軌道客車空調系統新風量分析

蒲 棟 高 菲

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

軌道客車一般根據運輸距離與旅客乘坐時間分為長途列車和短途列車。長途列車站間距長，車內換氣只依靠空調系統的新風和廢排來實現，相關標準對新風量的要求較高；短途列車站間距較短，中途到站開關車門次數較多，開關門也能起到一定的換氣作用，相關標準對新風量的要求相對較低。

目前，旅客舒適度指標得到廣泛關注，為了提高旅客乘坐的舒適度，短途列車的新風量是否應與長途列車相同，這對新風量的標準制定、空調裝置的設計和制造等至關重要。因為短途列車一般是城市軌道交通及市域軌道交通，其特點是載客量大，一般情況下載客量是長途列車的1.5倍以上，如果考慮上下班及旅游高峰期，其乘客量是長途列車的2倍以上。如果短途列車人均新風量要求與長途列車的要求一樣，空調新風量需求將大大增加，空調機組的制冷(熱)量都需相應增加，同時空調裝置的耗電量也會增加，這給軌道線路電力配置帶來新的問題。因此，研究軌道客車空調新風量具有現實意義。

1 軌道客車空調系統新風量

1. 1 國內外有關新風量的標準

目前，對于軌道客車空調系統新風量，國內外均有相應的標準要求[1-9]，各標準對新風量的規定見表1。文獻[9]規定，在未規定正常載客數量情況下，應視A類車和B類車中的座位為滿席，所有站立區按2人/m2計算(對A類車、B類車的有關規定見表2)。

1. 2 標準中新風量的分析

1. 2. 1 長途軌道客車規定

由表1可見，長途軌道客車夏季最大新風量為25 m3/(h·人)，最小新風量為10 m3/(h·人)，且新風量可根據外溫變化進行調節；冬季最大新風量為20 m3/(h·人)，最小新風量為10 m3/(h·人)，新風量可根據外溫變化進行調節。長途軌道客車運行時間長，站間距長，到站停車時間短，車內換氣完全依靠空調新風完成，因此需要較大的新風量來滿足旅客舒適度要求。盡管如此，最小新風量也僅為10 m3/(h·人)。

1. 2. 2 地鐵和市郊軌道客車規定

由表1可見，地鐵和市郊軌道客車夏季最大新風量≥15 m3/(h·人)，最小新風量8 m3/(h·人)。未規定新風量可根據外溫變化進行調節，也未規定冬季的新風量。地鐵和市郊軌道客車運行時間短、站間距短、開關門頻繁，車內換氣除了靠空調新風，開關車門也能起到一定的換氣作用，因此較小的新風量同樣可以滿足旅客舒適度要求。

表1 有關標準中軌道客車空調系統新風量的規定

表2 軌道客車分類

1. 2. 3 新風量設計時的考慮

無論是長途軌道客車還是地鐵和市郊軌道客車，對新風量都有一個最小和最大要求。從旅客舒適度方面考慮，新風量越大，車內換氣越多，車內CO2含量越低，旅客就越舒適。但是，增大新風量，會帶來車內熱負荷增加、空調機組的制冷量和耗電量增加、供電電網的負荷增加，以及能源消耗增加等一系列問題。建議空調系統新風量，可以按照客車的最大新風量要求設計。在實際運用時，應按照車外溫度的變化對新風量進行調節，做到既滿足旅客舒適度的要求，又滿足供電電網對客車空調系統用電負荷的要求。

2 從衛生角度對新風量的分析

2. 1 車內CO2含量允許值和新風量

2. 1. 1 車內CO2含量允許值

向車內送入新風，排出廢氣，目的是使車廂內的空氣清新。衡量車廂內空氣清新程度的主要指標是CO2的體積分數。CO2的體積分數升高后，不會造成旅客中毒，也不會危及旅客的生命。但是，為了使旅客旅途愉快，應該向車廂內送入一定量的新風，使車廂內的空氣清新及旅客旅行舒適。

新風量的大小與以下因素有關：①車內CO2的體積分數；②人體的CO2排出量；③新風對預熱功率的需求，該因素用來保證車輛采暖時供熱設備正常工作、車輛供電滿足使用要求。新風量的大小主要取決于車內CO2的體積分數。現有國內的相關標準[1-2]規定見表3。

表3 軌道客車內CO2允許體積分數的標準規定

2. 1. 2 滿足車內CO2允許體積分數的新風量

根據人體生理測試數據，人體CO2排出量見表4。

旅客乘車一般處于“輕度活動” 狀態，CO2排出量可取0.022 m3/(h·人)。以25T型座車為例計算，1節車廂容積約為155 m3，設車廂定員118人，大氣環境中空氣的CO2體積分數為0.03%，在車門關閉的運行狀態下，車內每小時CO2可能達到的體積分數為1.705%。如使車內CO2體積分數維持在0.15%，需要加入的新風量為17.02 m3/(h·人)。

表4 人體CO2排出量

文獻[10]規定呼吸區最小通風率，按照禮堂(滿座)的規定為4 L/(s·人)，計算最小通風量為14.4 m3/(h·人)。由于軌道客車空調送風是將部分新風(約占1/3)和部分回風(約占2/3)混合后送入車廂內，因此按照文獻[10]的建議，計算的新風量應除以通風率系數(取0.8)，從而得到人均新風量為18.0 m3/(h·人)，與前面依據CO2體積分數維持在0.15%計算得到的人均新風量17.02 m3/h相當。

