城市軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)

1、城市軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)摘要通過對城市軌道交通運(yùn)輸特點的介紹,提出了一些可供其車輛空調(diào)系統(tǒng)參考的設(shè)計方法,以及車內(nèi)外夏季空氣參數(shù)的選取根據(jù)及計算實例,討論了車輛空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)機(jī)組及通風(fēng)系統(tǒng)的要求和特點。關(guān)鍵詞城市軌道交通,車輛,空調(diào)系統(tǒng)城市軌道交通車輛空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計,除要考慮到城軌交通的一般特點(運(yùn)量大、快捷、平安、舒適、站點密集、上下車乘客交換頻繁、有一定的運(yùn)行時間段、車輛部件具備較高可靠性)之外,還要考慮以下因素:各城市間城軌車輛運(yùn)營環(huán)境不同。我國幅員遼闊,即使目前規(guī)劃或在建城軌工程的各城市之間差異也很大,南到廣州,北到長春,東到上海、青島,西到西安,氣候條件必須予以詳細(xì)考慮,詳細(xì)設(shè)計,施行時

2、要有側(cè)重。乘員多。城軌交通線路一般穿越城市中心及商業(yè)繁華地帶,客流密集。目前十多個城市旅游人口很多,因此除了上、下班時間乘座頂峰期,其他時段乘客流量也很大。以下對車輛空調(diào)系統(tǒng)各局部分別加以分析。1車內(nèi)、外空氣參數(shù)1.1車輛空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)目前我國還未制訂城市軌道交通車輛的空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。下面介紹的是我國現(xiàn)行國標(biāo)及鐵標(biāo)對鐵路客車舒適環(huán)境作的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值:1.?公共交通工具衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)?gb9673-1996旅客列車車廂衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)值為:溫度,冬季1820,夏天2428;相對濕度,40%70%,垂直溫差,3;微風(fēng)速,0.5/s。2.?客車空調(diào)設(shè)計參數(shù)?tb1951-87北京以南地區(qū)干線鐵路選擇空調(diào)客車的外氣計算參數(shù)為

3、:a.夏季外氣計算溫度35,相對濕度60%;b.冬季外氣計算溫度-14;.夏季客室內(nèi)氣溫2428,相對濕度40%65%,最高不超過70%;d.冬季客室內(nèi)氣溫1820,相對濕度不低于30%;e.客室內(nèi)同一程度面和同一鉛垂線的最大氣溫差均不超過3;f.客室內(nèi)微風(fēng)速,夏季0.35/s,冬季0.2/s。城軌車輛與干線鐵路車輛構(gòu)造特征相似,但就其空調(diào)系統(tǒng)而言,因城軌交通的運(yùn)行特點而有其特殊性。從分析乘客在乘坐車輛的詳細(xì)情況可看到,上面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的舒適值是基于人體在空調(diào)空間中長時間停留的穩(wěn)定狀態(tài)得出的,人員在車輛中可適當(dāng)增減衣物,以到達(dá)個人的舒適要求。但在城軌車輛運(yùn)行中,乘員最長的乘坐時間也不過半小時,絕

4、大局部乘客只有幾分鐘乘坐時間。雖然在空調(diào)技術(shù)中以數(shù)值的方式規(guī)定了乘客舒適范圍,但舒適的感覺是人體生理及心理條件決定的。當(dāng)炎熱夏季從戶外進(jìn)入有空調(diào)或通風(fēng)的房間時,安康人員的生理要求是散去身體外表熱量,蒸發(fā)掉汗液;心理要求是能盡快降溫或通風(fēng)到達(dá)生理的要求。這是一個瞬態(tài)人體條件變化中舒適概念。但人體的生理活動變化是一個復(fù)雜過程,受心理活動、環(huán)境變化等等因素制約,而且變化平緩,所以人員在環(huán)境條件變化時,個人舒適感會有一個過渡期,在經(jīng)過過渡區(qū)后才到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。在乘客乘坐城軌車輛過程中,乘客根本處于典型的過渡過程中。夏季,人們從戶外進(jìn)入候車廳(假如有的話),隨即進(jìn)入車內(nèi),生理及心理的舒適要求為可以快速將身

