淺析西安地鐵二號線車輛空調(diào)系統(tǒng)

都榮興

摘要：介紹了西安地鐵二號線車輛空調(diào)系統(tǒng)的主要特點、技術(shù)參數(shù)及空調(diào)系統(tǒng)的通風、空調(diào)機組、自動控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，并且針對存在的不足，提出了改進意見。

關(guān)鍵詞：空調(diào)系統(tǒng)；通風系統(tǒng)；空調(diào)機組；

1.概述

西安地鐵二號線車輛空調(diào)系統(tǒng)是由長春軌道客車股份有限公司負責總體設(shè)計和整車試驗，而空調(diào)機組由石家莊國祥運輸設(shè)備有限公司制造。每輛車安裝兩個頂置式單元空調(diào)機組，共用一個主風道，在Mp、M、T車的一位端、二位側(cè)和Tc車二位端、二位側(cè)各設(shè)有一個空調(diào)控制柜，還有一些電氣部件在客室內(nèi)，其中空調(diào)控制柜和電氣部件由長春研奧電器有限公司設(shè)計制造。此空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計考慮了地鐵車輛的實際運行條件，并且采用了一些新的技術(shù)，主要有以下特點：

（1）空調(diào)機組采用單冷型式、微機控制可通過列車總線網(wǎng)絡(luò)進行集中控制，而且還可以通過單節(jié)車的觸摸屏來單獨控制機組的運行。

（2）采用進口全封閉臥式渦旋壓縮機，噪音小、抗沖擊。

（3）采用新型環(huán)保制冷劑R407C。

（4）機組內(nèi)設(shè)有電動回風調(diào)節(jié)裝置及新風調(diào)節(jié)裝置，能夠滿足不同工況條件下風量調(diào)節(jié)的需要。

（5）客室內(nèi)設(shè)置幅流風機，促進了車廂內(nèi)的空氣流通。

（6）司機室和客室通過設(shè)置電加熱器提供暖風和新鮮空氣，從而提高司機駕駛和乘客乘坐的舒適性。

（7）在列車三相380V、50Hz交流電源失效的情況下，由緊急通風逆變器為空調(diào)機組通風機供電，采取降頻降壓工作方式，保證45分鐘的緊急通風。

2.通風系統(tǒng)

為了實現(xiàn)整列車送風均勻，采用靜壓風道。其工作原理是空調(diào)機組下部送出的風進入車內(nèi)主風道，并沿主風道在推進過程中進入靜壓箱，進行靜壓平衡調(diào)節(jié)，使得在主風道的不同截面上，具有不同靜壓的空氣在靜壓箱中得到平衡，并形成一定的靜壓值，空氣通過在靜壓箱上的開口將靜壓轉(zhuǎn)換成一定的動壓噴射出去，從而達到均勻送風的目的。

送風道的布置如圖1：

圖1 送風道的布置圖

2.1車內(nèi)氣流組織形式

送風

在離心風機作用下，新風從空調(diào)機組的新風口吸入，與客室內(nèi)回風在蒸發(fā)器前混合，混合氣流經(jīng)過冷卻后，通過風道和風口均勻地向客室吹出。司機室送風單元通過風道從相鄰的空調(diào)機組中吸入已經(jīng)處理過的冷空氣，再將其送入司機室，可以調(diào)節(jié)送風量及送風方向。

新風

空調(diào)機組自帶新風口，新風口設(shè)有性能好、阻力小的過濾裝置，可防止風沙雨雪滲入車輛，新風入口密封嚴密，所有新風均經(jīng)過空氣過濾器。同時設(shè)有自動風量調(diào)節(jié)閥根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)控制的要求按照制冷、通風、緊急通風等不同的工作狀態(tài)控制新風風量。

