城鐵車輛復(fù)合出風(fēng)技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)探究

肖占

（上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司，上海 200245）

對于多數(shù)城鐵車輛，由于車輛限界小而車輛內(nèi)頂要求高，車頂單元式空調(diào)機組和送風(fēng)道的高度尺寸受限，導(dǎo)致風(fēng)道的送風(fēng)速度較高，車內(nèi)送風(fēng)格柵的出風(fēng)速度也較高，同時，地鐵車輛的乘客多數(shù)為站立位，因此，在乘客頭頂形成的“吹冷感”比較明顯，影響了乘客的乘坐舒適度，甚至引起乘客投訴。

隨著技術(shù)的發(fā)展，客室氣流舒適性要求越來越高，走在城市軌道交通行業(yè)技術(shù)前列的上海地鐵業(yè)主已經(jīng)要求新采購的車輛探索新型的客室內(nèi)送風(fēng)方式，以減緩“吹冷感”進而提高客室乘客舒適性。如近期上海地區(qū)新建設(shè)的三條全自動駕駛列車均要求開展客室復(fù)合出風(fēng)設(shè)計，即“客室空調(diào)出風(fēng)方式采用側(cè)出風(fēng)和頂部出風(fēng)的復(fù)合出風(fēng)設(shè)計”。

1 復(fù)合出風(fēng)技術(shù)理論分析

1.1 一般車輛空調(diào)送風(fēng)技術(shù)

經(jīng)過空調(diào)機組處理后的冷風(fēng)，通過送風(fēng)風(fēng)道、客室頂板兩側(cè)的格柵送入客室內(nèi)。格柵出風(fēng)直接吹在站立乘客的頭頂上，如果送風(fēng)均勻性不好，局部格柵的出風(fēng)風(fēng)速過大，將給乘客帶來過冷的吹冷感覺，即形成“吹冷感”。

1.2 三種復(fù)合出風(fēng)技術(shù)分析

（1）復(fù)合出風(fēng)技術(shù)一（圖1）。內(nèi)裝頂板采取弧線形設(shè)計，借助兩側(cè)低中間高的交錯設(shè)計，實現(xiàn)中間和兩側(cè)的送風(fēng)。因調(diào)整了送風(fēng)角度和方向，送風(fēng)氣流不直接吹向車輛縱向中線兩側(cè)的站立區(qū)乘客，減少了“吹冷感”；風(fēng)吹向兩側(cè)的玻璃，考慮到大多數(shù)回風(fēng)途徑側(cè)頂板與側(cè)墻的間隙，該方案會增加送風(fēng)短路的程度。為了提高客室氣流組織的均勻性，中頂板中部要求設(shè)置送風(fēng)，這樣的設(shè)計不美觀，且中間容易積灰不利于維護和維修。同時，風(fēng)道結(jié)構(gòu)相較于成熟平臺車型也需變化，增加中部的送風(fēng)風(fēng)道。

圖1 復(fù)合出風(fēng)技術(shù)一

（2）復(fù)合出風(fēng)技術(shù)二（圖2）。兩側(cè)的出風(fēng)形式和技術(shù)一基本相同，使冷風(fēng)吹向側(cè)墻，避免吹到中間站立乘客的頭部；同時，中間頂板設(shè)置送風(fēng)孔板，為中間站立乘客送風(fēng)，送風(fēng)孔板可以使氣流速度大大降低，有效解決格柵送風(fēng)方式中的站立乘客頭部的吹冷感，并有利于整個室內(nèi)氣流的均勻。送風(fēng)主風(fēng)道結(jié)構(gòu)同樣需要變化，須增加中部送風(fēng)的風(fēng)道，與當前常規(guī)風(fēng)道不同。因為孔板的設(shè)置勢必增加送風(fēng)裝置的阻力，一般增加10%以上，進而增加空調(diào)機組的風(fēng)機靜壓壓頭，不利于風(fēng)機的選型，勢必增加了空調(diào)機組選型及設(shè)計的難度，造成空調(diào)系統(tǒng)的初始采購、運營和維修成本增加。

圖2 復(fù)合出風(fēng)技術(shù)二

（3）復(fù)合出風(fēng)技術(shù)三（圖3）。送風(fēng)形式由中間送風(fēng)及側(cè)向送風(fēng)組成，中間送風(fēng)格柵為傳統(tǒng)方式位于中頂靠近燈具側(cè)，側(cè)送風(fēng)通過主風(fēng)道引出的支風(fēng)道，引風(fēng)至內(nèi)裝側(cè)頂板位置，再從側(cè)頂板上部的長圓孔射向客室。側(cè)向出風(fēng)分流主風(fēng)道的風(fēng)量，從而降低中間格柵出風(fēng)的風(fēng)速，減少站立區(qū)乘客頭部的“吹冷感”；同時，在門區(qū)設(shè)置側(cè)出風(fēng)，增加門區(qū)送風(fēng)量，可以有效提高人員集聚較多的門區(qū)的熱舒適性。該方案易于實現(xiàn)，對新造車輛直接增加支風(fēng)道即可，作為舊車改造也是可行性較高和成本較低的。文獻[4]通風(fēng)數(shù)值仿真方法研究過相同側(cè)出風(fēng)結(jié)構(gòu)，1.7m 處整體的熱舒適感有優(yōu)勢。

