地鐵車輛空調(diào)設(shè)計(jì)問題的探討
摘要： 結(jié)合目前國內(nèi)各城市地鐵列車空調(diào)設(shè)計(jì)要求、車輛技術(shù)規(guī)格要求和廣州地鐵車輛的實(shí)際運(yùn)營情況，針對地鐵車輛空調(diào)的特點(diǎn)，提出了設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮和關(guān)注的幾個(gè)技術(shù)問題。
關(guān)鍵詞： 地鐵車輛； 空調(diào)； 設(shè)計(jì)； 問題探討
0 引言
隨著城市地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，對地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)的要求也越來越高。目前，鐵路列車空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)有規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。歐洲結(jié)合地鐵車輛的特點(diǎn)，在3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上已編制了針對地鐵、輕軌車輛空調(diào)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)； 而我國目前在地鐵、輕軌列車空調(diào)設(shè)計(jì)方面尚未制定標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合廣州、上海地鐵車輛空調(diào)的特點(diǎn)，就地鐵列車空調(diào)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)技術(shù)問題進(jìn)行了探討。
1 制冷量的合理確定
1.熱負(fù)荷計(jì)算
地鐵車輛空調(diào)裝置的有效制冷量是用來平衡列車使用中車內(nèi)熱負(fù)荷及新風(fēng)熱負(fù)荷的。其計(jì)算公式為
7 Q y = Qi =1
式中：Q 1i——車體隔熱壁傳熱負(fù)荷；
Q2—— 太陽輻射熱負(fù)荷；
Q3—— 乘客散出的顯熱負(fù)荷；
Q4—— 乘客散出的潛熱負(fù)荷；
Q5—— 車內(nèi)機(jī)電設(shè)備、照明器具等散發(fā)的熱負(fù)荷；
Q6—— 新風(fēng)帶來的顯熱負(fù)荷；
Q7—— 新風(fēng)帶來的潛熱負(fù)荷。
通常情況下，在車廂空氣參數(shù)確定后，所需的有效制冷量大小主要取決于外氣參數(shù)、車體傳熱系數(shù)、車內(nèi)定員及新風(fēng)量。
2. 車外溫度、濕度的合理確定
因各城市所處的地理位置以及隧道結(jié)構(gòu)、列車運(yùn)營速度等方面的差異，車輛運(yùn)用時(shí)隧道內(nèi)外的大氣參數(shù)選取應(yīng)具體結(jié)合各城市當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，而不要照搬照抄。若外氣參數(shù)選用不合理，不但會造成設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)際運(yùn)用情況之間的不吻合，機(jī)組設(shè)計(jì)余量過大或偏小，甚至?xí)哟箅娫丛O(shè)備的功率、重量，從投資和將來運(yùn)營的角度來看，不僅不合適也是極不合算的。
車輛運(yùn)行初期，隧道內(nèi)的溫度相對較低，濕度較大，但隨著列車運(yùn)營時(shí)間加長，空調(diào)冷凝器散熱，制動(dòng)電阻、閘瓦、牽引電機(jī)、隧道照明等設(shè)備的發(fā)熱，隧道溫度會不斷上升、相對濕度會下降。從香港西鐵所做的運(yùn)營計(jì)算模擬曲線上看到，列車運(yùn)營 年后，隧道墻體的溫度將會上升5℃，隧道內(nèi)的平均溫度約上升8℃。加之車站屏蔽門的設(shè)置，長期運(yùn)營后，隧道區(qū)間溫度已基本趨于一致，而且車輛在隧道內(nèi)的運(yùn)行環(huán)境后期比運(yùn)營初期要惡劣些。
因此從總體設(shè)計(jì)、運(yùn)用來看，各城市應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境參數(shù)、隧道結(jié)構(gòu)條件、列車時(shí)速要求以及車站是否加設(shè)屏蔽門、隧道風(fēng)機(jī)配置和使用等情況，通過模擬計(jì)算來確定隧道內(nèi)溫度、濕度參數(shù)，使之接近實(shí)際運(yùn)用情況，為空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)提供合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。
