一種地鐵車(chē)輛通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的壓力問(wèn)題探討

陳 光

(常州長(zhǎng)青交通科技股份有限公司 技術(shù)中心，江蘇 常州 213125)

一種地鐵車(chē)輛通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的壓力問(wèn)題探討

陳 光

(常州長(zhǎng)青交通科技股份有限公司 技術(shù)中心，江蘇 常州 213125)

為解決地鐵車(chē)輛因排風(fēng)帽設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)壓較大(80Pa～90Pa)，以致客室車(chē)門(mén)無(wú)法正常關(guān)閉的問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)排放廢氣的風(fēng)道部件結(jié)構(gòu)，合理布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，優(yōu)化了客室內(nèi)壓控制，改善了車(chē)輛乘坐環(huán)境，提高了乘客滿意度。

地鐵車(chē)輛；通風(fēng)系統(tǒng)；壓力分析

地鐵車(chē)輛通風(fēng)系統(tǒng)是地鐵車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分?？照{(diào)系統(tǒng)一般包括空調(diào)機(jī)組、通風(fēng)系統(tǒng)(送風(fēng)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng))、控制系統(tǒng)和緊急逆變電源。在每節(jié)車(chē)廂至少設(shè)置一套空調(diào)機(jī)組，空調(diào)機(jī)組包括室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)，室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)之間通過(guò)冷媒管路連接形成制冷循環(huán)回路，室內(nèi)機(jī)安裝于車(chē)內(nèi)頂板上方，室外機(jī)安裝于車(chē)底。室內(nèi)機(jī)的出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口分別通過(guò)送風(fēng)風(fēng)道和回風(fēng)風(fēng)道與位于車(chē)內(nèi)的送風(fēng)口和回風(fēng)口連通。在實(shí)際應(yīng)用中，曾有地鐵車(chē)輛因排風(fēng)帽設(shè)計(jì)不合理，以致發(fā)生客室內(nèi)壓較大的情況。如深圳地鐵一號(hào)線和南京地鐵一號(hào)線客室正壓過(guò)高(80Pa～90Pa)，導(dǎo)致客室車(chē)門(mén)無(wú)法正常關(guān)閉。后來(lái)采取的補(bǔ)救措施是：深圳地鐵一號(hào)線在門(mén)下加一排出氣孔；南京地鐵一號(hào)線在側(cè)墻增加排風(fēng)口數(shù)量。這種措施雖然能降低內(nèi)壓，卻會(huì)導(dǎo)致車(chē)廂不封閉[1]。因此，應(yīng)通過(guò)合理地改進(jìn)排放廢氣的風(fēng)道部件(以下簡(jiǎn)稱廢排)的結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，將客室內(nèi)壓控制在合理范圍內(nèi)，以解決車(chē)門(mén)難以關(guān)閉的問(wèn)題，同時(shí)改善車(chē)廂封閉情況。

1 風(fēng)道結(jié)構(gòu)及其安裝布置

風(fēng)道截面通常為矩形和圓形，本風(fēng)道截面為矩形，材料為1mm厚的AL 5052-H22鋁合金。該材料抗拉強(qiáng)度高(據(jù)GBT3880.2-2006一般工業(yè)用鋁及鋁合金板材的力學(xué)性能，達(dá)210MPa～260MPa)，質(zhì)量輕(密度約2.7g/cm3)，表面陽(yáng)極氧化15μm～20μm，抗腐蝕性良好。

圖1中上圖為仰視圖，下圖為水平正視圖。該圖面板已透明化處理，可以看見(jiàn)內(nèi)部風(fēng)擋和圓弧過(guò)渡導(dǎo)流板，風(fēng)道兩邊安裝支架。風(fēng)道D出風(fēng)口帶有連接管與圓形風(fēng)管連接通向司機(jī)室，分配箱進(jìn)風(fēng)口連接空調(diào)機(jī)組出風(fēng)口。序號(hào)為1，3，4，5，6的送風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口與分配箱出風(fēng)口連接，送風(fēng)道出風(fēng)口與出風(fēng)格柵(又叫散流器)的上平面連接，空調(diào)風(fēng)則被送入客室。

1—風(fēng)道D;2—分配箱;3—風(fēng)道B;4—扁風(fēng)道2;5—扁風(fēng)道1;6—風(fēng)道A ;7—出風(fēng)口

圖2中，出風(fēng)格柵在頂板的兩側(cè)，側(cè)邊與側(cè)頂連接成為一體，上平面安裝送風(fēng)道；回風(fēng)格柵位于中頂板中間的開(kāi)孔處，回風(fēng)格柵上平面安裝回風(fēng)道?？褪铱諝饨?jīng)回風(fēng)格柵至回風(fēng)道，其中部分空氣進(jìn)入空調(diào)機(jī)組與吸入的新風(fēng)混合經(jīng)冷卻過(guò)濾被離心風(fēng)機(jī)送入送風(fēng)道，在客室內(nèi)形成循環(huán)，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度、濕度的目的。新舊風(fēng)量的混合比例由調(diào)節(jié)閥門(mén)控制。其余的空氣經(jīng)廢排出口排到車(chē)外。