回風

客室內(nèi)的部分空氣通過車頂?shù)幕仫L口進行循環(huán)，回風與新風在蒸發(fā)器前混合，混合空氣經(jīng)過蒸發(fā)器完成降溫除濕的制冷過程，并由通風機經(jīng)過風道向車輛均勻地送風。回風口設(shè)有自動風量調(diào)節(jié)閥根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)控制的要求按照制冷、通風、緊急通風等不同的工作狀態(tài)控制回風風量。

排風

司機室利用司機室增壓單元產(chǎn)生的正壓，通過設(shè)于司機室間壁門和兩側(cè)電器柜下部的回風口向客室內(nèi)回風，其中一部分與客室內(nèi)的空氣通過安裝在客室車頂?shù)呐棚L裝置排出車外。

整個空調(diào)系統(tǒng)的車內(nèi)氣流組織形式采用的是下送風下回風方式。如下圖2所示：

圖2 車內(nèi)氣流組織圖

2.2離心風機

離心風機是通風系統(tǒng)的動力裝置，其作用是吸入車外新風和客室回風，并將處理后空氣加壓，通過主風道等送入客室。此風機為多葉片式離心風機，具有高效、低能耗和低噪聲的特點。風機的電機為交流電機，供電電源為3PH/AC380V/50Hz，同時該風機可降頻降壓運行以滿足緊急通風功能的實現(xiàn)。

2.3幅流風機

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)整體布置的要求及室內(nèi)氣流組織的需要，在TC（頭車）安裝了2個雙軸幅流風機，1個單軸幅流風機，中間車安裝了4個雙軸幅流風機，利用葉輪在電機的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生流場，介質(zhì)在葉道內(nèi)流動，在葉片的作用下，獲得能量，將機械能轉(zhuǎn)化為動能，達到通風換氣的目的，促進車廂內(nèi)空氣對流，以提高制冷效果，為乘客提供舒適的服務(wù)。

3.空調(diào)機組

3.1空調(diào)機組的主要技術(shù)參數(shù)

型號 KG29H

型式 車頂單元式

電源 主 回 路：三相交流 380V50Hz

控制回路：DC24V 電磁閥AC220V，50HZ

制 冷 量 29.1kW

通 風 量 4000 m3/h

新 風 量（可調(diào)） 最大為1270m3/h

應(yīng)急通風量 2000m3/h

制 冷 劑 R407C

輸入功率 約14 kW

重量 約600kg

外形尺寸

（長×寬×高） 3300×1600×300mm

(注：外形尺寸為不含安裝座尺寸)

3.2空調(diào)機組主要部件功能

3.2.1壓縮機

制冷壓縮機為全封閉臥式壓縮機，是將電動機、壓縮機構(gòu)及供油系統(tǒng)組裝在同一個密封的機殼內(nèi)，其主要作用是將來自蒸發(fā)器的低溫低壓的 R407C氣體壓縮成高溫高壓的氣體，并送往冷凝器。

3.2.2軸流風機（冷凝風機）

軸流風機為直聯(lián)軸流式風機，風機的葉輪安裝在立式電機上，并采取防水結(jié)構(gòu)，主要用于強化冷媒在冷凝器中的凝結(jié)放熱過程。

3.2.3蒸發(fā)器

蒸發(fā)器為銅管套鋁肋片的直接蒸發(fā)式空氣冷卻器，主要將液態(tài)制冷劑R407C蒸發(fā)成低溫低壓的氣體，與此同時吸收車內(nèi)循環(huán)空氣和新鮮空氣的熱量，達到降溫的目的。

3.2.4冷凝器

其結(jié)構(gòu)型式與蒸發(fā)器相同。

高溫高壓的R407C氣體，通過冷凝器時，在外界空氣的強制冷卻下，變成低溫高壓的冷媒液體。

3.2.5毛細管

毛細管是一組內(nèi)徑極小的細長銅管，當高壓液體冷媒流經(jīng)這組高阻力管時，起到節(jié)流降壓的作用。

3.2.6干燥過濾器

干燥過濾器將濾網(wǎng)固定在容器內(nèi)，并封入干燥劑，過濾冷媒中的殘余雜質(zhì)并吸取冷媒中的殘留水份。

3.2.7高、低壓壓力開關(guān)