圖3 復(fù)合出風(fēng)技術(shù)三

三種復(fù)合出風(fēng)技術(shù)的優(yōu)缺點對比如表1 所示。

通過客室氣流組織、吹冷感、外觀、維護難度和成本等方面綜合分析對比，技術(shù)三在傳統(tǒng)通風(fēng)技術(shù)基礎(chǔ)上增加側(cè)向送風(fēng)，且側(cè)向出風(fēng)位置位于側(cè)頂活門上部，便于安裝維護，側(cè)送風(fēng)風(fēng)道隱藏于側(cè)頂板內(nèi)部比較美觀；中頂通風(fēng)與傳統(tǒng)通風(fēng)形式相同，平臺成熟，通過側(cè)向送風(fēng)分流后，減少了頂部格柵出風(fēng)口的風(fēng)速，達到減少乘客“吹冷感”的目的。同時，側(cè)向的射流對中間送風(fēng)進行了補充，增加了側(cè)面出風(fēng)方向有利于阻止客室中心大渦流的產(chǎn)生，提升整車送風(fēng)的均勻性。

表1 三種復(fù)合出風(fēng)技術(shù)的優(yōu)缺點對比

2 復(fù)合出風(fēng)技術(shù)設(shè)計

上海15 號線地鐵車輛基于長客股份成熟的城鐵A 型車平臺，應(yīng)用了技術(shù)三的復(fù)合出風(fēng)設(shè)計。客室風(fēng)道包括主風(fēng)道、機組下面的矮（副）風(fēng)道和側(cè)送風(fēng)的支風(fēng)道。其中主風(fēng)道和矮風(fēng)道采用12mm 厚鋁箔復(fù)合板材料，支風(fēng)道采用鋁合金管外部粘貼隔熱材的方案，風(fēng)道采用封閉式結(jié)構(gòu)。

考慮到側(cè)頂板內(nèi)部空間有限，且已經(jīng)布置了較多數(shù)量電氣設(shè)備等限制因素，支風(fēng)道采用外截面尺寸為270mm×60mm的矩形截面支風(fēng)道，頭車設(shè)置共12 根，中間車設(shè)置共13 根。

3 數(shù)值仿真與實驗分析

3.1 氣流組織的評價指標

參照相關(guān)行業(yè)規(guī)范的要求，城鐵車輛客室內(nèi)的氣流組織評價指標主要為：舒適區(qū)（距離地板布以上1.1 ～1.7m 空間）任意兩點溫度≤3℃；送風(fēng)口風(fēng)速1 ～3m/s，舒適區(qū)微風(fēng)速≥0.07m/s，夏季舒適區(qū)微風(fēng)速≤0.5m/s，地鐵車輛可以放寬至0.7m/s。

3.2 數(shù)值仿真分析

詳細圖紙設(shè)計完成后，通過CFD 仿真分析，驗證復(fù)合出風(fēng)技術(shù)的送風(fēng)效果以及對客室內(nèi)氣流組織均勻性的影響。

選擇外溫35℃（制冷額定設(shè)計工況）中間車的自動制冷工況為例進行分析。AW0 載客量工況下，從圖4 可以看出，側(cè)出風(fēng)結(jié)構(gòu)明顯分流了格柵的送風(fēng)量，降低了格柵送風(fēng)速度，進而降低了1.7m 區(qū)間即乘客頭部區(qū)間的微風(fēng)速在0.35m/s左右，避免“吹冷感”產(chǎn)生。

圖4 有無側(cè)出風(fēng)結(jié)構(gòu)部分的垂直截面速度分布

乘客頭部區(qū)間1.7m 水平截面的速度分布云圖（如圖5）顯示，送風(fēng)速度除個別部位外，絕大部分已經(jīng)降低到0.5m/s以下，表明有效緩解了“吹冷感”問題。圖中客室長度方向近1/4 位置、1/2 位置和3/4 位置客室內(nèi)氣流流速較高，是因為這些位置為遠離機組方向風(fēng)道的端部位置，靜壓較大，送風(fēng)量較大，則相應(yīng)的送風(fēng)速度也會較大一些，這些部位一般通過風(fēng)道內(nèi)增加隔板等措施來優(yōu)化。舒適區(qū)1.1m 水平截面的速度分布云圖和溫度分布云圖表明，整體氣流組織和溫度分布較為均勻。

