城市軌道車輛空調(diào)回風(fēng)方案對比研究

陶泓澈，趙楊坤，許 鵬

(1.廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 510010；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

近年來乘客對城市軌道交通車輛內(nèi)部舒適度的要求越來越高，對空調(diào)的溫度調(diào)節(jié)需求也各不相同。因此應(yīng)合理布置車輛空調(diào)的送風(fēng)口和回風(fēng)口,使空調(diào)機組外的空氣通過送風(fēng)口送入空調(diào)區(qū)域后,在與空調(diào)內(nèi)空氣混合、擴散或者進行置換的熱濕交換過程中,均勻地消除空調(diào)區(qū)內(nèi)的余熱和余濕,從而使車廂內(nèi)形成比較均勻的溫濕度和穩(wěn)定氣流組織,以滿足人體舒適度的要求[1-6]。

城市軌道車輛主流的氣流組織方式有上送上回和上送下回，上送上回的方式在車內(nèi)人員較多的情況下易發(fā)生回風(fēng)短路。上送下回即通過車輛客室頂部送風(fēng)，座椅下部回風(fēng)，也稱做大循環(huán)的方式。袁浩智等[7]對車輛上送下回方式通過側(cè)墻回風(fēng)的可行性進行了研究，結(jié)果表明采用側(cè)墻回風(fēng)，有利于提升乘坐舒適性。劉晶等[8]對地鐵車輛室內(nèi)氣流組織影響因素進行了分析，上送下回的通風(fēng)方式可改善送風(fēng)短路。孫麗花[9]對上送上回通風(fēng)方式空載和載人2種工況進行了對比，載人時送風(fēng)短路明顯。王彥魯?shù)萚10]對空調(diào)系統(tǒng)能耗影響因素進行了研究，結(jié)果表明載客量和新風(fēng)量對空調(diào)能耗影響較大。

目前對于城市軌道車輛上送下回氣流組織方式是否采用專用風(fēng)道缺少研究，因此本文通過風(fēng)道模擬試驗及理論分析，對比上送下回的送回風(fēng)方式在車輛側(cè)墻設(shè)置專用回風(fēng)道和不設(shè)置專用回風(fēng)道2種方案對整車回風(fēng)量的影響，同時分析了同等送風(fēng)量時對空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響。

1 不同回風(fēng)方式

1.1 氣流組織

客室空調(diào)上送下回的送回風(fēng)方式是在車輛頂板設(shè)置送風(fēng)口，在座椅下設(shè)置回風(fēng)口?？褪覂?nèi)送風(fēng)通過車頂送風(fēng)格柵均勻送出，氣流向下經(jīng)座椅下回風(fēng)口回到空調(diào)機組內(nèi)，多余的回風(fēng)通過廢排裝置排出?？褪覂?nèi)回風(fēng)道的布置直接影響到車內(nèi)氣流的流向和流速等，在送風(fēng)風(fēng)道相同的條件下，設(shè)置專用回風(fēng)道和不設(shè)置專用回風(fēng)道車內(nèi)氣流組織流向見圖1。圖1(a)中回風(fēng)經(jīng)過側(cè)墻專用回風(fēng)道進入空調(diào)機組，圖1(b)中回風(fēng)經(jīng)側(cè)墻自由空間進入空調(diào)機組。

圖1 車內(nèi)氣流組織流向示意圖

1.2 設(shè)置專用回風(fēng)道

此種方式是在車上布置主風(fēng)道和支風(fēng)道，主風(fēng)道上部與空調(diào)機組相連，設(shè)置送風(fēng)口和回風(fēng)口，風(fēng)道下部送風(fēng)口與客室送風(fēng)格柵相連。支風(fēng)道上部連接主風(fēng)道回風(fēng)腔，下部延伸至座椅下方的回風(fēng)口。支風(fēng)道利用車輛側(cè)墻空間進行布置，車輛主風(fēng)道和支風(fēng)道的布置詳見圖2。

