地铁车辆空调系统设计要点分析

图 1 第 1 种端部送风方式
2) 空调机组安装在车辆端部, 机组单端送风; 支风管设置在机组两侧的车顶夹层内; 回风口设在 机组端部或底部( 见图 2) 。
图 2 第 2 种端部送风方式
3) 空调机组安装在车辆中部, 机组两端送风; 支风管设置在机组两侧或机组底部的车顶夹层内; 回风口设在机组端部 ( 见图 3) 。
以夏季为例, 空调负荷包括: 1) 车体传热量 Q1 ( 包括太阳辐射) 。
! Q 1 =
kFi ti
式中:
k ∀ ∀ ∀ 传热系数;
Fi ∀ ∀ ∀ 车体各面面积;
ti ∀ ∀ ∀ 车体各面对应的内外温差。
2) 太阳辐射热量的一部分可以计算在窗的传
热中, 另一部分计算在车窗的吸收和透射中。对于
车辆的双层玻璃, 它的吸收系数 远小于透光系数 , 因此可以仅计算车窗的太阳辐射透射作用所引起 的得热量 Q2 。
随着我国地铁建设的快速发展, 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。
1 车辆空调系统的组成及其功能
地铁车辆空调系统的一般组成为: 空调机组, 通 风系统( 送风系统、排风系统) , 控制系统, 紧急逆变 电源。空调系统功能是: 空气经过空调机组降温( 加
4) 空调机组安装在车辆端部, 机组单端送风; 回风 口设在机组下部, 客室回风经过客室区域再被吸入到空
第 11 期 调机组内处理, 从而增加端部的空气流动( 见图 4) 。
图 3 第 3 端部送风方式
研究报告
内压力过高, 并导致车门关闭 困难; 若 排风口面积 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。
地铁风道的设计直接影响空调系统的制冷( 制 热) 效果, 并使风量调节、客室噪声、速度流场、温度 流场等性能指标符合设计要求。 2. 2. 1 风道设计通常采用的 4 种送风方式[ 4- 5]
1) 空调机组安装在车辆端部, 机组单端送风; 支风管设置在机组下部的车顶夹层内, 通过支风道 解决端部下部的∋ 死角(问题; 回风口设在机组端部 或底部( 见图 1) 。
2) 圆管式送风道: 该送风风道由德国西门子公 司设计。整套送风系统是由多根铝合金圆形软管组 成, 分别向客室不同区域送风, 再通过散流器分配到 客室。每节车辆至少设有 4 根圆形软管, 非驾驶室 端设有 6 根圆形软管。已采用这种风道的有上海轨 道交通 3 号线二期及广州地铁 3 号线的车辆。
3) 条缝式静压均匀送风风道: 目前国内生产 的轨道车辆, 较多地采用了这种送风风道。该风道 主要由主风道和静压风道组成, 通过静压风道内条 缝送风口向车内送风( 见图 5) 。该风道被应用到了 长春、大连、天津的轻轨车辆, 以及南京地铁 1 号线、 北京地铁八通线等车辆上。
2 车辆空调系统设计要点
空调系统设计过程主要包括: 空调负荷计算、均 匀送风道设计、自然排风帽设计、司机室空调通风装
置设计、控制系统设计等五部分。
2. 1 空调系统负荷计算和分析 根据用户提供的基础计算参数, 如气候条件、列
车载客量、运行速度、新风量、车体几何尺寸、车体传 热系数、太阳辐射等进行空调负荷计算[ 1] 。
第 11 期
研究报告
地铁车辆空调系统设计要点分析
穆广友1 臧建彬2
( 1. 上海 轨道交通设备发展有限公司, 200233, 上海; 2. 同济大学机械工程学院, 201804, 上海 第一作者, 工程师)
摘 要 空调系统是地 铁车辆 的重要 辅助系 统。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。 从设计实践出发, 分析 了地铁 车辆空 调系统 设计要 点, 着重 对空调负荷计算、均匀 送风道 设计、排风帽 设计和 控制 系统 设计等进行了阐述, 并提出了相应建议。 关键词 地铁车辆; 空调系统; 设计要点 中图分类号 U 270. 38+ 3; U 266. 2
顾考虑每隔 3~ 4 min 到站开门时的冷量损失( 一般 冷量损失为总 冷量的 80% ~ 90% ) , 以及持 续超员 的情况。上海轨道交通 1 号线早期进口的空调系统 由于设计负荷小( 制冷量 35 kW) , 高峰期乘客人数 大于每辆 410 人时, 空调系统无法满足使用要求, 乘 客投诉率很高。现在对空调系统在地铁车辆运行中
热) 后, 通过送风系统均匀地送到客室内部; 一部分 空气在回风过程中由排风系统排出车外, 等量的新 鲜空气通过机组新风口进入客室内。控制系统的功 能是: 通过软件控制空调机组的运行和停止, 监控机 组的运行状态, 并与网络连通传递各类信息, 包括司 机室对空调系统的指令、扩展供电和紧急通风指令 等。紧急逆变电源是在主电源出现故障时启动, 将 车载蓄电池的直流电源逆变为交流电源, 仅提供给 通风机工作, 有效工作时间为 45 min。此时, 空调 系统关闭机组回风门, 只为客室提供新鲜空气。
式中:
Q 3 = q rnc
qr ∀ ∀ ∀ 成年男子散热量, 由 U IC 553 ∀ 2004∃客 车通风、取暖与空调%可得, 车内温度 27 & 时, qr =
115 W; n ∀ ∀ ∀ 定员; c ∀ ∀ ∀ 群集系数, 取 0. 955。 4) 设备散热量。车内的主要散热设备有蒸发
风机和日光灯, 但在最热的时候( 室外温度 35 & ) 不
根据自然排风口位置不同, 排风方式有车顶( 见 图 6) 、车侧( 见图 7) 及车底等几种。其中以车顶方 式为多[ 6] 。
图 4 第 4 种端部送风方式
2. 2. 2 送风道截面方案对比 1) 大截面准静压送风道: 该风道为铝合金焊接
