廣佛線列車(chē)客室CO2濃度控制空調(diào)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度的研究

黎 燈,黃偉生

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510200）

0 引言

目前廣佛線列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)采用列車(chē)載荷信號(hào)控制空調(diào)機(jī)組新風(fēng)門(mén)開(kāi)度，從而控制列車(chē)客室內(nèi)的新風(fēng)量。但列車(chē)載荷信號(hào)僅為AW0、AW1、AW2、AW3四個(gè)等級(jí)，導(dǎo)致空調(diào)新風(fēng)量控制不連續(xù)且存在一定局限性。該文通過(guò)對(duì)列車(chē)客室CO2濃度的研究，創(chuàng)新式提出直接采用客室內(nèi)CO2濃度控制空調(diào)機(jī)組新風(fēng)門(mén)開(kāi)度的方式，從而控制客室新風(fēng)量，達(dá)到改善客室CO2濃度的目的，同時(shí)又能降低空調(diào)機(jī)組的能耗，為城市軌道交通地鐵車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)控制客室內(nèi)新風(fēng)量提供新的研究方向及理論依據(jù)。

1 廣佛增購(gòu)車(chē)空調(diào)機(jī)組新風(fēng)量控制原理

空調(diào)在正常運(yùn)行模式下，空調(diào)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)TCMS發(fā)送的載客量信號(hào)對(duì)新風(fēng)量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。根據(jù)廣佛增購(gòu)車(chē)空調(diào)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度控制方式，當(dāng)車(chē)廂載荷為AW1及以下時(shí)，該節(jié)車(chē)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度為30%、當(dāng)車(chē)廂載荷為AW1時(shí)，該節(jié)車(chē)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度為60%、當(dāng)車(chē)廂載荷為AW2時(shí)，該節(jié)車(chē)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度為100%。空調(diào)正常運(yùn)行模式下，每個(gè)機(jī)組的新風(fēng)量不低于1 300 m3/h；緊急通風(fēng)模式下，每個(gè)機(jī)組的新風(fēng)量不低于2 125 m3/h。當(dāng)新風(fēng)控制系統(tǒng)故障或與車(chē)輛通信故障、載荷信號(hào)故障時(shí)，新風(fēng)門(mén)打開(kāi)至全開(kāi)狀態(tài)。

2 廣佛線正線列車(chē)客室CO2濃度現(xiàn)狀

根據(jù)《客車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)》（TB1951—87）[1]客車(chē)空調(diào)裝置須滿足下列衛(wèi)生條件：客室內(nèi)空氣中CO2的容積濃度不大于0.15%，即1 500 PPM。根據(jù)前期的測(cè)量結(jié)果，當(dāng)載荷為AW1-AW2時(shí)，客室內(nèi)CO2濃度為900~1 302 PPM，當(dāng)載荷為AW2-AW3時(shí)，客室內(nèi)CO2濃度為1 239~1 466 PPM，廣佛線正線列車(chē)客室內(nèi)CO2濃度含量總體偏高。

3 原因分析

根據(jù)上面測(cè)量情況，CO2濃度較高的區(qū)間集中在金高—瀝滘，根據(jù)列車(chē)結(jié)構(gòu)及空調(diào)系統(tǒng)控制方式，分析主要原因?yàn)檐?chē)廂內(nèi)新風(fēng)未能跟隨乘客量及時(shí)補(bǔ)充，其次廣佛線列車(chē)車(chē)門(mén)為微動(dòng)塞拉門(mén)，車(chē)門(mén)關(guān)閉后整個(gè)車(chē)廂的密封性較好，而CO2比空氣重，CO2處于車(chē)廂中下層空間，當(dāng)乘客較多時(shí)，客室空氣流通性較差，導(dǎo)致乘客產(chǎn)生的CO2難以通過(guò)廢排風(fēng)機(jī)快速排出，致使廣佛線列車(chē)正線客室CO2濃度出現(xiàn)較高現(xiàn)象。

4 CO2濃度控制新風(fēng)門(mén)開(kāi)度方式測(cè)試

4.1 客室CO2濃度監(jiān)測(cè)原理

在空調(diào)機(jī)組中回風(fēng)側(cè)設(shè)置空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)盒，采用DC24V供電，可檢測(cè)CO2濃度數(shù)據(jù)并通過(guò)RS485通信上傳至空調(diào)機(jī)組內(nèi)部主控板，主控板將數(shù)據(jù)上傳至控制柜中的車(chē)控器，車(chē)控器再將數(shù)據(jù)上傳至TCMS網(wǎng)絡(luò)。

4.2 客室CO2濃度控制新風(fēng)門(mén)開(kāi)度原理

新風(fēng)閥的開(kāi)度根據(jù)CO2濃度檢測(cè)值進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，控制方案見(jiàn)表1，為避免頻繁切換，在控制時(shí)設(shè)置一定回差：

