軌道客車空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量分析

蒲 棟 高 菲

(1. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，266111,青島;2. 青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司，266111，青島//第一作者，工程師)

軌道客車一般根據(jù)運(yùn)輸距離與旅客乘坐時(shí)間分為長(zhǎng)途列車和短途列車。長(zhǎng)途列車站間距長(zhǎng)，車內(nèi)換氣只依靠空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)和廢排來實(shí)現(xiàn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新風(fēng)量的要求較高；短途列車站間距較短，中途到站開關(guān)車門次數(shù)較多，開關(guān)門也能起到一定的換氣作用，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新風(fēng)量的要求相對(duì)較低。

目前，旅客舒適度指標(biāo)得到廣泛關(guān)注，為了提高旅客乘坐的舒適度，短途列車的新風(fēng)量是否應(yīng)與長(zhǎng)途列車相同，這對(duì)新風(fēng)量的標(biāo)準(zhǔn)制定、空調(diào)裝置的設(shè)計(jì)和制造等至關(guān)重要。因?yàn)槎掏玖熊囈话闶浅鞘熊壍澜煌笆杏蜍壍澜煌?，其特點(diǎn)是載客量大，一般情況下載客量是長(zhǎng)途列車的1.5倍以上，如果考慮上下班及旅游高峰期，其乘客量是長(zhǎng)途列車的2倍以上。如果短途列車人均新風(fēng)量要求與長(zhǎng)途列車的要求一樣，空調(diào)新風(fēng)量需求將大大增加，空調(diào)機(jī)組的制冷(熱)量都需相應(yīng)增加，同時(shí)空調(diào)裝置的耗電量也會(huì)增加，這給軌道線路電力配置帶來新的問題。因此，研究軌道客車空調(diào)新風(fēng)量具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 軌道客車空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量

1. 1 國(guó)內(nèi)外有關(guān)新風(fēng)量的標(biāo)準(zhǔn)

目前，對(duì)于軌道客車空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量，國(guó)內(nèi)外均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求[1-9]，各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新風(fēng)量的規(guī)定見表1。文獻(xiàn)[9]規(guī)定，在未規(guī)定正常載客數(shù)量情況下，應(yīng)視A類車和B類車中的座位為滿席，所有站立區(qū)按2人/m2計(jì)算(對(duì)A類車、B類車的有關(guān)規(guī)定見表2)。

1. 2 標(biāo)準(zhǔn)中新風(fēng)量的分析

1. 2. 1 長(zhǎng)途軌道客車規(guī)定

由表1可見，長(zhǎng)途軌道客車夏季最大新風(fēng)量為25 m3/(h·人)，最小新風(fēng)量為10 m3/(h·人)，且新風(fēng)量可根據(jù)外溫變化進(jìn)行調(diào)節(jié)；冬季最大新風(fēng)量為20 m3/(h·人)，最小新風(fēng)量為10 m3/(h·人)，新風(fēng)量可根據(jù)外溫變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。長(zhǎng)途軌道客車運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，站間距長(zhǎng)，到站停車時(shí)間短，車內(nèi)換氣完全依靠空調(diào)新風(fēng)完成，因此需要較大的新風(fēng)量來滿足旅客舒適度要求。盡管如此，最小新風(fēng)量也僅為10 m3/(h·人)。

1. 2. 2 地鐵和市郊軌道客車規(guī)定

由表1可見，地鐵和市郊軌道客車夏季最大新風(fēng)量≥15 m3/(h·人)，最小新風(fēng)量8 m3/(h·人)。未規(guī)定新風(fēng)量可根據(jù)外溫變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，也未規(guī)定冬季的新風(fēng)量。地鐵和市郊軌道客車運(yùn)行時(shí)間短、站間距短、開關(guān)門頻繁，車內(nèi)換氣除了靠空調(diào)新風(fēng)，開關(guān)車門也能起到一定的換氣作用，因此較小的新風(fēng)量同樣可以滿足旅客舒適度要求。

表1 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中軌道客車空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量的規(guī)定

