廣佛線列車客室CO2濃度控制空調新風門開度的研究

黎 燈,黃偉生

（廣州地鐵集團有限公司,廣東 廣州 510200）

0 引言

目前廣佛線列車空調系統(tǒng)采用列車載荷信號控制空調機組新風門開度，從而控制列車客室內的新風量。但列車載荷信號僅為AW0、AW1、AW2、AW3四個等級，導致空調新風量控制不連續(xù)且存在一定局限性。該文通過對列車客室CO2濃度的研究，創(chuàng)新式提出直接采用客室內CO2濃度控制空調機組新風門開度的方式，從而控制客室新風量，達到改善客室CO2濃度的目的，同時又能降低空調機組的能耗，為城市軌道交通地鐵車輛空調系統(tǒng)控制客室內新風量提供新的研究方向及理論依據(jù)。

1 廣佛增購車空調機組新風量控制原理

空調在正常運行模式下，空調控制系統(tǒng)能夠根據(jù)TCMS發(fā)送的載客量信號對新風量進行自動調節(jié)。根據(jù)廣佛增購車空調新風門開度控制方式，當車廂載荷為AW1及以下時，該節(jié)車新風門開度為30%、當車廂載荷為AW1時，該節(jié)車新風門開度為60%、當車廂載荷為AW2時，該節(jié)車新風門開度為100%。空調正常運行模式下，每個機組的新風量不低于1 300 m3/h；緊急通風模式下，每個機組的新風量不低于2 125 m3/h。當新風控制系統(tǒng)故障或與車輛通信故障、載荷信號故障時，新風門打開至全開狀態(tài)。

2 廣佛線正線列車客室CO2濃度現(xiàn)狀

根據(jù)《客車空調設計參數(shù)》（TB1951—87）[1]客車空調裝置須滿足下列衛(wèi)生條件：客室內空氣中CO2的容積濃度不大于0.15%，即1 500 PPM。根據(jù)前期的測量結果，當載荷為AW1-AW2時，客室內CO2濃度為900~1 302 PPM，當載荷為AW2-AW3時，客室內CO2濃度為1 239~1 466 PPM，廣佛線正線列車客室內CO2濃度含量總體偏高。

3 原因分析

根據(jù)上面測量情況，CO2濃度較高的區(qū)間集中在金高—瀝滘，根據(jù)列車結構及空調系統(tǒng)控制方式，分析主要原因為車廂內新風未能跟隨乘客量及時補充，其次廣佛線列車車門為微動塞拉門，車門關閉后整個車廂的密封性較好，而CO2比空氣重，CO2處于車廂中下層空間，當乘客較多時，客室空氣流通性較差，導致乘客產生的CO2難以通過廢排風機快速排出，致使廣佛線列車正線客室CO2濃度出現(xiàn)較高現(xiàn)象。

4 CO2濃度控制新風門開度方式測試

4.1 客室CO2濃度監(jiān)測原理

在空調機組中回風側設置空氣質量監(jiān)測盒，采用DC24V供電，可檢測CO2濃度數(shù)據(jù)并通過RS485通信上傳至空調機組內部主控板，主控板將數(shù)據(jù)上傳至控制柜中的車控器，車控器再將數(shù)據(jù)上傳至TCMS網(wǎng)絡。

4.2 客室CO2濃度控制新風門開度原理

新風閥的開度根據(jù)CO2濃度檢測值進行調節(jié)控制，控制方案見表1，為避免頻繁切換，在控制時設置一定回差：

表1 客室CO2濃度控制新風門開度方案

（1）當檢測到CO2濃度處于上升趨勢且低于700 PPM時，新風閥開度為1/3。

（2）當檢測到CO2濃度處于上升趨勢且處于700~1 100 PPM 之間時，新風閥開度由1/3 改為2/3。

（3）當檢測到CO2濃度處于上升趨勢且超過1 100 PPM時，新風閥開度由2/3改為全開。

（4）當檢測到CO2濃度處于下降趨勢且處于600~1 000 PPM 之間時，新風閥開度由全開改為2/3開度。

（5）CO2濃度處于下降趨勢且低于600 PPM時，新風閥開度調整為1/3。

（6）當監(jiān)測裝置失效時采用載荷控制新風閥方案。

4.3 CO2濃度、載荷控制方式對比分析

為研究廣佛增購車客室CO2濃度控制空調新風門的可行性，將GF069070車69單元空調軟件升級為V1.6版，70單元車的空調軟件保持V1.4版。69單元空調機組的新風門開度優(yōu)先采用客室內CO2濃度控制，70單元空調機組的新風門開度直接采用載荷控制。為排除2節(jié)相鄰車廂內CO2濃度可能互相影響的因素，通過正線測量GFA069車、GFA070車客室CO2濃度，對比分析2節(jié)車客室空調新風門不同控制方式下的CO2濃度及空調能耗。