3. 車體材料及列車運(yùn)行速度對傳熱系數(shù)K 的影響
在計(jì)算整車的熱負(fù)荷中，傳熱系數(shù)K 值因車體隔熱壁厚度、材料的性能、門窗和連接通道結(jié)構(gòu)和列車運(yùn)營時(shí)速等不同而異。地鐵車輛車體材料目前較常用的是不銹鋼和鋁合金材料。日本對不同車的K 值試驗(yàn)研究表明，不銹鋼車的傳熱系數(shù)為 m2·K，鋁合金車的傳熱系數(shù)為 m2·K，車體門窗在結(jié)構(gòu)和尺寸上的差異，影響整車的傳熱系數(shù)。另外，列車在靜止和運(yùn)行情況下，傳熱系數(shù)K 也是變化的，即傳熱系數(shù)隨列車運(yùn)行速度的提高而增大，若列車運(yùn)行平均速度達(dá)到 ， 那么，車體的傳熱系數(shù)將比靜止情況下增長%。因此在設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)結(jié)合車體材料、門窗結(jié)構(gòu)、列車平均旅行速度等具體情況來確定車體的傳熱系數(shù)計(jì)算值。
4. 車內(nèi)定員及新風(fēng)量的合理確定
在對廣州、南京等地鐵車輛空調(diào)熱負(fù)荷的計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，在列車熱負(fù)荷的各組成中，定員對熱負(fù)荷的影響可以說是最大的。因?yàn)槎▎T數(shù)決定著新風(fēng)量以及由于乘客帶來的顯熱和潛熱，在熱負(fù)荷組成比例中定員因素影響的比例占了整個(gè)總負(fù)荷的%。
以廣州地鐵1號線為例，車輛空調(diào)設(shè)計(jì)是基于2的定員載荷。在此設(shè)計(jì)計(jì)算中要求每節(jié)車的乘客數(shù)達(dá)到0人，在地鐵目前的運(yùn)營模式下，日均載客量應(yīng)在 萬人次才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而實(shí)際運(yùn)營中，由于各種因素所致，客流量都未能達(dá)到設(shè)計(jì)值。在低峰時(shí)，每節(jié)車的載客量不足0人，即使在客流量最高峰時(shí)，每日的最大載客量也僅為 萬人次，亦即每節(jié)車的載客量為5人，這樣的載客量遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)的定員數(shù)量。
統(tǒng)計(jì)計(jì)算表明，每節(jié)車的熱負(fù)荷比例中，新風(fēng)熱負(fù)荷通常占總負(fù)荷的%～%，而新風(fēng)量只取決于車內(nèi)定員，因此必須結(jié)合定員來合理確定新風(fēng)量。
因地鐵列車運(yùn)行區(qū)間短、開關(guān)門頻繁、乘客在車內(nèi)的停留時(shí)間較短，因此地鐵列車的人均新風(fēng)量可適當(dāng)?shù)氐陀阼F路的要求。根據(jù)歐洲地鐵列車空調(diào)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)9，對于地鐵或輕軌列車設(shè)計(jì)，B型車空調(diào)系統(tǒng)的人均新風(fēng)量可選取 m3·人，而A型車推薦的人均新風(fēng)量為5m3·人。
5. 行車密度及隧道活塞效應(yīng)對熱負(fù)荷的影響
隨著地鐵運(yùn)營客流量的增加，行車密度也需隨之加大，伴隨著列車的啟動(dòng)、加速、惰行、減速、停止等運(yùn)動(dòng)狀況產(chǎn)生的區(qū)間隧道內(nèi)活塞風(fēng)隨時(shí)間變化而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而活塞風(fēng)對地鐵隧道熱環(huán)境將造成一定的影響。如廣州、上海地鐵列車的運(yùn)營設(shè)計(jì)發(fā)車間隔為4n，若車輛運(yùn)行時(shí)隧道熱量不能及時(shí)排出，在隧道活塞效應(yīng)作用下，可能造成隧道內(nèi)局部區(qū)間的溫度偏高。在運(yùn)營中，前一列車離開后，若該區(qū)間空調(diào)系統(tǒng)的冷凝散熱不及時(shí)，后續(xù)車輛的外部溫度就會升高，造成冷凝器和新風(fēng)吸入溫度高于原設(shè)計(jì)值。另外,近年來國內(nèi)地鐵設(shè)計(jì)中，趨向于設(shè)計(jì)土建幾何尺寸較小的隧道，地鐵列車故障導(dǎo)致隧道區(qū)間阻塞，這些都會造成隧道溫度升高從而對熱負(fù)荷產(chǎn)生直接影響。
2 通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