圖2 設(shè)置專用回風(fēng)道的風(fēng)道模型

1.3 不設(shè)置專用回風(fēng)道

不設(shè)置專用回風(fēng)道是在座椅下方開回風(fēng)口并安裝回風(fēng)濾網(wǎng)，并對車頂?shù)母駯?、燈帶、?cè)頂板等部件接縫進行適當(dāng)密封，使回風(fēng)從座椅下方進入側(cè)墻板與車體之間的空腔后進入空調(diào)機組回風(fēng)口。廢排風(fēng)道的排風(fēng)路徑與回風(fēng)相似，通過廢排裝置排出車外。每輛車風(fēng)道布置只有主風(fēng)道，主風(fēng)道上部與空調(diào)機組相連，上部設(shè)置送風(fēng)口和回風(fēng)口，風(fēng)道下部送風(fēng)口與客室送風(fēng)格柵相連，不設(shè)置專用回風(fēng)道的風(fēng)道布置詳見圖3。

圖3 不設(shè)置專用回風(fēng)道的風(fēng)道模型

2 回風(fēng)量估算

由上分析可知，設(shè)置專用回風(fēng)道需利用車輛客室內(nèi)車窗和車門之間的有限空間，除去多媒體屏和廣告框等占用區(qū)域，可以利用布置回風(fēng)道的地方很小。以國內(nèi)普通B型地鐵車輛為例，估算2種回風(fēng)方式的風(fēng)量差異，風(fēng)量估算公式如下：

Q=3 600vA

(1)

式中：Q——風(fēng)量，m3/h；

v——風(fēng)速，m/s；

A——回風(fēng)面積，m2。

根據(jù)B型地鐵車輛中間車車門和車窗的布置情況(圖4)，不設(shè)置專用回風(fēng)道時可用通風(fēng)區(qū)域兩側(cè)共16段，車輛端部截面積約750 mm×40 mm,中部截面積約500 mm×40 mm，1輛車回風(fēng)面積A1為0.36 m2。若設(shè)置專用回風(fēng)道，考慮風(fēng)道變形和安裝，每個區(qū)域布置2～3個回風(fēng)道，每個回風(fēng)道厚度約5 mm，截面積約240 mm×30 mm,1輛車回風(fēng)面積A2為0.26 m2。由計算可知，僅考慮回風(fēng)面積的影響，2種方式風(fēng)量差異為Q2=0.72Q1。

圖4 B型地鐵車輛回風(fēng)道布置示意圖

3 模擬試驗及對比分析

為評估回風(fēng)效果，對不同回風(fēng)形式進行了模擬試驗，以便對比回風(fēng)道設(shè)置方式對回風(fēng)能力的影響。試驗時利用地面電源給1個空調(diào)機組提供三相交流380 V電源，使空調(diào)機組在正常通風(fēng)模式下運行。待空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，采用風(fēng)速儀對空調(diào)機組新風(fēng)口和回風(fēng)口進行風(fēng)量測量，通過各點測得的風(fēng)量來計算1個空調(diào)機組的總送風(fēng)量。

3.1 不設(shè)置專用回風(fēng)道的風(fēng)量測試數(shù)據(jù)

表1為不設(shè)置專用回風(fēng)道的風(fēng)量測試數(shù)據(jù)，單個空調(diào)機組總送風(fēng)量等于新風(fēng)量和回風(fēng)量之和，通過測試，約為4 904 m3/h。

表1 不設(shè)置專用回風(fēng)道的風(fēng)量測試數(shù)據(jù)

3.2 設(shè)置專用回風(fēng)道的風(fēng)量測試數(shù)據(jù)