圖3所示為廢排的下側(cè)面外觀圖，廢排安裝在車(chē)頂，廢排外罩噴漆以預(yù)防腐蝕，而且此部件更換方便、成本低廉。圖4所示為空氣壓力示意圖，外部為廢排外罩，內(nèi)側(cè)為廢排內(nèi)罩。

1—中頂板；2—出風(fēng)柵格；3—回風(fēng)柵格

圖3 廢排底面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 廢排截面空氣壓力示意圖

2 雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是指同時(shí)設(shè)置有送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的壓力損失由送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)共同承擔(dān)。雙風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)管內(nèi)全壓分布如圖5所示。圖6所示為氣流圖，對(duì)于雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，排風(fēng)必須處于回風(fēng)機(jī)的正壓段，而新風(fēng)和回風(fēng)必須處于送風(fēng)機(jī)的負(fù)壓段?？梢钥闯隹諝庠陲L(fēng)管內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律為：(1)風(fēng)機(jī)的壓頭等于風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口的全壓差，或者說(shuō)等于該風(fēng)機(jī)所負(fù)擔(dān)的風(fēng)管系統(tǒng)沿程壓力損失和局部壓力損失之和。(2)風(fēng)機(jī)吸入段的全壓和靜壓均為負(fù)值，在風(fēng)機(jī)入口處負(fù)壓值最大；風(fēng)機(jī)壓出段的全壓和靜壓一般情況下均為正值，在風(fēng)機(jī)出口處正壓值最大。(3)在風(fēng)機(jī)的壓出段，如果動(dòng)壓值大于全壓值時(shí)，則該處的靜壓會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。(4)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意各并聯(lián)支路的阻力平衡。

圖5 雙風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)管內(nèi)壓力分布圖

圖6 空調(diào)系統(tǒng)氣流圖

3 調(diào)壓原理

排氣一般是對(duì)應(yīng)新風(fēng)的，如果車(chē)輛客室只引入新風(fēng)，那么這個(gè)車(chē)輛客室就是正壓，客室前中后分別安裝氧分壓傳感器和氣壓傳感器，測(cè)控車(chē)輛客室氧氣含量和氣壓。根據(jù)氣態(tài)方程：

PV=nRT

式中：P為壓強(qiáng)；V為體積；n為物質(zhì)的量；R為普適氣體常量；T為絕對(duì)溫度，K。當(dāng)P，V，n，T的單位分別采用Pa，m3，mol，K時(shí)，R的數(shù)值為8.31。該方程嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)只適用于理想氣體，但近似可用于非極端情況(低溫或高壓)的真實(shí)氣體(包括常溫常壓)。

(1)

式中：V0為客室內(nèi)部空間體積；P3為客室內(nèi)部氣壓。

從式(1)可以看出V0，R，T為定值時(shí)，不管新風(fēng)量增加，氧氣含量增加，還是回風(fēng)量增加，只要總風(fēng)量增加，車(chē)內(nèi)氣壓就增大，即n(物質(zhì)的量)增加，則客室壓力P3增大。這里假設(shè)客室內(nèi)部溫度恒定常溫。根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)壓力分布可得：

(2)

式中：P2為廢排進(jìn)口氣壓；Ps為回風(fēng)格柵回風(fēng)道壓力損失；Pz為回風(fēng)機(jī)的增壓。

排氣門(mén)處于恰好關(guān)閉的平衡狀態(tài)時(shí)，由圖4可知：

(3)

由式(2)、(3)可得：

式中：α為排氣門(mén)與鉛直方向的夾角；P1為廢排出口氣壓；G為排氣門(mén)的自重；S為排氣門(mén)出風(fēng)口的面積。

當(dāng)客室氣壓P3增大，且Ps，P1，S，Pz為定值時(shí)，排風(fēng)量增大。當(dāng)式(4)成立時(shí)，廢排氣門(mén)打開(kāi)，向車(chē)外排氣，降低氣壓。

(4)

由于乘客呼吸，導(dǎo)致氧氣含量降低，氧分壓傳感器發(fā)送氧分壓低于限定值的信號(hào)至控制器，控制器處理信號(hào)后發(fā)送指令調(diào)節(jié)閥門(mén)增大新風(fēng)量和回風(fēng)量混合比，控制送風(fēng)機(jī)增速，從而維持客室氧分壓平衡。當(dāng)客室壓力較大時(shí)，壓力傳感器發(fā)送信號(hào)至控制器，控制器處理信號(hào)后發(fā)出指令，控制調(diào)節(jié)閥，減小回風(fēng)比例；控制送風(fēng)機(jī)降速，回風(fēng)機(jī)增速，減少的回風(fēng)量經(jīng)廢排排到車(chē)外，降低客室氣壓，從而維持客室氣壓平衡。