5、體外表熱量帶走以便獲得舒適感;但在實際乘車過程中,往往乘員在沒有到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)或剛剛獲得了涼快感覺時就已到站下車了。冬季里,人們穿著較厚的戶外冬裝,皮膚外表溫度低,即使在乘坐沒有采暖的普通車輛情況下,群集度較高時人們也會獲得溫暖感覺。當(dāng)有采暖時,在人們乘車不能脫下外衣情況下,車內(nèi)溫度過高,乘員會產(chǎn)生悶熱感甚至?xí)龊?造成人體不舒適。故而冬季乘坐城軌車輛的生理及心理舒適度要求不如夏季乘車迫切,只要在車內(nèi)溫度高于外界溫度情況下,就會獲得舒適感,而且乘員很快會下車走入戶外。所以冬季車內(nèi)舒適情況也比擬特殊。下面分別對車內(nèi)外空氣設(shè)計參數(shù)的制定作簡單討論。1.2參數(shù)制定1.2.1夏季外氣計算參數(shù)在選擇外氣計

6、算溫度時,要按照當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件,根據(jù)累計氣象資料提出相應(yīng)的外界溫度要求。我國對全國大中城市氣象進(jìn)展了統(tǒng)計,推薦了外氣計算參數(shù)。因此各地可依此作參考?？紤]氣候的變暖趨向,要提出最高外氣溫度,以便在最高外氣溫度條件下,空調(diào)系統(tǒng)尚能工作,車輛還能獲得一定的室內(nèi)外溫差,保證車輛舒適度。1.2.2夏季車內(nèi)計算參數(shù)選取影響人體舒適的因素一般有以下幾項:空氣溫度、空氣流速、相對濕度、程度溫差、垂直溫差、輻射的平衡性、二氧化碳含量、含塵量等等。但是這些參數(shù)都滿足是很困難的。尤其是公共使用空間,一般著重控制的是空氣溫度和氣流速度兩項對舒適性最重要的參數(shù)。根據(jù)衛(wèi)生學(xué)觀點認(rèn)為:我國人民對夏季高溫適應(yīng)性為28。結(jié)合相

7、對濕度的適應(yīng)性,當(dāng)人體周圍溫度在26.7以下時,濕度對人體影響不明顯;當(dāng)溫度在28以上時,相對濕度對人體影響明顯;當(dāng)相對濕度到達(dá)70%時,就感覺不舒適了。在空調(diào)技術(shù)中,控制好一定溫度,相對濕度不大于70%時,空氣的相對濕度對人體的影響很校所以對于城軌車輛,在車內(nèi)到達(dá)根本的溫、濕參數(shù)情況下,主要起影響作用的還是氣流速度。在選取標(biāo)準(zhǔn)工況時,目前大家普遍提出的溫度27,相對濕度65%的車內(nèi)溫、濕度條件是適宜的。但由于城軌車輛的乘員經(jīng)常會有超員情況出現(xiàn),所以車輛在考慮夏季耗冷量計算時要校核在超員情況下車內(nèi)溫度,以確定合理的制冷量。目前有地鐵公司考慮車輛損耗、維護(hù)量等問題,以票價限定一定的乘員量,也是對

8、車輛熱負(fù)荷限定的一個因素,可在運(yùn)營時加以考慮。保持一定的氣流速度是城軌車輛滿足乘員舒適性的必要條件。因為車輛的狹長特征,處于車長方向各個區(qū)段的回風(fēng)量是不同的,所以車輛內(nèi)部衡量乘客舒適的氣流速度以出風(fēng)吹到人體外表的微風(fēng)速為根據(jù)。這一點國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)是一致的。關(guān)于氣流速度控制,一般認(rèn)為在27時,氣流速度為0.30.35/s時可以獲得較好的舒適感。但乘客停留區(qū)的氣流速度受空調(diào)機(jī)總風(fēng)量的限制,獲得較高的氣流速度時空調(diào)機(jī)總風(fēng)量要大,而擁有大風(fēng)量通常需要空調(diào)送風(fēng)機(jī)尺寸較大。由于城軌車輛提供應(yīng)空調(diào)設(shè)備的使用空間較小,限制了空調(diào)機(jī)尺寸,假如要提供大風(fēng)量,可能要改變風(fēng)輪葉片角度、轉(zhuǎn)速等。這樣的話,車內(nèi)噪音可能會高