表2 軌道客車分類

1. 2. 3 新風(fēng)量設(shè)計(jì)時(shí)的考慮

無論是長(zhǎng)途軌道客車還是地鐵和市郊軌道客車，對(duì)新風(fēng)量都有一個(gè)最小和最大要求。從旅客舒適度方面考慮，新風(fēng)量越大，車內(nèi)換氣越多，車內(nèi)CO2含量越低，旅客就越舒適。但是，增大新風(fēng)量，會(huì)帶來車內(nèi)熱負(fù)荷增加、空調(diào)機(jī)組的制冷量和耗電量增加、供電電網(wǎng)的負(fù)荷增加，以及能源消耗增加等一系列問題。建議空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量，可以按照客車的最大新風(fēng)量要求設(shè)計(jì)。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，應(yīng)按照車外溫度的變化對(duì)新風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，做到既滿足旅客舒適度的要求，又滿足供電電網(wǎng)對(duì)客車空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷的要求。

2 從衛(wèi)生角度對(duì)新風(fēng)量的分析

2. 1 車內(nèi)CO2含量允許值和新風(fēng)量

2. 1. 1 車內(nèi)CO2含量允許值

向車內(nèi)送入新風(fēng)，排出廢氣，目的是使車廂內(nèi)的空氣清新。衡量車廂內(nèi)空氣清新程度的主要指標(biāo)是CO2的體積分?jǐn)?shù)。CO2的體積分?jǐn)?shù)升高后，不會(huì)造成旅客中毒，也不會(huì)危及旅客的生命。但是，為了使旅客旅途愉快，應(yīng)該向車廂內(nèi)送入一定量的新風(fēng)，使車廂內(nèi)的空氣清新及旅客旅行舒適。

新風(fēng)量的大小與以下因素有關(guān)：①車內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)；②人體的CO2排出量；③新風(fēng)對(duì)預(yù)熱功率的需求，該因素用來保證車輛采暖時(shí)供熱設(shè)備正常工作、車輛供電滿足使用要求。新風(fēng)量的大小主要取決于車內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)?，F(xiàn)有國(guó)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]規(guī)定見表3。

表3 軌道客車內(nèi)CO2允許體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

2. 1. 2 滿足車內(nèi)CO2允許體積分?jǐn)?shù)的新風(fēng)量

根據(jù)人體生理測(cè)試數(shù)據(jù)，人體CO2排出量見表4。

旅客乘車一般處于“輕度活動(dòng)” 狀態(tài)，CO2排出量可取0.022 m3/(h·人)。以25T型座車為例計(jì)算，1節(jié)車廂容積約為155 m3，設(shè)車廂定員118人，大氣環(huán)境中空氣的CO2體積分?jǐn)?shù)為0.03%，在車門關(guān)閉的運(yùn)行狀態(tài)下，車內(nèi)每小時(shí)CO2可能達(dá)到的體積分?jǐn)?shù)為1.705%。如使車內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)維持在0.15%，需要加入的新風(fēng)量為17.02 m3/(h·人)。

表4 人體CO2排出量

文獻(xiàn)[10]規(guī)定呼吸區(qū)最小通風(fēng)率，按照禮堂(滿座)的規(guī)定為4 L/(s·人)，計(jì)算最小通風(fēng)量為14.4 m3/(h·人)。由于軌道客車空調(diào)送風(fēng)是將部分新風(fēng)(約占1/3)和部分回風(fēng)(約占2/3)混合后送入車廂內(nèi)，因此按照文獻(xiàn)[10]的建議，計(jì)算的新風(fēng)量應(yīng)除以通風(fēng)率系數(shù)(取0.8)，從而得到人均新風(fēng)量為18.0 m3/(h·人)，與前面依據(jù)CO2體積分?jǐn)?shù)維持在0.15%計(jì)算得到的人均新風(fēng)量17.02 m3/h相當(dāng)。

對(duì)照表1中文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]對(duì)新風(fēng)量的規(guī)定可以看到，大部分時(shí)間要求的新風(fēng)量分別為15 m3/(h·人)和20 m3/(h·人)，只有在外溫分別處于-15 ℃和-20 ℃以下時(shí)，新風(fēng)量為10 m3/(h·人)，即文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]所規(guī)定的新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)基本上是一致的，但比文獻(xiàn)[1]要求低。

2. 2 旅客乘坐時(shí)間長(zhǎng)短的影響

城市和市郊軌道車輛空調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，旅客行程時(shí)間應(yīng)不超過1 h；而超過1 h時(shí)，需要采用干線鐵路車輛用空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)[9]。