當(dāng)P3+Pz≤Gsinα?xí)r，排氣門(mén)關(guān)閉，停止排氣。

由公式(4)可知，當(dāng)排氣門(mén)傾角α增大或者排氣門(mén)的自重G增加時(shí)，增大Pz或者減小P1(車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生渦流形成負(fù)壓區(qū)所致)，至排氣門(mén)內(nèi)外的壓差P2-P1>Gsinα/S時(shí)，才能打開(kāi)排氣門(mén)。因此，設(shè)計(jì)排氣門(mén)應(yīng)考慮排氣門(mén)的大小、自重、傾斜角度以及排氣口的面積。排氣口大，排風(fēng)量大，需要引入的新風(fēng)量也大，會(huì)增加空調(diào)負(fù)荷；排風(fēng)口小，排風(fēng)量小，會(huì)導(dǎo)致車(chē)內(nèi)壓力過(guò)高，車(chē)門(mén)關(guān)閉困難。

4 壓力計(jì)算

某地鐵車(chē)輛廢排的排氣門(mén)的材料為1mm厚的AL5052-H22鋁合金，初始傾角α=18°，排氣門(mén)的成型尺寸為430mm×86mm×0.8mm，加上咬邊，展開(kāi)寬度為96mm，自重約0.09kg，G=0.882N，出風(fēng)口尺寸為410mm×62mm，面積S=0.025 42m2，回風(fēng)道長(zhǎng)度l=0.106 5m。

廢排排氣門(mén)在初始角處于平衡時(shí)，則有：

P3-Ps+Pz-P1=0.882sin18°/ 0.025 42=10.722(Pa)

客室氣壓為：

(5)

回風(fēng)道壓力損失Ps為：

(6)

a.回風(fēng)道沿程壓力損失。

(7)

(8)

式中：△py為單位管長(zhǎng)沿程壓力損失，也稱為單位管長(zhǎng)摩擦阻力損失，Pa/m；ρ為空氣密度，標(biāo)準(zhǔn)狀況下ρ=1.2kg/m3；υ為風(fēng)管內(nèi)空氣的平均流速，m/s；de為矩形風(fēng)管的當(dāng)量直徑，m。

圓形風(fēng)管的當(dāng)量直徑de=d，d為風(fēng)管直徑；矩形風(fēng)管的當(dāng)量直徑de=2ab/(a+b)，其中的a,b分別為矩形風(fēng)管的兩個(gè)邊長(zhǎng)。本例的回風(fēng)道矩形邊長(zhǎng)a=0.216m，b=0.195m，de=0.205m。

使用柯列勃洛克-懷特公式求λ值：

(9)

式中：λ為摩擦阻力系數(shù)；K為風(fēng)管內(nèi)壁的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度；Re為雷諾數(shù)，Re=υde/ν，其中ν為空氣的運(yùn)動(dòng)粘度。標(biāo)準(zhǔn)狀況下，ν=15.06×10-6m2/s，Re=2.722×104?；仫L(fēng)口位于客室上部時(shí)，客室凈高2.5～3.0m時(shí)吸風(fēng)速度取υ=2m/s。

由于內(nèi)貼吸音板材(與石膏板相近)，查表1，得K=1。根據(jù)公式(9)可解得λ=25。

標(biāo)準(zhǔn)狀況損失壓差：

△Py1=0.106 5△py=0.106 5λ/de×υ2ρ/2=0.106 5λ/0.205×2×2×1.2/2 =1.247λ

△Py1=31.175(Pa)。

表1 各種材料的平均絕對(duì)粗糙度表[2]

上述是在標(biāo)準(zhǔn)狀況條件下求得的數(shù)值。海拔高度對(duì)氣壓的影響應(yīng)予修正，以南京為例，由參考文獻(xiàn)[2]中表1-1室外氣象參數(shù)，查得南京海拔高度為8.9m。再由參考文獻(xiàn)[3]中圖18-3海拔高度和溫度對(duì)摩擦損失的修正系數(shù)，查得修正系數(shù)ε=0.999。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)狀況損失壓差海拔高度修正后，沿程壓力損失：

