基于幅流風(fēng)機(jī)的城市軌道交通客車動(dòng)態(tài)空調(diào)分析

康 偉

（長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司城市軌道交通技術(shù)部，130062，長(zhǎng)春∥高級(jí)工程師）

目前，我國(guó)城市軌道交通發(fā)展迅猛。城市軌道交通客車空調(diào)系統(tǒng)能耗在總能耗中占有相當(dāng)大比例，已嚴(yán)重影響到城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性［1］。傳統(tǒng)的空調(diào)策略力圖維持一個(gè)穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境，而室內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定需要消耗大量的能源，同時(shí)對(duì)人體的健康不利。另外，城市軌道交通客車空調(diào)系統(tǒng)中，由于車輛運(yùn)行過(guò)程中車內(nèi)旅客上下、開(kāi)關(guān)門頻繁，很難保持穩(wěn)定的熱環(huán)境。動(dòng)態(tài)空調(diào)策略［2］是通過(guò)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的適當(dāng)動(dòng)態(tài)化，即某些或某個(gè)熱環(huán)境參數(shù)的適當(dāng)動(dòng)態(tài)化，在盡可能減少能量消耗和環(huán)境污染的條件下，提供健康、舒適和可接受的室內(nèi)環(huán)境，以達(dá)到舒適和節(jié)能的統(tǒng)一。城市軌道交通客車空調(diào)系統(tǒng)中幅流風(fēng)機(jī)的應(yīng)用充分體現(xiàn)了動(dòng)態(tài)空調(diào)策略在城市軌道交通客車空調(diào)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)：利用風(fēng)速動(dòng)態(tài)化提供給乘客富于變化的、有利于人體健康的空調(diào)環(huán)境，同時(shí)可以減小系統(tǒng)能耗。

1 動(dòng)態(tài)空調(diào)策略

動(dòng)態(tài)空調(diào)策略與傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)空調(diào)策略的區(qū)別在于通過(guò)某個(gè)或數(shù)個(gè)室內(nèi)空氣參數(shù)的變化給人以適當(dāng)?shù)拇碳ぃ赃_(dá)到健康、節(jié)能、舒適的空調(diào)環(huán)境。

1.1 穩(wěn)態(tài)空調(diào)

穩(wěn)態(tài)空調(diào)策略的主要特征是穩(wěn)定性和熱中性，其主要目的是維持室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定。然而，空調(diào)房間相對(duì)穩(wěn)定的低溫環(huán)境，會(huì)使人產(chǎn)生許多“空調(diào)不適應(yīng)癥”。室內(nèi)外較大溫差造成的熱沖擊對(duì)人體健康不利；長(zhǎng)期生活在穩(wěn)定的低溫環(huán)境，人體生理調(diào)節(jié)機(jī)能得不到鍛煉，抵抗能力被削弱。另外，穩(wěn)態(tài)空調(diào)要維持人體的熱中性，空氣溫度一般低于26 ℃，增加空氣流動(dòng)易造成人體冷吹風(fēng)感，因而室內(nèi)空氣流速須限制在較低水平，容易使人感到空氣沉悶，不能滿足人體舒適性要求。

為了維持室內(nèi)較低溫度，不僅要花費(fèi)大量的能量及設(shè)備投資，而且由于室內(nèi)熱量排至室外，造成室外環(huán)境熱污染。特別是地下運(yùn)行的地鐵車輛，大量熱量堆積在隧道內(nèi)，導(dǎo)致隧道溫度顯著升高，進(jìn)而增加列車空調(diào)負(fù)荷，產(chǎn)生惡性循環(huán)。因此，如何解決穩(wěn)態(tài)空調(diào)在城市軌道交通客車中的缺陷成為城市軌道交通客車空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展的方向。

1.2 動(dòng)態(tài)空調(diào)