9、。因此空氣流速是個綜合問題,在設(shè)計當(dāng)中需要綜合考慮。如,能否考慮將空調(diào)機(jī)置于車輛靠中間的位置,以縮短空調(diào)送風(fēng)間隔 ,使送風(fēng)機(jī)在較低的壓頭下送出較高的風(fēng)量等措施。1.2.3冬季外氣計算參數(shù)的選取因為車輛空調(diào)系統(tǒng)引入了新風(fēng),對于冬季外氣溫度較低的城市,適當(dāng)增加空調(diào)供暖是必要的。冬季外氣最低溫度通常出現(xiàn)于1:004:00之間。根據(jù)城軌車輛運(yùn)輸?shù)拈g歇性,冬季外氣計算溫度以本城市冬季通風(fēng)外氣溫度為好,以適應(yīng)城軌交通特點,滿足乘員舒適性,同時可以防止因供熱量過大引起車內(nèi)溫度高,或供暖與通風(fēng)交替運(yùn)行時因通風(fēng)時間長,供暖時間短而增加車內(nèi)溫度的波動。1.2.4冬季車內(nèi)計算參數(shù)選擇乘客的穿著對乘客有很大的影響。根

10、據(jù)穿著對個人舒適感的影響,通常認(rèn)為穿著熱阻每增加0.1l(l表示穿著保暖程度所采用的熱阻單位,1l=0.1552k/),周圍溫度應(yīng)相對減少約0.5才使人感到同樣的舒適。據(jù)此可確定車內(nèi)計算溫度?？紤]城軌車輛運(yùn)行特點,當(dāng)冬季人們穿著戶外冬裝乘座車輛時,車內(nèi)溫度應(yīng)參照采暖標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)降低溫度,以進(jìn)步車內(nèi)舒適感。1.2.5算例以南京地鐵車輛冬季簡要計算為例,來說明冬季車內(nèi)溫度確實定及空調(diào)加熱量確實定。(1)冬季外氣計算溫度根據(jù)?采暖空調(diào)制冷手冊?,南京冬季通風(fēng)計算溫度是2。以此可作為外氣計算溫度。(2)冬季車內(nèi)空氣參數(shù)根據(jù)我國冬季鐵路車輛采暖標(biāo)準(zhǔn),室內(nèi)空氣溫度為1820。以成年男性為計算根據(jù),在南京戶外活

11、動時,正常室內(nèi)冬裝要加一件長夾衣或厚短外衣,此時,穿著增加的熱阻約為0.490.53l之間。這樣,對于地鐵車輛,車內(nèi)計算溫度可定為:18-0.55=15.5()。(3)空調(diào)加熱量計算計算參數(shù)確定為:車外溫度(th)為2;車內(nèi)溫度(tb)15(根據(jù)車內(nèi)舒適溫度計算,暫定在車輛半負(fù)載情況下車內(nèi)溫度為15);新穎空氣量(vx)為32022/h;通風(fēng)量(v0)為100003/h;車內(nèi)定員(n)320人;車體傳熱面積(f)為242.812;車體傳熱系數(shù)(k),靜止時為2.4/(2h),車速為40k/h時為3.192/(2h);車輛熱平衡計算為:q2+q3+q5=q1+q6式中:q1為車體傳熱;q6為新風(fēng)