當制冷系統(tǒng)的壓力異常高或低時，高、低壓開關(guān)動作，停止壓縮機的運轉(zhuǎn)，保護制冷系統(tǒng)。高、低壓開關(guān)的復(fù)位方式為自動復(fù)位。

3.2.8旁通電磁閥

該電磁閥設(shè)置在壓縮機排氣管與氣液分離器前吸氣管之間，為保證壓縮機在長時間停止后以及溫度較低情況下啟動時的軸承潤滑，與壓縮機同時啟動，30秒后斷電。

3.2.9容量控制電磁閥

此電磁閥配合壓縮機內(nèi)能量調(diào)節(jié)機構(gòu)可以控制壓縮機的容量，與壓縮機同時啟動，40秒后斷電。通過2個電磁閥的開閉及每臺機組兩臺壓縮機工作狀態(tài)組合，進行全運轉(zhuǎn)以及控制容量運轉(zhuǎn)（約70%）的切換，可實現(xiàn)空調(diào)機組多級能量調(diào)節(jié)，制冷能力實現(xiàn)100%、70%、50%共三檔。當打開高壓側(cè)電磁閥，關(guān)閉低壓側(cè)電磁閥時，為全運轉(zhuǎn)狀態(tài)。當打開低壓側(cè)電磁閥，關(guān)閉高壓側(cè)電磁閥時為容量控制運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.2.10液管電磁閥

此電磁閥設(shè)置在冷凝器出口，與壓縮機同時啟動同時停止，防止壓縮機停止時冷媒液倒流入壓縮機側(cè)，防止造成再次啟動時潤滑不良。

4.電加熱系統(tǒng)（采暖系統(tǒng)）

考慮到地鐵車輛實際運行區(qū)域的氣候條件，西安地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)專門設(shè)置了電加熱系統(tǒng)。

4.1客室電熱器

客室電熱器安裝在座椅底下的安裝座上。每組電熱器內(nèi)設(shè)兩支電熱管，兩支電熱管分兩路，可分別或同時工作、停止。電熱器設(shè)“全暖”、“半暖”兩個控制位，由司機控制。

4.2司機室電熱器

為提高司機室冬季采暖的舒適性，在司機室設(shè)帶風機的強迫通風電熱裝置。設(shè)半暖、全暖位，由司機手動操作。每個電熱器內(nèi)設(shè)一臺小型貫流風機，兩支電熱管。司機室電熱裝置安裝在司機臺下。司機室電熱裝置內(nèi)風機與電加熱器設(shè)置連鎖，風機啟動后電熱裝置投入運行，電熱裝置設(shè)熱繼電器進行超溫保護，當由于風機故障等原因使電熱器溫度超過設(shè)定值時，自動停止工作。

5.自動控制系統(tǒng)

5.1供電

從接觸網(wǎng)下來的DC1 500 V直流電經(jīng)過列車靜止逆變器（SIV）轉(zhuǎn)換成AC380 V、50 Hz三相交流電后，供給空調(diào)機組的壓縮機、冷凝風機等交流負載。

空調(diào)系統(tǒng)的控制電路使用DC110 V直流電。從接觸網(wǎng)下來的DC1 500 V直流電經(jīng)過列車輔助供電系統(tǒng)的整流裝置變換成DC110 V后供給控制電路。

當交流供電失效的情況下時，由Tc車的蓄電池供電，將DC110 V直流電經(jīng)緊急通風逆變器轉(zhuǎn)換成三相交流電，驅(qū)動機組內(nèi)的兩個通風機工作45分鐘。

5.2空調(diào)控制柜

在Mp、M、T車的一位端、二位側(cè)和Tc車二位端、二位側(cè)各設(shè)有一個空調(diào)控制柜。此控制柜與客室內(nèi)的空調(diào)裝置一起為司機與乘客提供空調(diào)控制?？照{(diào)控制柜控制單元由PLC主機單元 、溫度擴展模塊、信息顯示操作屏組成。