文獻(xiàn)[9]對(duì)客車運(yùn)行時(shí)間的劃分，考慮了旅客乘車的舒適性。對(duì)于短途旅客而言，因?yàn)槌塑嚂r(shí)間和站間距均較短，且到站開關(guān)車門時(shí)車內(nèi)外空氣進(jìn)行交換，不存在新風(fēng)不夠而缺氧的問題，旅客乘車舒適性也不會(huì)受到太大的影響。而長(zhǎng)途旅客乘車時(shí)間和站間距均較長(zhǎng)，到站開關(guān)車門時(shí)間有限，基本上靠空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)解決新風(fēng)換氣問題，因此長(zhǎng)途旅客列車空調(diào)的新風(fēng)量應(yīng)滿足旅客呼吸換氣的要求。

我國(guó)軌道車輛空調(diào)亦應(yīng)按照旅客行程時(shí)間的平均值是否超過1 h來區(qū)分。行程時(shí)間超過1 h可認(rèn)為是長(zhǎng)途旅行，新風(fēng)量可按照文獻(xiàn)[1-3]執(zhí)行;如果行程時(shí)間不超過1 h可認(rèn)為是短途旅行，新風(fēng)量按照文獻(xiàn)[6]執(zhí)行。

3 列車供電能力的影響

軌道列車的主要用電設(shè)備包括牽引、制動(dòng)、控制、空調(diào)、照明、電開水爐和通信信號(hào)等，其中牽引用電是主要用電部分，其他設(shè)備用電稱為輔助用電。據(jù)有關(guān)運(yùn)用部門統(tǒng)計(jì)，輔助用電約占列車全部用電的30%，而空調(diào)系統(tǒng)用電占輔助用電的80%以上，即空調(diào)能耗占列車總能耗的24%以上。

在空調(diào)機(jī)組熱負(fù)荷計(jì)算中，當(dāng)設(shè)計(jì)工況外溫為35 ℃、相對(duì)濕度為60%時(shí)，人均新風(fēng)量按照15 m3/h計(jì)算，新風(fēng)負(fù)荷占全車熱負(fù)荷的33%；如果將新風(fēng)量提高到20 m3/(h·人)，新風(fēng)熱負(fù)荷將增加11%，空調(diào)機(jī)組用電量約增加5%，列車總耗電將增加1.2%。

對(duì)于在干線鐵路運(yùn)輸?shù)拈L(zhǎng)途旅客列車而言，電網(wǎng)供電分區(qū)進(jìn)行。在一個(gè)供電區(qū)內(nèi)一般只有一列列車運(yùn)行，因此當(dāng)人均新風(fēng)量增加到20 m3/(h·人)時(shí)，列車耗電增加1.2%，不會(huì)對(duì)線路供電電網(wǎng)產(chǎn)生太大影響。如果是內(nèi)燃機(jī)車供電，耗電增加對(duì)內(nèi)燃機(jī)車仍然存在一定影響。

對(duì)于地鐵和市郊軌道客車而言，如果一條線路長(zhǎng)30 km，設(shè)列車全程運(yùn)行時(shí)間為30 min，早晚高峰發(fā)車間隔2 min，這樣線路上將同時(shí)有15列列車運(yùn)行，如果每列列車總耗電增加1.2%，線路負(fù)荷將增加18%，對(duì)電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生較大影響。因此，增加新風(fēng)量不單純是空調(diào)系統(tǒng)的問題，對(duì)列車和線路電網(wǎng)供電都會(huì)產(chǎn)生影響，故在線路設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)預(yù)留有充分的供電余量，否則在既有線上很難對(duì)其實(shí)現(xiàn)改造。

4 現(xiàn)有軌道客車空調(diào)新風(fēng)量

4. 1 長(zhǎng)途軌道客車

長(zhǎng)途軌道客車一般不考慮超員的情況，如25T型硬座車設(shè)計(jì)座席118個(gè)，配備2臺(tái)KLD29型空調(diào)機(jī)組，每臺(tái)空調(diào)機(jī)組的總送風(fēng)量為4 500 m3/h，其中新風(fēng)量為1 500 m3/h，每輛車可送入新風(fēng)3 000 m3/h，如果按照定員118人計(jì)算，人均新風(fēng)量為25.4 m3/h；如果客車出現(xiàn)10%的超員，達(dá)到130人，人均新風(fēng)量仍有23.1 m3/h，滿足文獻(xiàn)[1-3]的要求。