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

2. 2 旅客乘坐時間長短的影響

城市和市郊軌道車輛空調的標準規定，旅客行程時間應不超過1 h；而超過1 h時，需要采用干線鐵路車輛用空調標準[9]。

文獻[9]對客車運行時間的劃分，考慮了旅客乘車的舒適性。對于短途旅客而言，因為乘車時間和站間距均較短，且到站開關車門時車內外空氣進行交換，不存在新風不夠而缺氧的問題，旅客乘車舒適性也不會受到太大的影響。而長途旅客乘車時間和站間距均較長，到站開關車門時間有限，基本上靠空調系統通風解決新風換氣問題，因此長途旅客列車空調的新風量應滿足旅客呼吸換氣的要求。

我國軌道車輛空調亦應按照旅客行程時間的平均值是否超過1 h來區分。行程時間超過1 h可認為是長途旅行，新風量可按照文獻[1-3]執行;如果行程時間不超過1 h可認為是短途旅行，新風量按照文獻[6]執行。

3 列車供電能力的影響

軌道列車的主要用電設備包括牽引、制動、控制、空調、照明、電開水爐和通信信號等，其中牽引用電是主要用電部分，其他設備用電稱為輔助用電。據有關運用部門統計，輔助用電約占列車全部用電的30%，而空調系統用電占輔助用電的80%以上，即空調能耗占列車總能耗的24%以上。

在空調機組熱負荷計算中，當設計工況外溫為35 ℃、相對濕度為60%時，人均新風量按照15 m3/h計算，新風負荷占全車熱負荷的33%；如果將新風量提高到20 m3/(h·人)，新風熱負荷將增加11%，空調機組用電量約增加5%，列車總耗電將增加1.2%。

對于在干線鐵路運輸的長途旅客列車而言，電網供電分區進行。在一個供電區內一般只有一列列車運行，因此當人均新風量增加到20 m3/(h·人)時，列車耗電增加1.2%，不會對線路供電電網產生太大影響。如果是內燃機車供電，耗電增加對內燃機車仍然存在一定影響。

對于地鐵和市郊軌道客車而言，如果一條線路長30 km，設列車全程運行時間為30 min，早晚高峰發車間隔2 min，這樣線路上將同時有15列列車運行，如果每列列車總耗電增加1.2%，線路負荷將增加18%，對電網供電的穩定性會產生較大影響。因此，增加新風量不單純是空調系統的問題，對列車和線路電網供電都會產生影響，故在線路設計時就應預留有充分的供電余量，否則在既有線上很難對其實現改造。

4 現有軌道客車空調新風量

4. 1 長途軌道客車

長途軌道客車一般不考慮超員的情況，如25T型硬座車設計座席118個，配備2臺KLD29型空調機組，每臺空調機組的總送風量為4 500 m3/h，其中新風量為1 500 m3/h，每輛車可送入新風3 000 m3/h，如果按照定員118人計算，人均新風量為25.4 m3/h；如果客車出現10%的超員，達到130人，人均新風量仍有23.1 m3/h，滿足文獻[1-3]的要求。

4. 2 地鐵和市郊軌道客車

在計算地鐵和市郊軌道客車正常載客時，文獻[9]規定座席為滿員，所有站立區按2人/m2計算，得出正常載客量(PC1)。比如某城市地鐵客車的車內長度為18.8 m,車內寬度為2.46 m，其中座席數44個，站立面積為35.7 m2,如果按照2人/m2計算，站立人數為71人，加上座席人數共115人，因此PC1為115人。

考慮僅通風時的最大新風量應以此人數乘以文獻[6]規定人均新風量不少于20 m3/h，即全車新風量應不少于2 300 m3/h。如果該車站立人數按照4人/m2計算，站立人數為143人，加上座席人數共187人，此時得到滿員載客量(PC2)。如果按照文獻[7]規定人均新風量不少于12.6 m3/h計算，新風量應不少于2 356 m3/h。

如果該車站立人數按照6人/m2計算，站立人數為214人，加上座席人數共258人，此時得到超員載客量(PC3)。如果按照文獻[6]規定人均新風量不少于10 m3/h計算，新風量應不少于2 580 m3/h時。當該車空調系統設計新風量不少于2 580 m3/h，可以滿足PC1、PC2和PC3的要求，同時也滿足文獻[1,7,9]的要求。

5 結語

通過對標準規定的軌道客車空調系統新風量以及從衛生角度對軌道客車空調新風量進行分析，并對現有軌道客車空調系統設計新風量進行計算對比，認為我國現有標準規定基本上是合理的，但是要區分長途和短途運輸的差異。

在進行軌道客車空調系統新風量設計時，首先應考慮滿足旅客呼吸和舒適度的基本需要，即保證車內CO2體積分數≤0.15%的要求，同時應滿足無制冷純通風時人均新風量20 m3/h的要求。

對于長途軌道客車可按定員人均新風量不少于20 m3/h設計，具體運用時可根據外溫進行適當調節，既要保證旅客乘坐舒適度，又要考慮電網供電、空調制冷和制熱能力及節能的需要。

對于地鐵和市郊軌道客車，需考慮PC1、PC2和PC3的要求，通過計算取以上3種情況的最大新風量進行空調系統設計。對于A類車[9]，正常情況下人均新風量應不少于15 m3/h，有制冷或制熱需求時新風量可降低為不少于10 m3/h；對于B類車[9]，正常情況下人均新風量應不少于12 m3/h，有制冷或制熱需求時新風量可降低為不少于8 m3/h。新風量設計時還需注意地鐵和市郊軌道客車運輸高峰期載客量可能處于PC3狀態，低峰時載客量可能達不到PC1狀態。因此，為了節約能源，地鐵和市郊軌道客車空調系統可考慮根據實際載客量對新風量進行調節。

軌道客車空調新風量既與旅客乘車舒適度有關，又與電網供電能力、節能等因素有關，在軌道客車空調新風量設計時應充分考慮這些因素。