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城市轨道车辆空调系统

摘要通过对城市轨道交通运输特点的介绍,提出了一些可供其车辆空调系统参考的

设计方法 ,以及车内外夏季空气参数的选取依据及计算实例,讨论了车辆空调系统的空调机组及通风系统的要求和特点。

关键词城市轨道交通,车辆,空调系统

城市轨道交通车辆空调系统的设计,除要考虑到城轨交通的一般特点(运量大、快捷、安全、舒适、站点密集、上下车乘客交换频繁、有一定的运行时间段、车辆部件具备较高可靠性) 之外,还要考虑以下因素: ① 各城市间城轨车辆运营环境不同。我国幅员辽阔,即使目前规划或在建城轨项目的各城市之间差别也很大,南到广州,北到长春,东到上海、青岛,西到西安,气候条件必须予以具体考虑,具体设计,实施时要有侧重。② 乘员多。城轨交通线路一般穿越城市中心及商业繁华地带,客流密集。目前十多个城市旅游人口很多,因此除了上、下班时间乘座高峰期,其他时段乘客流量也很大。以下对车辆空调系统各部分分别加

以分析。

1 车内、外空气参数

1. 1 车辆空调标准

目前我国还未制订城市轨道交通车辆的空调标准。下面介绍的是我国现行国标及铁标对铁路客车舒适环境作的相关标准规定值: 2. 《客车空调设计参数》TB1951 -87

北京以南地区干线铁路选择空调客车的外气计算参数为:

a. 夏季外气计算温度35 ℃,相对湿度60 % ;

b. 冬季外气计算温度-14 ℃;

c. 夏季客室内气温24～28 ℃,相对湿度40 % ～65 % , 最高不超过70 % ; e. 客室内同

一水平面和同一铅垂线的最大气温差均不超过3 ℃;

f . 客室内微风速,夏季≤0. 35 m/ s , 冬季≤0. 2 m/ s 。

城轨车辆与干线铁路车辆结构特征相似,但就其空调系统而言,因城轨交通的运行特点而有其特殊性。从分析乘客在乘坐车辆的具体情况可看到, 上面的标准规定的舒适值是基于人体在空调空间中长时间停留的稳定状态得出的,人员在车辆中可适当增减衣物,以达到个人的舒适要求。但在城轨车辆运行中,乘员最长的乘坐时间也不过半小时, 绝大部分乘客只

有几分钟乘坐时间。虽然在空调技术中以数值的方式规定了乘客舒适范围,但舒适的感觉

是人体生理及心理条件决定的。当炎热夏季从户外进入有空调或通风的房间时,健康人员

的生理要求是散去身体表面热量,蒸发掉汗液;心理要求是能尽快降温或通风达到生理的要求。这是一个瞬态人体条件变化中舒适概念。但人体的生理活动变化是一个复杂过程,受

心理活动、环境变化等等因素制约,而且变化平缓,所以人员在环境条件变化时,个人舒适

感会有一个过渡期,在经过过渡区后才达到稳定状态。在乘客乘坐城轨车辆过程中,乘客基本处于典型的过渡过程中。夏季, 人们从户外进入候车厅(如果有的话),随即进入车内,生理及心理的舒适要求为能够快速将身体表面热量带走以便获得舒适感;但在实际乘车过程中, 往往乘员在没有到达稳定状态或刚刚获得了凉爽感觉时就已到站下车了。冬季里,人

们穿着较厚的户外冬装,皮肤表面温度低,即使在乘坐没有采暖的普通车辆情况下,群集度

较高时人们也会获得温暖感觉。当有采暖时,在人们乘车不能脱下外衣情况下,车内温度过高,乘员会产生闷热感甚至会出汗,造成人体不舒适。故而冬季乘坐城轨车辆的生理及心理舒适度要求不如夏季乘车迫切,只要在车内温度高于外界温度情况下,就会获得舒适感,而

且乘员很快会下车走入户外。所以冬季车内舒适情况也比较特殊。下面分别对车内外空气设计参数的制定作简单讨论。

1. 2 参数制定

1. 2. 1 夏季外气计算参数

在选择外气计算温度时,要依照当地的气候条件,根据累计气象资料提出相应的外界温度要求。我国对全国大中城市气象进行了统计,推荐了外气计算参数。因此各地可依此作参考。考虑气候的变暖趋向,要提出最高外气温度,以便在最高外气温度条件下,空调系统尚能工作,车辆还能获得一定的室内外温差,保证车辆舒适度。