動(dòng)態(tài)空調(diào)旨在通過(guò)熱環(huán)境的適當(dāng)動(dòng)態(tài)化，即某個(gè)或數(shù)個(gè)室內(nèi)空氣參數(shù)的適當(dāng)動(dòng)態(tài)化，給人以適當(dāng)?shù)拇碳?，以達(dá)到健康、節(jié)能、舒適的目的。

穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境的人體熱感覺(jué)可用下式描述［3］：

其中：TSV為熱感覺(jué)指標(biāo)，Ta為空氣溫度，Tr為平均輻射溫度，Rh為相對(duì)濕度，v為人體感受到的平均風(fēng)速，met為新陳代謝率，Iclo為著衣量。

在構(gòu)成熱環(huán)境的4個(gè)參數(shù)（空氣溫度、風(fēng)速、相對(duì)溫度、平均輻射溫度）中，相對(duì)濕度在30%～70%范圍內(nèi)波動(dòng)對(duì)人體的熱感覺(jué)和熱舒適無(wú)明顯影響，而室內(nèi)表面平均輻射溫度的變化也很有限。因此，動(dòng)態(tài)化熱環(huán)境的實(shí)現(xiàn)主要依賴空氣溫度和風(fēng)速的變化。溫度動(dòng)態(tài)化可以給人體適當(dāng)刺激，改善穩(wěn)定情況下無(wú)差別狀態(tài)；風(fēng)速的動(dòng)態(tài)化不但可以改善熱舒適，且其具有明顯的溫度補(bǔ)償功能，即使在空氣達(dá)到較高溫度時(shí)，利用動(dòng)態(tài)送風(fēng)模式，仍可使人群的熱反應(yīng)具有較高的可接受性；此時(shí)冷吹風(fēng)感轉(zhuǎn)化為對(duì)空氣流動(dòng)的需求感，室內(nèi)空氣沉悶情況可得到改善，感知空氣品質(zhì)得到相應(yīng)改善。相關(guān)研究表明，利用動(dòng)態(tài)風(fēng)可以改善室內(nèi)熱環(huán)境［4－5］。另外，在同樣環(huán)境條件下，風(fēng)速?gòu)?.1 m／s提高到2.0m／s時(shí)，人的體感溫度一般可下降2℃左右（溫度越高時(shí)，降低的幅度越大）因此利用風(fēng)速動(dòng)態(tài)化，可適當(dāng)提高室內(nèi)設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)舒適與節(jié)能的雙重效果。

2 幅流風(fēng)機(jī)

幅流風(fēng)機(jī)是一種小型的貫流式風(fēng)機(jī)，其流量小、噪聲低、造型美觀，實(shí)物見(jiàn)圖1。

圖1 幅流風(fēng)機(jī)實(shí)物圖

近年來(lái)，作為大多數(shù)民用空調(diào)室內(nèi)送風(fēng)機(jī)，幅流風(fēng)機(jī)在空調(diào)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

幅流風(fēng)機(jī)工作時(shí)，葉輪在電動(dòng)機(jī)的作用下快速旋轉(zhuǎn)，向客室送風(fēng)；葉輪的蝸殼在擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，在風(fēng)機(jī)下方70°范圍內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，風(fēng)機(jī)吹向乘客的是間歇式動(dòng)態(tài)風(fēng)。這樣，一方面減小了長(zhǎng)期吹風(fēng)可能帶來(lái)的冷吹風(fēng)感，另一方面通過(guò)幅流風(fēng)機(jī)的間歇作用實(shí)現(xiàn)風(fēng)速動(dòng)態(tài)化，改善了車廂內(nèi)的熱環(huán)境。

幅流風(fēng)機(jī)通常沿車體長(zhǎng)度方向布置4～8臺(tái)，不同車廂內(nèi)的布置方式稍有差異，詳見(jiàn)圖2、圖3。幅流風(fēng)機(jī)通過(guò)減震器安裝于車頂鋼結(jié)構(gòu)上，嵌于客室頂板。幅流風(fēng)機(jī)下設(shè)幅流格柵，幅流風(fēng)機(jī)通過(guò)幅流格柵向客室送風(fēng)。