仿真計算表示，0.1 ～1.7m 的舒適區(qū)內(nèi)，AWO 載客量工況下客室平均溫度為26.9℃≤27℃，客室水平溫差1.7℃≤3℃，客室垂直溫差0.5℃≤3℃，平均微風(fēng)速0.28m/s ≤0.5m/s，最 大 微 風(fēng) 速0.4m/s ≤0.9m/s；AW2 載 客量工況下，客室平均溫度26.9℃≤27℃，客室水平溫差7.7℃≤8℃，客室垂直溫差2.8℃≤8℃，平均微風(fēng)速0.28m/s ≤0.5m/s，最 大 微 風(fēng) 速0.4m/s ≤0.9m/s；AW3 載 客量工況下，客室平均溫度為29.9℃≤27℃，客室水平溫差為7.6℃≤8℃，客室垂直溫差為3.4℃≤8℃，平均微風(fēng)速0.21m/s ≤0.5m/s，客室最大微風(fēng)速為0.37m/s ≤0.9m/s。平均溫度、水平截面溫差、垂直截面溫差、微風(fēng)速等舒適性指標均滿足主要評價指標要求，即表明上海15 號線的側(cè)出風(fēng)結(jié)構(gòu)對客室均勻性的影響在可接受范圍內(nèi)。

3.3 氣候試驗分析

本項目于2020 年4 月下旬在長客股份客車廠的國家熱工實驗室進行了整車空調(diào)系統(tǒng)氣候試驗。本文選擇通風(fēng)性能試驗和額定制冷工況的試驗結(jié)果進行了簡要分析。

3.3.1 通風(fēng)性能試驗

正常通風(fēng)模式下，中間車的13 個側(cè)出風(fēng)口測得的送風(fēng)量如表2 所示。

表2 中間車各側(cè)出風(fēng)口測量風(fēng)量

圖5 中間車夏季AW0 載客量1.7m 水平斷面速度分布

側(cè)出風(fēng)風(fēng)量總額占比總送風(fēng)量的7%，中間車總送風(fēng)量為10045m3/h。

結(jié)果表明，本項目應(yīng)用的側(cè)出風(fēng)結(jié)構(gòu)每個出風(fēng)口的風(fēng)量在50m3/h 左右，個別出口存在偏差，布置在風(fēng)道端部的側(cè)出風(fēng)口出風(fēng)量較大一些，布置在空調(diào)機組下部矮風(fēng)道的側(cè)出風(fēng)口送風(fēng)量小一些，也反映了側(cè)出風(fēng)的風(fēng)量受到主風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式及位置的影響。

本項目測量的總送風(fēng)量相較于未設(shè)置側(cè)出風(fēng)結(jié)構(gòu)的車廂總風(fēng)量降低5%左右，說明增加側(cè)出風(fēng)結(jié)構(gòu)后，稍增加了整個送風(fēng)裝置阻力。

該通風(fēng)模式下的微風(fēng)速測得最大值0.27m/s ≤0.5m/s，微風(fēng)速滿足要求。

3.3.2 外溫35℃制冷工況試驗

額定制冷工況：外溫35℃，環(huán)境濕度70%RH，室內(nèi)目標溫度27℃，目標濕度≤65%RH 自動制冷。AWO 載客量工況下客室平均溫度為26.9℃≤27℃，客室內(nèi)溫差最大值2.7℃≤3℃，見圖6。AW2 載客量工況下客室平均溫度為26.15℃≤27℃，客室內(nèi)溫差最大值2.94℃≤3℃。復(fù)合出風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用沒有產(chǎn)生較大的溫度波動，整車溫度均勻性仍滿足設(shè)計要求。

圖6 中間車舒適區(qū)各測點溫度

4 結(jié)語

根據(jù)地鐵運營方關(guān)于城鐵車輛空調(diào)復(fù)合出風(fēng)的功能需求，本文通過三種復(fù)合出風(fēng)技術(shù)的理論分析，選定綜合最優(yōu)方案進行實車設(shè)計應(yīng)用，隨后進行CFD 仿真分析和試驗分析，得出以下結(jié)論：（1）該復(fù)合出風(fēng)技術(shù)具備在當前空間緊湊的A 型城鐵車輛應(yīng)用。（2）復(fù)合出風(fēng)技術(shù)可以有效降低頂部送風(fēng)的風(fēng)速，減緩乘客頭部的“吹冷感”，提高客室內(nèi)舒適區(qū)的氣流和溫度均勻性，減少送風(fēng)短路，提高送風(fēng)及能源利用率。（3）復(fù)合出風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用會增加送風(fēng)裝置的總體阻力，稍微降低總體送風(fēng)量。

從試驗數(shù)據(jù)可以得出，各個側(cè)出風(fēng)口送風(fēng)量存在一定程度偏差，如何提高側(cè)出風(fēng)口送風(fēng)量均勻性，將是下一步的研究方向。