為進行設(shè)置專用回風(fēng)道的風(fēng)量測試，在試驗室參照圖2對風(fēng)道進行改造。在風(fēng)道內(nèi)部增加回風(fēng)腔，側(cè)面增加回風(fēng)道，兩側(cè)設(shè)置支風(fēng)道，支風(fēng)道用于回風(fēng)，模擬座椅下部回風(fēng)口高度為實際回風(fēng)道的高度。試驗結(jié)果見表2，單個空調(diào)機組總送風(fēng)量大約為3 890 m3/h。

表2 設(shè)置專用回風(fēng)道的風(fēng)量測試數(shù)據(jù)

3.3 對比分析

根據(jù)上述2種試驗結(jié)果分析，在模擬設(shè)置專用回風(fēng)道進行回風(fēng)時，回風(fēng)量較小。設(shè)專用回風(fēng)道較不設(shè)專用回風(fēng)道的回風(fēng)方案，總風(fēng)量減少1 014 m3/h，與理論估算基本一致，無法滿足一般城市軌道車輛總風(fēng)量的設(shè)計要求。而實際車輛生產(chǎn)制造中，在側(cè)頂板、側(cè)墻板、門立柱等接縫處均會存在一定縫隙，不設(shè)置專用風(fēng)道時部分回風(fēng)會通過這些縫隙進入側(cè)頂回風(fēng)區(qū)域，空調(diào)回風(fēng)量會進一步增大。

4 能耗影響分析

地鐵車輛運行時外部環(huán)境溫濕度、車內(nèi)載客量、空調(diào)新風(fēng)量等對空調(diào)系統(tǒng)能耗影響較大[10-11]。車輛空調(diào)機組新風(fēng)口和回風(fēng)口設(shè)置了調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)閥，在正常工作時，空調(diào)機組新風(fēng)閥能根據(jù)載客量調(diào)節(jié)進入客室的新風(fēng)量；在緊急通風(fēng)時，新風(fēng)閥全開，回風(fēng)閥關(guān)閉，保證進入客室內(nèi)的空氣為全新風(fēng)。隨著載客量的增加，空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量輸出也隨之增大，新風(fēng)量增大時，空調(diào)系統(tǒng)能耗增大。

由上文分析可知，設(shè)置專用回風(fēng)道時，回風(fēng)量減少明顯，若要保證車內(nèi)總送風(fēng)量不變的情況下，需加大新風(fēng)量，此時空調(diào)的能耗也會相應(yīng)增加。另外，采用專用回風(fēng)道時，由于風(fēng)道截面積的減小，回風(fēng)阻力相應(yīng)增大，相應(yīng)能耗也會增大。因此不設(shè)置專用回風(fēng)道時回風(fēng)截面積較大，且可通過內(nèi)裝墻板縫隙等地方補充回風(fēng)量，空調(diào)能耗相對設(shè)置專用回風(fēng)道時要小。

5 總結(jié)

城市軌道車輛設(shè)置專用回風(fēng)道的模擬試驗中，回風(fēng)道的設(shè)置只考慮了空調(diào)系統(tǒng)需求，實際車輛回風(fēng)道布置受車內(nèi)走線、墻板加強筋、門窗安裝結(jié)構(gòu)等的限制，因此風(fēng)道截面積、風(fēng)道布置路徑及布置數(shù)量會受到影響以至回風(fēng)量減小。此外，若采用單獨回風(fēng)道，乘客較多時，座椅下有放置行李物品的可能，回風(fēng)量有進一步減少的風(fēng)險，因此地鐵車輛在側(cè)墻空間有限的情況下不建議設(shè)置專用回風(fēng)道。

車輛不設(shè)置專用回風(fēng)道時，回風(fēng)通路截面積較大，且除了通過座椅下的回風(fēng)口回風(fēng)，在乘客較多或者座椅下行李物品堵塞的情況下，還可以通過車內(nèi)墻板縫隙通路進行補充。另外不設(shè)置專用回風(fēng)道的方案在空調(diào)系統(tǒng)能耗控制上也具有一定優(yōu)勢，此方案可作為城市軌道車輛回風(fēng)設(shè)計的推薦方案之一。