12、負(fù)荷;q2為空調(diào)加熱量;q3為旅客散熱;q5為車內(nèi)設(shè)備散熱(1500)。其中:q1=kf(tb-th)=10076q6=vx/3600 xpx(tb-th)103=14939(x為空氣高度,px為定壓比熱)q3=nq=13600那么有:q2=9915根據(jù)電熱功率整數(shù)分配方法,可確定空調(diào)機(jī)供熱量為12k(兩臺空調(diào)每臺為6k)。(4)校核車輛滿負(fù)荷時車內(nèi)溫度狀況當(dāng)全部電熱運(yùn)行時,q3=27200,設(shè)車內(nèi)溫度為tb1;根據(jù)熱平衡方程算得tb1=23.1。此時,室內(nèi)外溫差為21。當(dāng)半電熱運(yùn)行時,設(shè)車內(nèi)溫度為tb2。根據(jù)熱平衡方程算得tb2=20。此時,室內(nèi)外溫差為18。計算此時在空調(diào)機(jī)加熱器前空氣混合

13、溫度(tn):在壓力不變,且無相變的條件下,空氣內(nèi)能為體積與溫度的函數(shù)。根據(jù)混合規(guī)律,tn=(v0-vx)tb2+vxth/v0=14.2計算出風(fēng)溫度(t):50%q2=v0/3600npn(t-tn)103,那么t=16。此時車內(nèi)出風(fēng)溫度不算太高,乘客在此狀態(tài)下不致產(chǎn)生悶熱感覺,而且可通過空調(diào)控制通風(fēng)與電熱交替運(yùn)行來控制車內(nèi)溫度。適當(dāng)?shù)臒嵊嗔靠蓱?yīng)付車輛停站開門熱量損失。所以空調(diào)供熱量定為12k是可行的。2空調(diào)機(jī)組2.1簡述我國目前在干線鐵路上車輛空調(diào)已完全實現(xiàn)國產(chǎn)化,且產(chǎn)品質(zhì)量過硬,并已隨車出口到其它國家。因此,軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)的國產(chǎn)化不存在任何技術(shù)問題。目前,我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的第一列地

14、鐵車輛已經(jīng)開場由南京浦鎮(zhèn)廠、長客廠結(jié)合制造。第一臺國產(chǎn)化空調(diào)系統(tǒng)已由石家莊國祥制冷設(shè)備制造完畢并已做完相應(yīng)地面試驗,說明我國完全具備地鐵輕軌車輛空調(diào)系統(tǒng)完全國產(chǎn)化的才能。上海、廣州進(jìn)口地鐵車輛的空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行期間表露了一些問題。其實問題的發(fā)生主要還是空調(diào)系統(tǒng)不合適中國國情。我們知道,在西歐、北歐國家,夏季氣溫一般較低,高過32已經(jīng)算難以忍受;而且在興旺國家的乘員較少,乘坐率較低。這和我國人口眾多、氣溫較高有很大差異。在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計上,就必須考慮這點,否那么空調(diào)系統(tǒng)難以正常運(yùn)行。2.2空調(diào)機(jī)車輛空調(diào)系統(tǒng),一般應(yīng)到達(dá)小型輕量化、耐振性、阻燃性、水密性、可維護(hù)性(免維護(hù)性)、耐蝕性、電源協(xié)調(diào)使用等

15、要求。歸納起來,城軌車輛空調(diào)系統(tǒng)要具備以下特點:小型輕量化;可靠性高;免維護(hù)程度高。2.2.1小型輕量化小型輕量化是城軌車輛空調(diào)系統(tǒng)的顯著特點。由于城軌車輛一般比鐵路車輛小,高度低,運(yùn)載量大,而空調(diào)機(jī)通常置于車頂部,這樣空調(diào)機(jī)體積重量受到一定限制。所以小型、輕量化是空調(diào)機(jī)要考慮的一個現(xiàn)實條件。近年來,石家莊國祥制冷設(shè)備連續(xù)采用一系列新技術(shù)來縮小空調(diào)機(jī)體積。如:采用臥式蝸旋式壓縮機(jī);換熱器采用內(nèi)螺紋管,增強(qiáng)換熱效果,減少換熱器體積;采用帶親水膜輕質(zhì)鋁翅片,降低換熱器質(zhì)量;引進(jìn)高效進(jìn)口風(fēng)機(jī)等,在保證流量、噪音等要求下降低了體積及重量。北京地鐵的第一臺擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化地鐵空調(diào)機(jī)組充分采用