3 幅流風(fēng)機(jī)在城市軌道交通客車空調(diào)系統(tǒng)中的作用

圖2 中間車廂幅流風(fēng)機(jī)布置示意圖

圖3 頭車廂幅流風(fēng)機(jī)布置示意圖

幅流風(fēng)機(jī)在城市軌道交通客車空調(diào)系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在舒適性改善及節(jié)能兩個(gè)主要方面。

3.1 幅流風(fēng)機(jī)舒適性改善效果分析

本文首先對(duì)一空調(diào)房間裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)前后的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖4。圖5、圖6為裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)前后的空調(diào)房間溫度分布圖。

圖4 數(shù)值模擬計(jì)算模型

圖5 未裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)的溫度分布

圖6 裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)的溫度分布

通過(guò)對(duì)比可以看出，未裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)時(shí)，室內(nèi)有顯著的垂直溫度梯度，最高溫度達(dá)到26 ℃以上，熱舒適性較差；而裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)后，室內(nèi)溫度分布比較均勻，最高溫度為25 ℃，熱舒適性較好。

圖7為裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)前后的空調(diào)房間風(fēng)速分布圖。通過(guò)對(duì)比可以看出，未裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)時(shí)，送風(fēng)口處風(fēng)速最大，約為0.7 m／s；人員活動(dòng)區(qū)域甚至出現(xiàn)了“死區(qū)”，室內(nèi)空氣流動(dòng)性差，會(huì)使人員感覺(jué)沉悶，舒適性較差。裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)后，幅流風(fēng)機(jī)下方風(fēng)速最大，達(dá)到1.0m／s以上；人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速達(dá)到0.3～0.4 m／s，室內(nèi)空氣流通性好，可以適當(dāng)增加室內(nèi)設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)舒適與節(jié)能的雙重效果。

圖7 裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)前后的空調(diào)房間風(fēng)速分布

同時(shí)，本文對(duì)一城市軌道交通車廂裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)前后的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，數(shù)值計(jì)算中的送風(fēng)溫度設(shè)定為15℃，車體壁面溫度設(shè)定為27℃，幅流風(fēng)機(jī)裝設(shè)在車頂中間。圖8、圖9為裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)前后的車廂內(nèi)風(fēng)速、溫度分布圖。通過(guò)對(duì)比可以看出：未裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)時(shí)，車廂內(nèi)送風(fēng)口及其下方區(qū)域風(fēng)速較高，達(dá)到0.5～0.6 m／s，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷吹風(fēng)感，而車廂其他大部分區(qū)域風(fēng)速相對(duì)較低，空氣流動(dòng)性差，斷面溫度分布差異顯著，局部溫度達(dá)到33℃，熱舒適性較差；增設(shè)幅流風(fēng)機(jī)后，車廂內(nèi)送風(fēng)口下方風(fēng)速相對(duì)降低，冷吹風(fēng)感減弱，而車廂整體斷面風(fēng)速相對(duì)增加，空氣流通有所改善，斷面溫度分布比較均勻，為22 ℃左右，溫度較低。

圖8 未裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)的風(fēng)速分布和溫度分布

圖9 裝設(shè)幅流風(fēng)機(jī)的風(fēng)速分布和溫度分布

所以，增設(shè)幅流風(fēng)機(jī)后應(yīng)適當(dāng)提高送風(fēng)溫度，可以在滿足熱舒適條件下達(dá)到節(jié)能效果。

3.2 幅流風(fēng)機(jī)節(jié)能效果分析

社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展政策使得空調(diào)系統(tǒng)能耗問(wèn)題成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。城市軌道交通客車中幅流風(fēng)機(jī)的使用可以適當(dāng)提高車廂設(shè)定溫度，不僅可以減小空調(diào)負(fù)荷，而且可以提高制冷系統(tǒng)的效率，從而降低系統(tǒng)能耗。