1. 2. 2 夏季车内计算参数选取

影响人体舒适的因素一般有以下几项:空气温度、空气流速、相对湿度、水平温差、垂直温差、辐射的均衡性、二氧化碳含量、含尘量等等。但是这些参数都满足是很困难的。尤其是公共使用空间,一般着重控制的是空气温度和气流速度两项对舒适性最重要的参数。

根据卫生学观点认为:我国人民对夏季高温适应性为28 ℃ 。结合相对湿度的适应性,当人体周围温度在26. 7 ℃ 以下时,湿度对人体影响不明显;当温度在28 ℃ 以上时,相对湿度对人体影响明显;当相对湿度达到70 % 时,就感觉不舒服了。在空调技术中,控制好一定温度,相对湿度不大于70 % 时,空气的相对湿度对人体的影响很小。所以对于城轨车辆,在车内达到基本的温、湿参数情况下,主要起影响作用的还是气流速度。在选取标准工况时,目前大家普遍提出的温度≤27 ℃,相对湿度≤65 % 的车内温、湿度条件是合适的。但由于

城轨车辆的乘员经常会有超员情况出现,所以车辆在考虑夏季耗冷量计算时要校核在超员

情况下车内温度,以确定合理的制冷量。目前有地铁公司考虑车辆损耗、维护量等问题 ,以票价限定一定的乘员量,也是对车辆热负荷限定的一个因素,可在运营时加以考虑。

保持一定的气流速度是城轨车辆满足乘员舒适性的必要条件。因为车辆的狭长特征,处于

车长方向各个区段的回风量是不同的,所以车辆内部衡量乘客舒适的气流速度以出风吹到

人体表面的微风速为依据。这一点国内外的标准是一致的。关于气流速度控制,一般认为

在27 ℃ 时,气流速度为0. 3～0. 35 m/ s 时能够获得较好的舒适感。但乘客停留区的气流速度受空调机总风量的限制,获得较高的气流速度时空调机总风量要大,而拥有大风量通常需要空调送风机尺寸较大。由于城轨车辆提供给空调设备的使用空间较小,限制了空调

机尺寸,如果要提供大风量,可能要改变风轮叶片角度、转速等。这样的话,车内噪音可能

会高。因此空气流速是个综合问题,在设计当中需要综合考虑。如,能否考虑将空调机置于车辆靠中间的位置,以缩短空调送风距离,使送风机在较低的压头下送出较高的风量等措施。

1. 2. 3 冬季外气计算参数的选取

因为车辆空调系统引入了新风,对于冬季外气温度较低的城市,适当增加空调供暖是必要的。冬季外气最低温度通常出现于1 :00～4 :00 之间。根据城轨车辆运输的间歇性,冬季外气计算温度以本城市冬季通风外气温度为好,以适应城轨交通特点,满足乘员舒适性,同时可

以避免因供热量过大引起车内温度高,或供暖与通风交替运行时因通风时间长,供暖时间短而增加车内温度的波动。

1. 2. 4 冬季车内计算参数选择1. 2. 5 算例

以南京地铁车辆冬季简要计算为例,来说明冬季车内温度的确定及空调加热量的确定。

(1) 冬季外气计算温度

根据《采暖空调制冷手册》,南京冬季通风计算温度是2 ℃ 。以此可作为外气计算温度。

(2) 冬季车内空气参数(3) 空调加热量计算车辆热平衡计算为: Q2+ Q3+ Q5=Q1+ Q6 式中: Q1 为车体传热;Q6 为新风负荷;Q2 为空调加热量; Q3 为旅客散热; Q5 为车内设备散热(1 500 W) 。

其中:Q1=KF(tB -tH)=10 076 W

Q6=VX/3 600 ×ρX CpX (tB -tH) × 103=14 939 W(ρX 为空气高度,CpX 为(4) 校核车辆满负荷时车内温度状况当半电热运行时,设车内温度为tB2 。根据热平衡方程算得tB2= 20 ℃ 。此时,室内外温差为18 ℃ 。计算此时在空调机加热器前空气混合温度(tN):

在压力不变,且无相变的条件下,空气内能为体积与温度的函数。根据混合规律 , 计算出风温度(tC):

50 %Q2=V0/3 600 ×ρN cpN (tC -tN) ×103 ,

则tC=16 ℃ 。

此时车内出风温度不算太高,乘客在此状态下不致产生闷热感觉,而且可通过空调控制通风与电热交替运行来控制车内温度。适当的热余量可应付车辆停站开门热量损失。所以空调供热量定为12 kW 是可行的。

2 空调机组

2. 1 简述