16、了以上新技術(shù)。2.2.2可靠性高首先,車輛空調(diào)機(jī)的耐振性能要好。車輛在運(yùn)用過程中會產(chǎn)生較大振動,因此車輛空調(diào)系統(tǒng)要具備耐振性能。我國鐵路標(biāo)準(zhǔn)tb/t2432-93對車輛空調(diào)設(shè)備做了抗振要求及試驗標(biāo)準(zhǔn)。這個標(biāo)準(zhǔn)對運(yùn)行條件好于鐵路車輛的城軌車輛空調(diào)系統(tǒng)來說,應(yīng)該是完全適用的。其次,耐腐蝕性好。如今城市的污染程度較大,尤其是沿海城市的鹽霧影響,對暴露在大氣當(dāng)中的空調(diào)機(jī)的電機(jī)、換熱器殼體的耐腐蝕要求較高,因此空調(diào)機(jī)在設(shè)計、制造當(dāng)中要充分考慮到這點。如采用防護(hù)等級較高的電機(jī),并在電機(jī)外部配合處增加電機(jī)防護(hù)技術(shù)措施,在換熱器上采用耐酸、堿、鹽霧腐蝕的覆膜鋁翅片,并采用不銹鋼板材制造空調(diào)機(jī)殼體,可有效防止腐

17、蝕發(fā)生,延長空調(diào)機(jī)使用壽命。此外,根據(jù)車輛運(yùn)行特點,空調(diào)機(jī)組制冷系統(tǒng)盡量采用多系統(tǒng),防止使用單系統(tǒng)的空調(diào)機(jī)組。因為如采用單系統(tǒng),當(dāng)制冷系統(tǒng)出現(xiàn)問題時,整個空調(diào)機(jī)組就不能為車輛提供冷量。而多系統(tǒng)的空調(diào)機(jī),當(dāng)某一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,另外的系統(tǒng)還可以工作,為車輛提供一定的冷量。以下是采用多系統(tǒng)的優(yōu)點:制冷系統(tǒng)故障對雙系統(tǒng)或多系統(tǒng)的影響小;雙系統(tǒng)或多系統(tǒng)的空調(diào)機(jī)能使車內(nèi)到達(dá)較穩(wěn)定的溫度;由于雙系統(tǒng)或多系統(tǒng)的空調(diào)機(jī)壓縮機(jī)交替運(yùn)行,壓縮機(jī)磨損壽命長;由于雙系統(tǒng)或多系統(tǒng)的空調(diào)機(jī)壓縮機(jī)分步啟動,啟動電流沖擊校2.2.3免維護(hù)程度高安裝于車輛上的空調(diào)機(jī)并不能象地面制冷機(jī)組那樣,可以給檢修、維護(hù)人員一個易于檢視的環(huán)

18、境和空間。根據(jù)干線鐵路車輛空調(diào)的使用經(jīng)歷,在條件允許的情況下空調(diào)制冷系統(tǒng)盡量使用單元式、全封閉式制冷循環(huán)系統(tǒng),并進(jìn)步免維護(hù)的元件使用率,盡可能不采用分體式空調(diào)機(jī)。以下是全封閉制冷循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點特性:出廠前所有制冷系統(tǒng)部件均焊接,故系統(tǒng)密封性好;出廠前充入定量制冷劑因在性能試驗后發(fā)貨,無泄漏,所以性能與質(zhì)量穩(wěn)定,可靠性高;由于可省掉儲液器、管路接頭,以及免充入過多的制冷劑,故重量輕;因為系統(tǒng)無泄漏,故制冷系統(tǒng)的維修周期長;因為管路元件少,系統(tǒng)不泄漏,故制冷系統(tǒng)維護(hù)工作量少,合適車輛使用。2.3空調(diào)控制器空調(diào)控制器控制空調(diào)機(jī)正常運(yùn)行,是空調(diào)機(jī)組的重要組成局部。它在車輛上的使用關(guān)鍵是可靠性、可觸及性

