城市軌道交通列車嵌入式空調機組封閉平臺結構雨水排放問題分析

康 偉

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心,130062,長春//正高級工程師)

根據排水結構的不同，城市軌道交通列車空調機組安裝大體可分為完全頂置式結構、嵌入式開放平臺結構及嵌入式封閉平臺結構等3種型式。相應的雨水排放需求、設計方案亦有所區別，而嵌入式空調機組封閉平臺結構的雨水排放問題是其中最復雜的。

完全頂置式空調機組(北京地鐵6號線等)，因車頂低于空調機組下平面，雨水直接由車頂散排，不存在雨水排放的難題。嵌入式空調機組開放平臺結構(即空調機組平臺兩側機組安裝座槽鋼下部開有排水孔的非封閉式結構，如北京地鐵13號線等)，雨水可由兩側槽鋼下部的排水孔排出，設計施工時注意空調機組平臺的設計斜度和開孔高度，即可避免出現雨水排放不暢，因此也很少出現排水問題。而嵌入式空調機組封閉平臺結構(我國深圳地鐵、香港地鐵以及泰國地鐵等項目)，其機組平臺下部的封閉結構使所有進入空調機組平臺的雨水均需要通過排水管排至車外，因此對雨水排放結構的要求較高，是雨水排放設計的重點和難點。

由于雨水排放設計中有許多不確定因素，可借鑒的東西又少之又少，因此研究難度很大。本文主要結合流體力學、建筑物雨水排放等相關資料進行簡單分析，后續還有大量分析、測試及驗證工作。

1 嵌入式空調機組封閉平臺典型安裝結構

城市軌道交通列車嵌入式空調機組封閉平臺結構安裝于車頂端部或中部，多數為前端出風、下部或端部回風。

圖1為A型地鐵列車嵌入式空調機組封閉平臺的典型安裝結構。該結構為兩端出風、兩端回風型式，機組下部無風口及檢修口，送回風口通過防風防水密封條實現氣水密封。壓縮機的高度要求機組及平臺中部局部下沉65 mm，并將此區域作為雨水和冷凝水的排水口。因冷凝水量相對過少，可不做特殊考慮。

圖1 A型地鐵列車嵌入式空調機組封閉平臺的典型安裝結構

我國香港和巴西里約熱內盧1A線的地鐵車輛空調安裝結構如圖2所示。該結構為前出風、側回風；機組與平臺間隙較小，僅10 mm；機組下部無回風口，但有檢查門，因此對平臺排水要求最高。

圖2 我國香港和巴西里約熱內盧1A線的地鐵車輛空調安裝結構

2 嵌入式空調機組封閉平臺雨水量計算

嵌入式空調機組封閉平臺雨水量的大小是排水系統設計的主要依據。由于缺少相關經驗，為提高計算的準確性，嵌入式空調機組封閉平臺的雨水量參照建筑屋面排水系統進行理論分析。

在屋面雨水排水系統中，雨水量的大小與設計地區的暴雨強度q、匯水面積F以及由屋面坡度確定的屋面渲泄能力系數k1有關[1]。

2.1 暴雨強度

通過各種統計年鑒收集了2007—2009年我國5座主要城市的降雨量信息，如表1所示。

從表1中可以看出，各城市月降雨量數據差別較大，個別月份對全年雨量影響很大，直接做雨量計算難以取舍，因此屋面雨水排放設計中采用暴雨強度更具有實用價值。

表1 我國5座主要城市降雨量統計[2] 單位：mm

降雨強度指某一連續時段t內的平均降雨量，用i表示：

i=H/t

(1)

式中：

H——某一連續時間段內的降雨量。

工程上更關注暴雨情況下的降雨強度，即暴雨強度。暴雨強度q采用單位時間內單位面積上的降雨體積表示，即q=167i[3],q的單位為L/(s·hm2)，i的單位為mm/min。

暴雨強度隨降雨歷時而變化。在工程應用中，根據一定時期的統計數據可推導出不同地區的暴雨強度計算公式。通常歷時采用5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min等 9個時段，歷時越短，暴雨強度越大，因此取最短的歷時為最不利條件。

表2為收集到的北京、上海、杭州、廣州、武漢等城市的暴雨強度公式及計算結果。表2中，由于各地暴雨強度公式來源不一，統計年份不同，計算準確性還未可知；從資料看，暴雨強度有增大趨勢，設計中應適當考慮余量。

表2 暴雨強度公式及計算結果

TB/T 1802—1996《鐵道車輛漏雨試驗方法》規定：“淋雨試驗時采用的3 mm/min的噴水強度可以滿足大部分地區3年重現期的應用要求，而200 mm/h則可以滿足大部分地區5年重現期的應用要求。”對于國外一些城市，還需盡可能多地收集相關信息，以使暴雨強度計算更加合理，亦可采用年降雨量比對系數進行估算。部分項目所涉及城市的年降雨量數據如表3所示。