目前為了降低地鐵建設(shè)造價(jià)，新建的地鐵都嚴(yán)格控制著隧道土建的工程量，因此通常隧道截面都不會太大。這使得車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸受到很大限制，特別是車體高度尺寸。如北京地鐵八通線的B型車，其車體高度僅為30，車廂內(nèi)凈高僅為220，空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)高度要低于0，較大幅度地限制了空調(diào)系統(tǒng)包括車內(nèi)風(fēng)道的設(shè)計(jì)尺寸。為保證送風(fēng)均勻，降低噪聲，必須對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1. 溫度均勻性
客室內(nèi)溫度均勻性主要取決于風(fēng)道送風(fēng)的均勻性，所以風(fēng)道的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前廣州1、2號線、上海2號線地鐵都采用了靜壓條縫式均勻送風(fēng)風(fēng)道。這種風(fēng)道的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、送風(fēng)性能良好、維修方便。但在該風(fēng)道的設(shè)計(jì)中要注意以下幾個(gè)問題：
（1） 為了控制客室內(nèi)的噪音，盡量保證主風(fēng)道內(nèi)最大風(fēng)速不高于8s；
（2） 在充分考慮風(fēng)道阻力及噪聲后，主風(fēng)道送風(fēng)條縫和靜壓風(fēng)道送風(fēng)條縫的寬度尺寸越小越好；
（3）為使靠近機(jī)組兩端風(fēng)道的送風(fēng)量不至于過小，應(yīng)在主風(fēng)道內(nèi)適當(dāng)加設(shè)擋風(fēng)板，其尺寸最好由試驗(yàn)確定；
（4） 建議在主風(fēng)道與靜壓箱隔板上粘貼吸音材料，以降低噪聲。
2. 氣流組織及微風(fēng)速
氣流組織是否合理，與送風(fēng)口和回風(fēng)口的位置、型式、大小、送風(fēng)氣流的流態(tài)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)、送風(fēng)溫差、客室結(jié)構(gòu)等多方面因素有關(guān)，且送風(fēng)射流的作用區(qū)要比回風(fēng)口的作用區(qū)大得多。
對于地鐵列車來說，比較適用的氣流組織有： 上側(cè)送下側(cè)回氣流和孔板送風(fēng)。若采用孔板送風(fēng)，則需要使穩(wěn)壓層內(nèi)各處的靜壓相同，才能達(dá)到各孔口有相同的風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)。
地鐵列車車廂內(nèi)由于內(nèi)頂較低（一般不大于20）， 而乘客多處于站立區(qū)，因此如果送風(fēng)速度過高、送風(fēng)溫差大，會使乘客有明顯的“吹風(fēng)感”，這是設(shè)計(jì)中必須要避免的； 但地鐵列車載客量大時(shí)，若送風(fēng)速度過低，則衰減快、氣流組織差，夏季乘客會感到車內(nèi)溫差大、不涼爽。多數(shù)乘客在車內(nèi)停留時(shí)間一般在 n內(nèi)，因此車內(nèi)微風(fēng)速可以比鐵路要求的 s大。在C標(biāo)準(zhǔn)中，環(huán)境溫度在 ℃時(shí)，風(fēng)速允許達(dá)到5s，值得借鑒。
3. 噪聲
地鐵列車在隧道中運(yùn)行時(shí)，各種設(shè)備發(fā)出的噪聲難以擴(kuò)散，要經(jīng)過隧道壁面的多次反復(fù)衰減，因此對列車上設(shè)備的噪聲有著嚴(yán)格的控制要求。車內(nèi)空調(diào)通風(fēng)機(jī)和風(fēng)道內(nèi)的空氣流動(dòng)是直接的噪聲源，必須通過選用低噪聲和多葉片的離心風(fēng)機(jī)和消聲風(fēng)道來解決； 而在站臺上，空調(diào)機(jī)組冷凝風(fēng)機(jī)的噪聲就顯得十分突出，冷凝風(fēng)機(jī)必須選用低噪聲、低轉(zhuǎn)速、大流量的軸流風(fēng)機(jī)，來盡可能降低噪聲。
3 空氣品質(zhì)
空調(diào)系統(tǒng)除了要控制好客室的溫濕度、風(fēng)速外，還要保證客室空氣的潔凈度。地鐵列車長期在隧道中運(yùn)行，若過濾網(wǎng)選用不當(dāng)，受電弓碳滑板和制動(dòng)閘瓦產(chǎn)生的大量碳粉以及隧道中的積塵，就會直接影響客室的空氣潔凈度。國內(nèi)在地鐵列車設(shè)計(jì)中對該項(xiàng)的要求和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)目前也存在著空白。