PMV（預(yù)測(cè)平均投票數(shù)）指標(biāo)是根據(jù)人體熱平衡偏離程度的人體熱負(fù)荷而得出的，用以表征人體熱感覺(jué)，代表了同一環(huán)境中大多數(shù)人的感覺(jué)［3］。PMV 指標(biāo)可通過(guò)估算人體活動(dòng)的代謝率及服裝熱阻獲得，同時(shí)還需要以下環(huán)境參數(shù)：空氣溫度、平均輻射溫度、相對(duì)空氣流速及空氣濕度。一般當(dāng)－0.5＜PMV＜0.5 時(shí)，可以認(rèn)為人體熱感覺(jué)為舒適［6］。本文對(duì)一城市軌道交通車廂空調(diào)系統(tǒng)不同運(yùn)行工況的PMV 值進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，詳見(jiàn)圖10。

圖10 幅流風(fēng)機(jī)增設(shè)前后PMV 值的對(duì)比分析

圖10 a）為僅空調(diào)機(jī)組工作與空調(diào)機(jī)組、幅流風(fēng)機(jī)同時(shí)工作時(shí)，人體舒適性指標(biāo)PMV 值的對(duì)比情況。從圖10 a）可以看出，開(kāi)啟幅流風(fēng)機(jī)后，PMV值向0值偏移，人體熱舒適性顯著提高。圖10 b）為僅空調(diào)機(jī)組工作與空調(diào)機(jī)組、幅流風(fēng)機(jī)同時(shí)工作（但室內(nèi)設(shè)定溫度提高1 ℃）時(shí)PMV 值的對(duì)比情況。從圖10 b）可以看出，設(shè)定溫度提高1 ℃時(shí)，開(kāi)啟幅流風(fēng)機(jī)時(shí)，人體熱舒適性仍好于僅空調(diào)機(jī)組工作時(shí)的情況。

由于幅流風(fēng)機(jī)的作用將客室內(nèi)風(fēng)速控制在2 m／s左右，從而使得相同的體感溫度條件下，空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)溫度的設(shè)定值可以大約提高2 ℃。本文對(duì)A、B兩種不同車型車輛進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。計(jì)算中，室外溫度為35 ℃、相對(duì)濕度為60%，車內(nèi)溫度為26℃／28 ℃、相對(duì)濕度為65%，A 型車定員為320人、B型車定員為254人，A 型車新風(fēng)量為3200 m3／h，B型車新風(fēng)量為2540 m3／h。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同車內(nèi)溫度時(shí)A、B型車車輛負(fù)荷計(jì)算 kW

從表1可以看出，室內(nèi)設(shè)定溫度為28℃相對(duì)于室內(nèi)設(shè)定溫度為26℃制冷負(fù)荷大約減少10%，根據(jù)現(xiàn)有列車配置情況，以每列車8輛城市軌道交通車廂計(jì)算，其配置的靜止逆變器的容量可降低約50 kVA，除了相應(yīng)的設(shè)備投資大幅度降低，耗電量也顯著減小。

4 結(jié)論

動(dòng)態(tài)空調(diào)策略有利于舒適性改善和節(jié)能，在城市軌道交通客車空調(diào)系統(tǒng)中采用幅流風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速動(dòng)態(tài)化，在保證舒適性的同時(shí)可提高室內(nèi)設(shè)定溫度、減少設(shè)備投資和能耗、減少環(huán)境污染。因此，應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展幅流風(fēng)機(jī)應(yīng)用效果的評(píng)估分析工作，進(jìn)一步完善空調(diào)系統(tǒng)與幅流風(fēng)機(jī)的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通客車空調(diào)系統(tǒng)舒適、節(jié)能、環(huán)保，為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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