5.2.1PLC功能

PLC是可編程邏輯控制器的縮寫，對整個空調(diào)機組進行自動控制，實時檢測運行過程中的參數(shù)，對出現(xiàn)的故障自動處理，通過顯示操作屏實現(xiàn)人機對話，響應(yīng)顯示操作屏輸入的命令、參數(shù)、將故障信息、運行狀態(tài)通過顯示操作屏顯示等。

5.2.2顯示操作屏

顯示操作屏是一種微型可編程終端，采用全中文液晶顯示操作屏（帶背光），具有字符類型和圖像類型顯示，由通訊接口和PLC的外設(shè)接口進行通訊。主要功能是空調(diào)機組的運行工況的控制，運行工況參數(shù)的顯示，實時顯示各功能的運行狀態(tài)及故障現(xiàn)象。

5.3運作模式

（1）通風狀態(tài)：兩個機組的送風機全部運行，而且新風閥、回風閥全部打開。

（2）弱冷狀態(tài)：兩個機組的送風機全部運行，冷凝風機也全部運行，每個機組的壓縮機只有累計運行時間少的壓縮機運行，即一半的壓縮機啟動。

（3）強冷狀態(tài)：兩個機組的送風機全部運行，冷凝風機全部運行，每個機組壓縮機全部運行，即所有的壓縮機啟動。

（4）自動狀態(tài)：列控（網(wǎng)絡(luò)）給定自動冷溫度T值及指令，當室溫t0≥T+3.5 oC，雙機制冷：送風機運行→延時5秒→冷凝風機運行→延時30秒→累計運行時間少的壓縮機運行→延時5秒→另一臺壓縮機運行→降溫至室溫t0≤T +2oC→運作時間多的壓縮機先停機→當室溫t0≤T oC時→延時3秒→另一臺壓縮機停機→延時30秒→冷凝風機停機→送風機繼續(xù)運行→如果需要停送風機延時5S→可以停送風機。

（5）停機狀態(tài)：所有的通風機、冷凝風機、壓縮機均停止運行。

以上幾種運作模式可以通過單節(jié)車的顯示操作屏來控制單節(jié)車機組的運行，也可以通過司機室的觸摸顯示屏選擇運作模式，其指令通過列車的中央控制單元、終端控制端元、總線、空調(diào)網(wǎng)關(guān)傳送給每節(jié)車空調(diào)控制柜內(nèi)的PLC主機單元，從而實現(xiàn)對整列車的空調(diào)機組進行集中控制。

6.結(jié)束語

總之，西安地鐵二號線車輛空調(diào)系統(tǒng)整體性能不錯。但也存在一些不足，還需從以下幾個方面加強：

（1）空調(diào)機組的外蓋板材質(zhì)太薄，在實際運營過程中蓋板極易變形給檢修工作帶來不便，建議空調(diào)機組外蓋板應(yīng)該采用2.5-3mm的不銹鋼蓋板較為合理。

（2）空調(diào)機組的排水槽里面容易形成積水，建議將排水槽槽底設(shè)計成帶斜度的，可將積水排干凈。

（3）客室內(nèi)溫度不均勻，建議廠家在設(shè)計風道時嚴格控制主風道內(nèi)最大風速不高于8 m/s ，而且在充分考慮風道阻力及噪聲的前提下，應(yīng)該將主風道送風條縫和靜壓風道送風條縫的寬度尺寸設(shè)計成越小越好。

（4）空調(diào)噪音偏大，降低了乘客乘坐的舒適性，建議空調(diào)通風機和風道內(nèi)選用低噪聲和多葉片的離心風機和消聲風道，冷凝風機選用低噪聲、低轉(zhuǎn)速、大流量的軸流風機，而且要嚴格控制空調(diào)機組各設(shè)備的安裝工藝，盡可能降低噪聲。

參考文獻

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。