△Py=△Py1ε=1.247λε=31.175×0.999=31.144(Pa)

b.回風(fēng)道局部阻力。

△Pj=ζυ2ρ/2

式中：ζ為局部阻力系數(shù)；回風(fēng)道進(jìn)氣口面積A1=0.051m2，回風(fēng)道出氣口面積A0=0.032m2。

υ1/υ0=A0/A1=0.627

通過(guò)查閱參考文獻(xiàn)[2]可知ζ=0.25；υ為ζ與之對(duì)應(yīng)的斷面流速。

△Pj=2×2×1.2×ζ/2=0.6(Pa)

c.回風(fēng)道壓力損失。

Ps=△Py+△Pj=31.744(Pa)

則由式(5)可得：

P3+ Pz=42.466+P1

因?yàn)镻1=Px+P0，所以

P3+Pz=42.466+Px+P0

(10)

式中：P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；Px為任意速度時(shí)的渦流產(chǎn)生的負(fù)壓值。

5 優(yōu)點(diǎn)分析

由于車(chē)輛運(yùn)行有一定的速度，在排風(fēng)帽附近形成氣流(如圖7所示)，則排風(fēng)帽頂出口處出現(xiàn)渦流[4]，形成負(fù)壓區(qū)，有利于排風(fēng)帽內(nèi)氣體流出，降低排風(fēng)帽進(jìn)口壓力。

圖7 排風(fēng)帽氣流圖

若保持客室壓力P3≈P0(標(biāo)準(zhǔn)氣壓人感覺(jué)最舒適)且恒定：

a.當(dāng)車(chē)速v為0時(shí)，Px=0Pa,由式(10)得出P3+Pz>42.466+P0。此條件下方可以排出廢氣。

必須回風(fēng)機(jī)的增壓Pz>42.466Pa，即排氣門(mén)內(nèi)外壓差為正時(shí)，方可以排出廢氣。此時(shí)，回風(fēng)機(jī)以較大負(fù)荷維持正壓。

b.當(dāng)車(chē)速v=22.2m/s(80km/h)時(shí)，Px=Pmax，Pmax為最大車(chē)速時(shí)的負(fù)壓值(Pmax<0)，P142.466+Pmax+P0。

由前提條件P3≈P0可知：此時(shí)42.466≥Pz>42.466+Pmax，仍可以排出廢氣。此時(shí)，渦流產(chǎn)生的負(fù)壓差抵消了部分排氣門(mén)的自重影響，回風(fēng)機(jī)以較小的負(fù)荷維持一定的正壓差，即可排氣。

當(dāng)渦流產(chǎn)生的負(fù)壓差Pmax<-42.466Pa時(shí)，即便Pz為0，回風(fēng)機(jī)停機(jī)，P3>42.466+Pmax+P0,客室相對(duì)于排氣口仍是正壓，可以排出廢氣，減小了回風(fēng)機(jī)的功耗，節(jié)約了能源。需要注意的是，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的Pmax值以及當(dāng)?shù)氐哪昶骄L(fēng)速和風(fēng)向的影響，考慮廢排設(shè)計(jì)，避免渦流導(dǎo)致的負(fù)壓值過(guò)大，出現(xiàn)排氣過(guò)度，甚至引起客室負(fù)壓而導(dǎo)致通過(guò)提升送風(fēng)機(jī)功率來(lái)維持氣壓的問(wèn)題。

c.如果排氣門(mén)增加自重，或是α更大(甚至接近90°)，需要回風(fēng)機(jī)輸出更大的功率，Pz增大到足以克服門(mén)更大的自重所產(chǎn)生的力矩，才可以打開(kāi)排氣門(mén)排氣。

[1] 穆廣友，臧建彬．地鐵車(chē)車(chē)輛空調(diào)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J]．城市軌道交通研究，2008,11(11):29-32.

[2] 孫一堅(jiān)．簡(jiǎn)明通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997：12-242.

[3] 陸耀慶．供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1987：815.

[4] 王芳，臧建彬，程熠．運(yùn)行速度對(duì)地鐵車(chē)輛排風(fēng)風(fēng)帽排風(fēng)特性影響的研究[C]//中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集．北京：同方知網(wǎng)數(shù)字出版技術(shù)股份有限公司，2009.

TheDesignofaVentilationSysteminSubwayCarsPressureEquipment

CHEN Guang

(Changzhou Evergreen Transport Technology Co., Ltd. Jiangsu Changzhou, 213125, China)

In order to solve the metro vehicle for not reasonable design of exhaust hood, larger pressure (120pa) and unable closed door at passenger compartment, it improves the waste discharge structure, arranges the rational monitoring points, optimizes the passenger compartment pressure control, improves vehicle ride environment. This increases passenger satisfaction.

Metro Vehicle; Ventilation Systems; Pressure Analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.016

2014-08-19

陳光(1974—)，男，江蘇邳州人，在常州長(zhǎng)青交通科技股份有限公司主要從事地鐵與高鐵內(nèi)部構(gòu)件方面的技術(shù)工作。

TH122

B

2095-509X(2014)09-0066-04