结构, 由主风道、支风道、多孔整流板组成。送风支 风道内侧板上沿长度方向均匀开有进风圆孔。为了 在主风道内形 成层流, 在 每节 主风道 中间 焊接 了 ∋ V(形多孔整流栅板。已采用这种风道或类似结构 的有广州地铁 1、2 号线车辆和上海轨道交通 2 号线 车辆。
的作用和重视程度越来越高。
目前国内地铁车辆空调生产厂家的空调设计负
荷中, A 型车的空调机组基本采用制冷量 42 kW, B、C 型车采用 35 kW, 北方地区的 B、C 型车个别采
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用 28 kW。 由于地铁车辆预留给空调机组的空间有限, 空
调机组的容量设计空间已基本饱和, 单纯提高制冷 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。因此, 车辆厂的车体隔热保 温设计( 决定车体的传热系数 k 值) 将变得十分重 要。为此, 对于保温材料的选择、材料沾接工艺、车 体的密封程度、车体热桥问题的避免等问题, 车体设 计师必须与空调系统设计师一起协调研究解决。车 体传热系数 k 应尽量控制在 2. 5 W/ ( m2 # K ) 左右, 以保证车体隔热保温效果。目前, 在车体设计中由 于车门特殊的结构, 并没有采取保温措施, 冷量损失 比较大, 这将是未来设计中有待解决的问题。 2. 2 均匀送风道设计
建议设计者应充分注意自然排风帽的设计, 对 风帽应事先进行数值模拟计算和阻力特性试验, 以 及地面淋雨 试验, 并结 合实 际应用 经验 确定 设计 方案。 2. 4 司机室空调设计
司机室的空调设计有两种模式: 独立式空调机 组和增压器。
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城市轨道交通研究
2008 年
独立式空调 机组的优点是: 控制系 统独立, 制 冷、制热效果好。其不足之处是: 造价偏高, 且空调 机组和控制板需要单独设置, 造成司机室空间更加 紧张。
图 5 条缝式静压均匀送风风道
2. 3 自然排风帽设计 自然排风帽( 见图 6) 的设计对空调通风系统影
响比较大。若排风口面积小, 将导致排风量小, 使车
图 6 车顶自然排风帽模型
图 7 车侧排风示意图
自然排风帽的设计数量一般为 4~ 8 个, 直径为 200~ 300 mm。目前深圳地铁 1 号线和南京地铁 1 号线车辆 在使用中 出现了客 室正压过 高( 80 ~ 90 P a) 、客室门无 法正常关闭的问题。采 取的补救措 施是: 深圳地铁 1 号线车辆在门下增加一排导气孔; 南京地铁 1 号线车辆在侧墙增加排风口数量。这种 措施虽然降低了内压, 但同时造成了车厢不密闭、噪 声过大等问题。据了解, 上海轨道交通 6 号线和 8 号线也出现 了客 室内压 过高 的问题, 内 压达 到了 120 P a。其解决方案依然在研究中。
用日光灯照明, 只考虑蒸发风机的电机散热量 Q4。
Q 4 = !N 式中:
! ∀ ∀ ∀ 系数, 取 0. 80; N ∀ ∀ ∀ 电机的有效功率, 即蒸发风机的轴功率。 5) 新风负荷。对于地铁车辆空调系统的空气 处理过程均采用一次回风无再热过程, 因此总空调 负荷中没有再热负荷。新风负荷为 Q 5。
Key Points in Metro Vehicle Air conditioning System Design M u G uangy ou, Z a ng Jianbin Abstract A ir co nditioning sy stem is a n impo r tant auxiliar y system in metr o vehicles. Because o f the mo vem ent of vehi cles and the lar ge passenger number s, air co nditioning sys te m design fo r metr o vehicles has its o wn char acte ristics. Based on the design pr actice s, this paper po ints out the key elem ents in the entir e pr o cess of air conditio ning sy stem de sign f or me tro v ehicles, discusses the a ir conditioning lo ad, the unifo rm air distribution, the ex haust air cap a nd the contr o l sy stem de sig n in detail. Acco r ding to the c ur rent air conditio ning sy stems in Chinese m etr o line s, this pa pe r also ra ises so me design pro posals and standards fo r design a nd test. Key words metr o ve hicle; air co nditio ning sy stem; design po ints First author s address Shangha i R ail T raf fic Equipment Co. , L td. , 200233, Shanghai, China