送风口向车厢内送风。为了保证满足人体热舒适性的要求，风道结构及车厢内的气流组织需进行 CFD模拟计算，空调与风道的配套试验等，最终实现对车厢的均匀送风。
2.1.5 废排设计
废排的设计对空调通风系统影响比较大。若排风面积不足，排风量将偏小，车内压力过高，导致车门打开困难；若排风口面积过大，引入的新风量过多，则导致空调负荷增加、车内温度偏高等问题。本项目设置 4 个车顶废排装置，利用车厢内正压将废气排出车外，结构简单易于维护，能满足排风量和车厢的 10~50Pa 压力的需求。废排在设计时进行了相关的 CFD 模拟计算、风量与车厢内压力的阻力特性试验和淋雨试验等，保证废排的性能满足车辆需求。
2.1.6 司机室空调系统设计
司机室的空调设计主要有两种模式：司机室空调和通风单元。司机室空调有独立的控制系统，制冷、制热效果好，司机可独立控制其温湿度。但造价偏高。因空调机组和控制板需要单独设置，造成司机室空间更加紧张且后期维护成本较高。通风单元内部只有通风机、电加热器和简单的控制系统，具有结构简单、重量轻、维护简便且费用较低等优点。但对司机室温度控制精度较差。本项目采用司机室通风单元的形式，通过控制引风量满足司机室舒适性，同时减少了设计、维护、检修成本，提高设备可靠性。
2.2 控制系统设计
控制系统以微机控制为控制核心，控制空调机组工作在预冷、制冷和通风等不同的工作模式，调节客室内温度，使其处于舒适的温度环境下, 同时具有自诊断功能及信息传递等功能。客室空调控制分为网络集中控制与本车空调控制，空调集中控制功能是通过操作驾驶显示单元（HMI）触摸屏发送空调控制指令经多功能车辆总线（MVB）网络传送给客室空调控制盘来实现的，本车控制功能是通过操作每个客室空调控制盘上的温度与模式选择开关来实现的。（1） 集中控制。当空调处于集控状态，客室空调根据室内外温度，自动进行制冷工况。在该工况时，客室空调一般将根据 UIC553 曲线调节客室温度：即：Tic=22℃（如果 Te<19℃）Tic=22℃+0.25℃（Te-19℃） （如果 Te≥19℃）其中：Te：外界环境温度；Ti：室内温度；Tic：室内目标温度计算值。司机也可手动选择客室目标温度，此时车内目标温度与外界环境温度无关，提高车厢内舒适度。（2）本车控制。空调的本车控制通过每个客室控制盘上的模式和温度选择开关来实现。模式选择开关可选择自动、通风、制冷、停止、测试等档位，温度选择开关可设定目标温度，共同实现相应的功能。（3）空调通讯与维护。空调控制系统通过 MVB 接口与列车网络进行通讯，接收来自车辆的指令，传递空调机组的工作状态，温度及故障信息等，并在 HMI 上显示和查询。当需要调试维护，可在空调控制器上进行数据下载及运行监测。
2.3 紧急逆变系统设计
当车辆主电源出现故障或空调控制器故障的情况下，为保证乘客的舒适度，空调系统设有紧急逆变装置，对车辆进行紧急通风。当空调三相供电网络故障或空调控制器故障等情况下紧急通风将启动。紧急通风逆变装置将列车蓄电池提供的DC110V 逆变成三相交流电源供空调通风机使用，包括司机室通风单元通风机。当空调的三相电恢复或紧急通风 45 分钟后，紧急通风将结束。紧急通风设计时需注意考虑车辆回库维修时在无中压情况、升弓时间及辅助逆变器的自检时间等工况，防止意外启动。
结语
综上文所述，空调系统是地铁车辆的不可或缺的辅助体系。地铁车辆的运动特点以及车内人员多, 决定了其空调系统的特殊性。基于此本文对于地铁车辆的空调系统设计进行了介绍。
参考文献:
[1]计算流体动力学分析—— — CFD 软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：126-130.
[2]龙静，王书傲.关于地铁车辆送风方式方案的探讨[J].铁道车辆，2004（8）：24-26.
[3]TB/T1957-1991.铁道空调客车热工计算方法[S].
论文作者:张宗友
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/15
标签：空调论文; 车辆论文; 机组论文; 风道论文; 空调系统论文; 客室论文; 温度论文; 《防护工程》2018年第11期论文;