對于線路區(qū)間隧道較長的地鐵列車，司機(jī)往往需要長時(shí)間停留在氧氣和陽光較少的地方，所以列車設(shè)計(jì)也要充分體現(xiàn)“以人為本”的原則，盡可能為司機(jī)創(chuàng)造一個(gè)較好的工作環(huán)境。建議在司機(jī)室內(nèi)單獨(dú)加裝空氣清新機(jī)或負(fù)氧離子發(fā)生器等設(shè)備，以改善司機(jī)的工作環(huán)境。
4 節(jié)能措施
從廣州地鐵1號線列車運(yùn)行能耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，在夏季，一節(jié)車空調(diào)的能耗約占整列車總能耗的%。從運(yùn)營的長遠(yuǎn)效益來看，采用各種方式來達(dá)到列車空調(diào)節(jié)能運(yùn)行是十分必要的。
第一，要確定適當(dāng)?shù)氖彝庠O(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)和新風(fēng)量，避免因設(shè)計(jì)參數(shù)不合理而導(dǎo)致制冷量設(shè)計(jì)過大，從而造成能耗增加； 第二，列車在沒有載客運(yùn)營情況下，可關(guān)閉空調(diào)機(jī)組所有的新風(fēng)口，通過預(yù)熱或預(yù)冷，使車廂溫度盡快達(dá)到設(shè)定值，以減少不必要的能源浪費(fèi)； 第三，由于實(shí)際運(yùn)行中客流量變化較大，可能出現(xiàn)低于預(yù)測值或因其他因素導(dǎo)致部分區(qū)間的客流量未達(dá)到設(shè)計(jì)值的情況，即載客量少于定員2的設(shè)計(jì)值，造成因新風(fēng)量過高而產(chǎn)生的能源浪費(fèi)。因此在客室中裝設(shè)2檢測器，利用自動(dòng)新風(fēng)調(diào)節(jié)門來調(diào)整所需的新風(fēng)量大小，從而達(dá)到節(jié)能運(yùn)營的目的。
5 安全性
列車運(yùn)行中，對乘客的安全保障是至關(guān)重要的。空調(diào)系統(tǒng)不僅要提供給乘客一個(gè)舒適的乘車環(huán)境，也應(yīng)在緊急情況下，提供必要的保護(hù)措施。
正常情況下，空調(diào)系統(tǒng)工作的交流電源是由列車輔助電源提供的，由于運(yùn)行中，列車是一個(gè)封閉的空間， 因此，在整列車交流電源失效的情況下，應(yīng)能通過空調(diào)緊急逆變器將列車蓄電池的直流電源逆變成交流電，維持一定時(shí)間的應(yīng)急通風(fēng)，保證緊急情況下，乘客在車內(nèi)停留時(shí)所需的氧氣量。
另外，雖然地鐵設(shè)計(jì)中對隧道內(nèi)的電線、電纜等材料有相關(guān)的防火標(biāo)準(zhǔn)和要求，但設(shè)計(jì)中也應(yīng)考慮到，萬一隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，司機(jī)應(yīng)能在司機(jī)室關(guān)閉列車所有的吸排風(fēng)口，避免煙霧等對乘客的危害，便于將列車從火災(zāi)區(qū)開到安全區(qū)域。
6結(jié)論
列車制冷量決定著空調(diào)機(jī)組的功率、設(shè)備噪聲和尺寸、輔助供電量等。它的計(jì)算主要取決于外氣和隧道溫度、濕度、車體計(jì)算傳熱系數(shù)、車內(nèi)設(shè)計(jì)定員及新風(fēng)量，并因各城市大氣和隧道條件、車型等具體情況而不同。設(shè)計(jì)中必須確定好這些參數(shù)，避免因設(shè)計(jì)參數(shù)不合理而導(dǎo)致機(jī)組設(shè)計(jì)制冷量過高或不足。
地鐵列車通風(fēng)系統(tǒng)要求提高風(fēng)速的均勻性、并可適當(dāng)提高平均微風(fēng)速，但又要控制好主風(fēng)道的風(fēng)速，避免風(fēng)速過高帶來的噪聲，因此必須優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，提高列車乘坐的舒適性。車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)問題不應(yīng)該再被忽略，筆者建議國內(nèi)盡快建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。地鐵車輛空調(diào)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮列車運(yùn)營的長遠(yuǎn)性，設(shè)計(jì)中應(yīng)采取可能的方式來降低空調(diào)機(jī)組的能耗，達(dá)到運(yùn)營節(jié)能的目的； 同時(shí)應(yīng)設(shè)有緊急通風(fēng)和隧道火災(zāi)防煙等措施來保證各種突發(fā)事件下的運(yùn)營安全性。