表3 部分城市年降雨量數據統計表

2.2 匯水面積

匯水面積主要考慮平臺區域的有效降雨面積，包括外露側墻垂直面上的高度等亦要適當考慮。對于城市軌道交通列車空調機組而言，如果從安裝結構上將機組平臺四周區域密封保證僅冷凝區域有雨水進入平臺，則其匯水面積可僅考慮冷凝部分，一般為機組平臺平面投影面積的1/2左右。

2.3 渲泄能力系數

渲泄能力系數需綜合考慮雨水集流速度進行計算。該系數與集水面的坡度、積水深度、排水孔位置的設置等因素有關，參照雨水排放設計原則可取1。

2.4 雨水量計算

參照屋面排水系統，機組平臺排水系統中雨水量可按下述公式[1]計算：

(2)

式中：

Qv——屋面雨水設計流量，L/s；

F——屋面設計匯水面積，m2；

q5——當地降雨歷時5 min時的暴雨強度，L/(s·hm2)；

h5——當地降雨歷時5 min時的降雨厚度，mm；

k1——設計重現期為1年時的屋面渲泄能力系數。

當h5取200 mm/h、k1取1時，機組平臺最大面積為8 m2，則Qv為0.44 L/s；如果僅冷凝區域雨水進入平臺，則Qv為0.22 L/s。

對于鋁合金車頂結構而言，由于車頂為光滑的圓弧，非平臺部位的雨水可以沿車頂圓弧排出，機組平臺接口的密封較易處理。而對于不銹鋼波紋頂板，則需要對椽頭區域進行特殊的密封處理，否則雨水大量進入平臺，將導致排水量驟增。不同車頂椽頭接口設計見圖3。

圖3 車頂椽頭防水設計接口

圖4 a)中車頂鋼結構由于機組接口處有向外的坡度且內側有擋水板，落到機組蓋板(非雨水進入區域)上的水可以由車體兩側流下。而圖4 b)中可能由于制造公差導致機組接口處有向內的坡度且無擋水板，雨水很可能由此進入平臺使得平臺內水量增加。因此，合理地設計安裝接口，盡可能避免大量雨水進入機組平臺，是城市軌道交通列車空調機組安裝設計的一個重要細節。

圖4 車頂鋼結構機組接口防水設計

3 空調機組平臺排水過程分析及管徑確定

3.1 空調機組平臺排水管流動情況分析

隨著降雨時間的推移，平臺排水管入口處的水深逐漸加大，水流狀態也在不斷變化。在初始階段，入水口大部分暴露在空氣中，雨水在管中呈附壁流或膜流，管中心空氣暢通；隨著水深和泄流量的增加，摻氣比增加，雨水主要靠重力流動，呈氣水兩相重力流。在過渡階段，平臺匯水面積增加，入口處水深增加，管內充水率增加，摻氣比下降，呈水氣兩相重力壓力流，即半壓力流。

當積水達到一定深度時，入水口完全被雨水淹沒，水管內形成滿流，可近似看作單相壓力流。形成滿流時泄流速度最快，但此時對入水口的深度也有一定的要求。而城市軌道交通列車由于行駛線路的變化，很難像屋面雨水排水系統一樣形成穩定的 3 階段變化過程，因此雨水流動情況更為復雜。

3.2 排水量計算

3.2.1 入水口處排水量[1]計算

重力流QR的計算公式為:

(3)

壓力流QP的計算公式為:

(4)

式中:

μ——進水口的流量系數，取0.45；

D——進水口的直徑，m；

h——進水口的水深，m；

Ha——進水口前水面至出口處的高度，m；

PF——排水管中的負壓，m。

由于重力流泄流量小于有壓流泄流量，而城市軌道交通列車運行過程中幾種流態不斷變化，因此按重力流(見圖5)進行計算較為安全。

圖5 重力流示意圖

D取38 mm(外徑取2 mm，壁厚取2 mm)，h取 10 mm時，通過計算得到QR為0.24 L/s。

3.2.2 排水管水量計算

重力流狀態下雨水排水立管按水膜流計算，公式如下：

(5)

式中：

QL——立管排水流量, L/s；

Kp——粗糙度，m，塑料管取15×10-6m，鑄鐵管取 25×10-6m；

α——充水率，塑料管取0.30，鑄鐵管取0.35；

d——管道的計算內徑，m。

按D=38 mm的鋁塑復合管進行計算，則QL=1.1 L/s。按D=23 mm的鋁塑復合管進行計算，則QL=0.29 L/s。

由上述分析可知，同樣管徑條件下立管中水流通過能力大于入口處水流量，進水口設計成漏斗型有利于提高入水口處的水流量，進而提高整個系統的水流通過能力。

4 列車在坡道上運行時對排水的影響及其解決方案

進水口處的水深h直接影響系統的排水能力，但列車運行中h是一個變量。因此，如何保證列車在坡道上行駛的任何情況下有足夠的水深，是其不同于屋面雨水排放系統的一個重要問題。