19、、自動化程度及電磁兼容性。2.3.1可靠性目前,車輛空調(diào)控制器的關(guān)鍵元件采用的是質(zhì)量較好的進(jìn)口元件或合資工廠消費的元件,降低了元件的故障率。電路設(shè)計經(jīng)過大量的實際運(yùn)行驗證,可靠性較高。2.3.2可觸及性由于空調(diào)控制器元件動作較頻繁,并有較多的空調(diào)機(jī)保護(hù)元件,對它的維護(hù)量在空調(diào)組中占的比重較大。而且在空調(diào)機(jī)檢修當(dāng)中,要觀察控制器整體的動作情況,以便判明故障原因。因此空調(diào)控制器要盡可能布置在檢修人員易于觸及、易于觀察的地方,否那么,空調(diào)機(jī)組的維護(hù)、檢修就會變得困難,工作量會大大增加。2.3.3自動化程度城軌車輛與鐵路車輛運(yùn)行情況及車輛配置人員不同。通常在城軌車輛運(yùn)行當(dāng)中不配制車輛設(shè)備巡檢員。這就要

20、求城軌車輛空調(diào)系統(tǒng)有較高的自動運(yùn)行才能,可以在出現(xiàn)問題時自動處理,對非故障問題有自我保護(hù)及自我恢復(fù)才能;同時,對故障可以自我診斷及自動存貯,以便車輛進(jìn)站后,可以及時修復(fù)。石家莊國祥制冷設(shè)備為上海明珠線消費的司機(jī)室空調(diào)、大連有軌電車空調(diào)系統(tǒng)、北京地鐵空調(diào)系統(tǒng)、國產(chǎn)化地鐵空調(diào)系統(tǒng)等都采用了微處理器控制。該控制系統(tǒng)可以對偶發(fā)性非故障現(xiàn)象進(jìn)展自我判斷,對于實際故障可以診斷記錄,可通過手提電腦進(jìn)展手動調(diào)試。該控制器還可以進(jìn)展通訊,實現(xiàn)上位機(jī)的集中控制功能。2.3.4電磁兼容性車輛的自動化程度越高,車輛設(shè)備及信號控制系統(tǒng)電磁環(huán)境越復(fù)雜,電子部件信號系統(tǒng)要適應(yīng)此電磁環(huán)境。因此空調(diào)自動控制器要在預(yù)期的電磁環(huán)境

21、中能正常工作,且無性能降低或故障,電磁兼容性是要預(yù)先考慮的。要遵照車輛運(yùn)行電磁環(huán)境進(jìn)展功能設(shè)計。3通風(fēng)系統(tǒng)空調(diào)車輛的通風(fēng)系統(tǒng)是車輛空氣調(diào)節(jié)的重要組成局部。經(jīng)空調(diào)機(jī)處理過的空氣只有通過通風(fēng)系統(tǒng)送往車內(nèi),才能保證車內(nèi)溫度均勻性。因此,通風(fēng)系統(tǒng)可制約空調(diào)機(jī)在車輛中的性能發(fā)揮,目前,我國干線鐵路車輛普遍采用靜壓風(fēng)道。這種靜壓風(fēng)道可以降低噪音,使送風(fēng)均勻。3.2氣流組織通常車內(nèi)乘員較多,車輛內(nèi)部最好做到全面送風(fēng)。即使是空調(diào)機(jī)回風(fēng)口區(qū)域,也要設(shè)送風(fēng)口。否那么氣流受擁擠人群擾動、阻塞,回風(fēng)往往越過空調(diào)機(jī)回風(fēng)口區(qū)乘員頭頂回到空調(diào)機(jī)內(nèi),此處乘員感覺不到氣流;而且在超員的情況下,回風(fēng)溫度也較高,不能帶給乘員相應(yīng)的涼快感覺,滿足舒適需要。目前地鐵車輛一般設(shè)廢排口。尤其在車輛乘員多的情況下,通過車門開閉不能完全置換車內(nèi)空氣,有必要設(shè)置廢排。這樣做有3個好處:直接將擁擠人群下部散發(fā)的熱量通過廢排口排出,