4. 2 地鐵和市郊軌道客車

在計(jì)算地鐵和市郊軌道客車正常載客時(shí)，文獻(xiàn)[9]規(guī)定座席為滿員，所有站立區(qū)按2人/m2計(jì)算，得出正常載客量(PC1)。比如某城市地鐵客車的車內(nèi)長(zhǎng)度為18.8 m,車內(nèi)寬度為2.46 m，其中座席數(shù)44個(gè)，站立面積為35.7 m2,如果按照2人/m2計(jì)算，站立人數(shù)為71人，加上座席人數(shù)共115人，因此PC1為115人。

考慮僅通風(fēng)時(shí)的最大新風(fēng)量應(yīng)以此人數(shù)乘以文獻(xiàn)[6]規(guī)定人均新風(fēng)量不少于20 m3/h，即全車新風(fēng)量應(yīng)不少于2 300 m3/h。如果該車站立人數(shù)按照4人/m2計(jì)算，站立人數(shù)為143人，加上座席人數(shù)共187人，此時(shí)得到滿員載客量(PC2)。如果按照文獻(xiàn)[7]規(guī)定人均新風(fēng)量不少于12.6 m3/h計(jì)算，新風(fēng)量應(yīng)不少于2 356 m3/h。

如果該車站立人數(shù)按照6人/m2計(jì)算，站立人數(shù)為214人，加上座席人數(shù)共258人，此時(shí)得到超員載客量(PC3)。如果按照文獻(xiàn)[6]規(guī)定人均新風(fēng)量不少于10 m3/h計(jì)算，新風(fēng)量應(yīng)不少于2 580 m3/h時(shí)。當(dāng)該車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)新風(fēng)量不少于2 580 m3/h，可以滿足PC1、PC2和PC3的要求，同時(shí)也滿足文獻(xiàn)[1,7,9]的要求。

5 結(jié)語

通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軌道客車空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量以及從衛(wèi)生角度對(duì)軌道客車空調(diào)新風(fēng)量進(jìn)行分析，并對(duì)現(xiàn)有軌道客車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)新風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，認(rèn)為我國(guó)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基本上是合理的，但是要區(qū)分長(zhǎng)途和短途運(yùn)輸?shù)牟町悺?/p>

在進(jìn)行軌道客車空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)考慮滿足旅客呼吸和舒適度的基本需要，即保證車內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)≤0.15%的要求，同時(shí)應(yīng)滿足無制冷純通風(fēng)時(shí)人均新風(fēng)量20 m3/h的要求。

對(duì)于長(zhǎng)途軌道客車可按定員人均新風(fēng)量不少于20 m3/h設(shè)計(jì)，具體運(yùn)用時(shí)可根據(jù)外溫進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，既要保證旅客乘坐舒適度，又要考慮電網(wǎng)供電、空調(diào)制冷和制熱能力及節(jié)能的需要。

對(duì)于地鐵和市郊軌道客車，需考慮PC1、PC2和PC3的要求，通過計(jì)算取以上3種情況的最大新風(fēng)量進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)于A類車[9]，正常情況下人均新風(fēng)量應(yīng)不少于15 m3/h，有制冷或制熱需求時(shí)新風(fēng)量可降低為不少于10 m3/h；對(duì)于B類車[9]，正常情況下人均新風(fēng)量應(yīng)不少于12 m3/h，有制冷或制熱需求時(shí)新風(fēng)量可降低為不少于8 m3/h。新風(fēng)量設(shè)計(jì)時(shí)還需注意地鐵和市郊軌道客車運(yùn)輸高峰期載客量可能處于PC3狀態(tài)，低峰時(shí)載客量可能達(dá)不到PC1狀態(tài)。因此，為了節(jié)約能源，地鐵和市郊軌道客車空調(diào)系統(tǒng)可考慮根據(jù)實(shí)際載客量對(duì)新風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

軌道客車空調(diào)新風(fēng)量既與旅客乘車舒適度有關(guān)，又與電網(wǎng)供電能力、節(jié)能等因素有關(guān)，在軌道客車空調(diào)新風(fēng)量設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮這些因素。