表1 客室CO2濃度控制新風(fēng)門(mén)開(kāi)度方案

（1）當(dāng)檢測(cè)到CO2濃度處于上升趨勢(shì)且低于700 PPM時(shí)，新風(fēng)閥開(kāi)度為1/3。

（2）當(dāng)檢測(cè)到CO2濃度處于上升趨勢(shì)且處于700~1 100 PPM 之間時(shí)，新風(fēng)閥開(kāi)度由1/3 改為2/3。

（3）當(dāng)檢測(cè)到CO2濃度處于上升趨勢(shì)且超過(guò)1 100 PPM時(shí)，新風(fēng)閥開(kāi)度由2/3改為全開(kāi)。

（4）當(dāng)檢測(cè)到CO2濃度處于下降趨勢(shì)且處于600~1 000 PPM 之間時(shí)，新風(fēng)閥開(kāi)度由全開(kāi)改為2/3開(kāi)度。

（5）CO2濃度處于下降趨勢(shì)且低于600 PPM時(shí)，新風(fēng)閥開(kāi)度調(diào)整為1/3。

（6）當(dāng)監(jiān)測(cè)裝置失效時(shí)采用載荷控制新風(fēng)閥方案。

4.3 CO2濃度、載荷控制方式對(duì)比分析

為研究廣佛增購(gòu)車(chē)客室CO2濃度控制空調(diào)新風(fēng)門(mén)的可行性，將GF069070車(chē)69單元空調(diào)軟件升級(jí)為V1.6版，70單元車(chē)的空調(diào)軟件保持V1.4版。69單元空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)門(mén)開(kāi)度優(yōu)先采用客室內(nèi)CO2濃度控制，70單元空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)門(mén)開(kāi)度直接采用載荷控制。為排除2節(jié)相鄰車(chē)廂內(nèi)CO2濃度可能互相影響的因素，通過(guò)正線測(cè)量GFA069車(chē)、GFA070車(chē)客室CO2濃度，對(duì)比分析2節(jié)車(chē)客室空調(diào)新風(fēng)門(mén)不同控制方式下的CO2濃度及空調(diào)能耗。

4.3.1 GFA069車(chē)客室正線CO2濃度控制新風(fēng)門(mén)開(kāi)度測(cè)試

采用CO2濃度控制空調(diào)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度的車(chē)廂內(nèi)同一時(shí)間內(nèi)不同測(cè)量點(diǎn)的CO2濃度分布較均勻，隨著載荷量的增大，客室內(nèi)CO2濃度也逐漸升高。

為進(jìn)一步研究CO2濃度控制空調(diào)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度的可靠性，讀取GFA069車(chē)當(dāng)天的空調(diào)數(shù)據(jù)，查看GFA069車(chē)正線測(cè)量CO2濃度時(shí)間段內(nèi)新風(fēng)門(mén)打開(kāi)情況。由于客室內(nèi)CO2檢測(cè)裝置安裝在回風(fēng)口上方，距離地板面高度已超過(guò)1.7 m，為更加真實(shí)地反映新風(fēng)門(mén)的開(kāi)度情況，因此選取距離地板面高為1.7 m的位置正線人工測(cè)得的客室CO2濃度數(shù)據(jù)與同一時(shí)刻的空調(diào)數(shù)據(jù)對(duì)比，如表2所示。

表2 人工測(cè)量數(shù)據(jù)及列車(chē)檢測(cè)裝置檢測(cè)數(shù)據(jù)

正線人工測(cè)量的CO2濃度基本高于空調(diào)CO2濃度檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)，除去個(gè)別數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確外，人工測(cè)量的CO2濃度所對(duì)應(yīng)的新風(fēng)門(mén)應(yīng)該打開(kāi)的開(kāi)度與空調(diào)CO2檢測(cè)裝置數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的新風(fēng)門(mén)開(kāi)度基本一致?？照{(diào)CO2檢測(cè)裝置數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的新風(fēng)門(mén)開(kāi)度與當(dāng)前載荷下新風(fēng)門(mén)應(yīng)打開(kāi)的開(kāi)度基本一致，但載荷處于AW1-AW2之間時(shí)，隨著客室乘客增多，CO2濃度的上升，新風(fēng)門(mén)開(kāi)度也由2/3開(kāi)度打開(kāi)至全開(kāi)狀態(tài)，目的是增加客室新風(fēng)量，降低客室CO2濃度。當(dāng)載荷由AW1-AW2變?yōu)锳W2-AW3時(shí)，CO2濃度控制方式能提前使新風(fēng)門(mén)打開(kāi)至全開(kāi)，達(dá)到快速降低客室內(nèi)CO2濃度的目的。因此采用CO2濃度控制新風(fēng)門(mén)開(kāi)度時(shí)，新風(fēng)門(mén)開(kāi)度優(yōu)先隨著客室CO2濃度變化而變化，不受載荷的影響，控制方式較為靈活。

4.3.2 GFA070車(chē)客室正線載荷控制新風(fēng)門(mén)開(kāi)度測(cè)試

采用載荷控制空調(diào)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度的車(chē)廂內(nèi)同一時(shí)間內(nèi)不同測(cè)量點(diǎn)的CO2濃度分布較均勻。