4.1 坡道條件

各地鐵項目的坡道長度、坡度等不盡相同。GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術條件》規定：正線運營最大坡度不大于30‰。為了探討坡度對排水的影響，初步選取長度為2 000 m、坡度為20‰的坡道作為研究對象。如果列車運行速度按30 km/h考慮，則列車在此坡道上的運行時間為4 min。為便于計算，機組平臺長度L按4 m、水量按180 mm/h 進行考慮。

4.2 列車在坡道上運行時的排水情況

圖6 a)為列車在正常運行情況下，h為10 mm時坡道的排水狀態。根據前文計算結果，可以滿足0.24 L/s的排水需求。

圖6 b)、圖6 c)均為列車在20‰的坡道上運行時的排水狀態。其中，圖6 b)為在有利于排水的方向，水深可不超過10 mm；圖6 c)的情況則較為復雜。

圖6 坡道排水狀態示意圖

圖6 c)中，由于機組排水管位置在高端，當開始有水排出時，另一端積水深度已經達到80 mm。按假定的坡道條件計算，在4 min內H0將達到 43.8 mm。這一數值已經超過機組下平面與機組平臺間的間隙，即20～30 mm(但非下回風機組由于下部不密封，一般僅為10 mm)。如果蒸發器側冷凝排水孔處理不當，就可能造成平臺積水返流進入機組。

排水管設在空調機組平臺中部的情況如圖7所示。由圖7可以看出，雖然4 min內H0仍為43.8 mm，但由于此時排水管距最低點深度為40 mm，理論上已經可以有水排出，較端部配置方案有了很大改善。

圖7 排水管設在空調機組平臺中部

4.3 列車在坡道上運行時的排水方案

由上述分析可以看出，為了保證機組平臺的排水，最好采用兩端排水方案(見圖8)。

圖8 兩端排水管示意圖

為了加大排水管入口處的水深，也可考慮采用局部下沉排水結構(見圖9)。

圖9 局部下沉排水示意圖

深圳地鐵1號線采用的是類似于圖9的排水結構。該結構中，機組平臺中部600 mm,處局部下沉60 mm,以便于安裝空調機組，同時在平臺最低處設排水管。原先更多地傾向于該設計是為了立式渦旋式壓縮機的安裝需要，而在對平臺排水結構進行分析后發現,這種結構對于排水的意義更大。

由于排水位置設置在平臺中部且局部下沉，所以無論列車在任何坡道上行駛，均可保證水落入平臺凹槽內。即使在20‰的坡道上排水管與最低點的高差僅6 mm，即ΔH為0.22 mm。這意味著理論上只要有超過0.22 mm的水進入平臺，就可以保證排水管有水排出，基本不會出現平臺積水的現象。同時，由于局部下沉使得入水口處的水深迅速增加，初步計算只要有1.8 mm的降水就可保證入口處有10 mm的水深，平臺排水能力大大提高。而深圳地鐵1號線機組平臺采用了兩側各設兩支φ45 mm的排水管，主要是為了保證立管的排水能力。

5 結語

綜上所述，在嵌入式空調機組封閉平臺結構的雨水排放設計中應遵循以下原則：

1) 一般情況下，設計雨量按200 mm/h計算可以滿足國內大部分地區的使用要求。

2) 空調機組安裝接口應通過合理的角度、坡度及密封結構的設計盡可能避免其它部位的雨水進入平臺，以及盡可能減少平臺水量。

3) 排水口的位置應考慮坡道運行及機組冷凝排水的配置，在機組平臺兩側前后部位各設1支排水管或采用下沉式排水口，保證入水口處的水深高度，提高排水管中水速，使得進入平臺的雨水迅速排出。

同時，排水管的設計過程中既要考慮排水能力，也要便于加工、安裝及清污。理論上建筑排水管在重力流條件下需要有不小于20‰的安裝坡度，考慮列車在坡道上運行的影響，理想情況下至少應設置40‰的坡度，以保證在任何位置均可排水通暢。影響排水管設計的因素較多，但至少應保證在任何位置不得有橫向管道高于入水口，以避免摻入空氣時在上部形成空氣柱而影響排水。

綜上所述，列車在運行條件下其空調機組平臺的雨水排放問題極其復雜，為此后續還需要做大量的研究工作，才能安全、可靠、經濟地解決排水問題。