為進(jìn)一步研究載荷控制空調(diào)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度的合理性，讀取GFA070車(chē)當(dāng)天的空調(diào)數(shù)據(jù)，查看GFA070車(chē)正線測(cè)量CO2濃度時(shí)間段內(nèi)新風(fēng)門(mén)打開(kāi)情況。當(dāng)客室內(nèi)CO2濃度處于600~924 PPM，對(duì)應(yīng)的載荷為AW0-AW1，空調(diào)機(jī)組新風(fēng)門(mén)的開(kāi)度僅為1/3；當(dāng)客室載荷為AW1-AW2時(shí)，客室內(nèi)的CO2濃度基本在1 000~1 273 PPM，此時(shí)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度僅為2/3。對(duì)比新風(fēng)門(mén)開(kāi)度由客室CO2濃度控制的GFA069車(chē)，當(dāng)2節(jié)車(chē)同樣處于AW0-AW1時(shí)，GFA070車(chē)客室CO2濃度比GFA069車(chē)高，且GFA069車(chē)空調(diào)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度能打開(kāi)至2/3開(kāi)度以增加客室新風(fēng)量；當(dāng)2節(jié)車(chē)同樣處于AW1-AW2時(shí)，GFA070車(chē)比GFA069車(chē)客室CO2濃度略高且GFA070車(chē)空調(diào)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度僅為2/3，而GFA069車(chē)空調(diào)機(jī)組能根據(jù)CO2濃度變化將新風(fēng)門(mén)開(kāi)度由2/3調(diào)節(jié)至全開(kāi)，達(dá)到增加客室新風(fēng)量，提升客室空氣質(zhì)量的目的；當(dāng)GFA070車(chē)載荷由AW1-AW2變?yōu)锳W2-AW3時(shí)，載荷控制新風(fēng)門(mén)方式雖能將新風(fēng)門(mén)打開(kāi)至全開(kāi)，但隨著載荷的增大，仍無(wú)法有效降低客室內(nèi)CO2濃度，對(duì)比GFA069車(chē)CO2濃度控制方式，當(dāng)GFA069車(chē)載荷為AW1-AW2時(shí)，新風(fēng)門(mén)就已提前打開(kāi)至全開(kāi)，為客室內(nèi)提供更多的新風(fēng)量，即使載荷增加至AW2-AW3，也能有效降低客室CO2濃度。

5 兩種新風(fēng)門(mén)控制模式下的空調(diào)能耗對(duì)比

由于GFA069車(chē)的空調(diào)機(jī)組優(yōu)先采用客室內(nèi)CO2濃度來(lái)控制新風(fēng)門(mén)開(kāi)度，對(duì)比GFA070車(chē)空調(diào)機(jī)組新風(fēng)門(mén)開(kāi)度直接由載荷控制的方式，兩種控制方式下，在列車(chē)處于不同工況時(shí)，2節(jié)車(chē)客室新風(fēng)量有所不同，空調(diào)機(jī)組的能耗也有所不同。因此選取GF069070車(chē)在2021年3月、4月及5月不同日期空調(diào)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 GF069070車(chē)空調(diào)耗電量

從表3可以得出，從3—5月，由于室外溫度逐漸升高，因此空調(diào)的耗電量也隨之增加。對(duì)比69單元與70單元空調(diào)的耗電量，2個(gè)單元車(chē)空調(diào)機(jī)組的耗電量總體相差不大。在空調(diào)不同工況下70單元車(chē)空調(diào)耗電量比69單元最大高出6.6%的電量，平均比69單元車(chē)高出3.7%的電量。可以得出，69單元的空調(diào)能耗略低于70單元空調(diào)能耗。因此，在空調(diào)不同工況下，采用客室CO2濃度控制新風(fēng)門(mén)開(kāi)度的方式比載荷量控制新風(fēng)門(mén)開(kāi)度的方式更加節(jié)能。

6 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)GF069070車(chē)兩種不同的新風(fēng)門(mén)控制方式的分析及能耗對(duì)比分析，空調(diào)機(jī)組新風(fēng)門(mén)開(kāi)度采用客室CO2濃度控制時(shí)，對(duì)比載荷控制新風(fēng)門(mén)開(kāi)度方式，當(dāng)列車(chē)處于AW0-AW1或AW1-AW2載荷時(shí)，CO2濃度控制方式能更有效地根據(jù)客室CO2濃度來(lái)調(diào)節(jié)新風(fēng)門(mén)開(kāi)度，在列車(chē)當(dāng)前的狀態(tài)下使新風(fēng)門(mén)開(kāi)度提前打開(kāi)到更大值，增加客室新風(fēng)量，提升客室舒適度。從空調(diào)能耗上看，在空調(diào)各種工況下，采用客室CO2濃度控制新風(fēng)門(mén)開(kāi)度的方式略微節(jié)能。因此，廣佛線增購(gòu)車(chē)采用客室CO2濃度控制空調(diào)機(jī)組新風(fēng)門(mén)開(kāi)度的方式比載荷控制空調(diào)機(jī)組新風(fēng)門(mén)開(kāi)度的方式更加合理。