4.3.1 GFA069車客室正線CO2濃度控制新風門開度測試

采用CO2濃度控制空調新風門開度的車廂內同一時間內不同測量點的CO2濃度分布較均勻，隨著載荷量的增大，客室內CO2濃度也逐漸升高。

為進一步研究CO2濃度控制空調新風門開度的可靠性，讀取GFA069車當天的空調數(shù)據(jù)，查看GFA069車正線測量CO2濃度時間段內新風門打開情況。由于客室內CO2檢測裝置安裝在回風口上方，距離地板面高度已超過1.7 m，為更加真實地反映新風門的開度情況，因此選取距離地板面高為1.7 m的位置正線人工測得的客室CO2濃度數(shù)據(jù)與同一時刻的空調數(shù)據(jù)對比，如表2所示。

表2 人工測量數(shù)據(jù)及列車檢測裝置檢測數(shù)據(jù)

正線人工測量的CO2濃度基本高于空調CO2濃度檢測裝置的數(shù)據(jù)，除去個別數(shù)據(jù)不準確外，人工測量的CO2濃度所對應的新風門應該打開的開度與空調CO2檢測裝置數(shù)據(jù)對應的新風門開度基本一致。空調CO2檢測裝置數(shù)據(jù)所對應的新風門開度與當前載荷下新風門應打開的開度基本一致，但載荷處于AW1-AW2之間時，隨著客室乘客增多，CO2濃度的上升，新風門開度也由2/3開度打開至全開狀態(tài)，目的是增加客室新風量，降低客室CO2濃度。當載荷由AW1-AW2變?yōu)锳W2-AW3時，CO2濃度控制方式能提前使新風門打開至全開，達到快速降低客室內CO2濃度的目的。因此采用CO2濃度控制新風門開度時，新風門開度優(yōu)先隨著客室CO2濃度變化而變化，不受載荷的影響，控制方式較為靈活。

4.3.2 GFA070車客室正線載荷控制新風門開度測試

采用載荷控制空調新風門開度的車廂內同一時間內不同測量點的CO2濃度分布較均勻。

為進一步研究載荷控制空調新風門開度的合理性，讀取GFA070車當天的空調數(shù)據(jù)，查看GFA070車正線測量CO2濃度時間段內新風門打開情況。當客室內CO2濃度處于600~924 PPM，對應的載荷為AW0-AW1，空調機組新風門的開度僅為1/3；當客室載荷為AW1-AW2時，客室內的CO2濃度基本在1 000~1 273 PPM，此時新風門開度僅為2/3。對比新風門開度由客室CO2濃度控制的GFA069車，當2節(jié)車同樣處于AW0-AW1時，GFA070車客室CO2濃度比GFA069車高，且GFA069車空調新風門開度能打開至2/3開度以增加客室新風量；當2節(jié)車同樣處于AW1-AW2時，GFA070車比GFA069車客室CO2濃度略高且GFA070車空調新風門開度僅為2/3，而GFA069車空調機組能根據(jù)CO2濃度變化將新風門開度由2/3調節(jié)至全開，達到增加客室新風量，提升客室空氣質量的目的；當GFA070車載荷由AW1-AW2變?yōu)锳W2-AW3時，載荷控制新風門方式雖能將新風門打開至全開，但隨著載荷的增大，仍無法有效降低客室內CO2濃度，對比GFA069車CO2濃度控制方式，當GFA069車載荷為AW1-AW2時，新風門就已提前打開至全開，為客室內提供更多的新風量，即使載荷增加至AW2-AW3，也能有效降低客室CO2濃度。

5 兩種新風門控制模式下的空調能耗對比

由于GFA069車的空調機組優(yōu)先采用客室內CO2濃度來控制新風門開度，對比GFA070車空調機組新風門開度直接由載荷控制的方式，兩種控制方式下，在列車處于不同工況時，2節(jié)車客室新風量有所不同，空調機組的能耗也有所不同。因此選取GF069070車在2021年3月、4月及5月不同日期空調能耗數(shù)據(jù)進行對比，如表3所示。

表3 GF069070車空調耗電量

從表3可以得出，從3—5月，由于室外溫度逐漸升高，因此空調的耗電量也隨之增加。對比69單元與70單元空調的耗電量，2個單元車空調機組的耗電量總體相差不大。在空調不同工況下70單元車空調耗電量比69單元最大高出6.6%的電量，平均比69單元車高出3.7%的電量。可以得出，69單元的空調能耗略低于70單元空調能耗。因此，在空調不同工況下，采用客室CO2濃度控制新風門開度的方式比載荷量控制新風門開度的方式更加節(jié)能。

6 結論

綜上所述，通過對GF069070車兩種不同的新風門控制方式的分析及能耗對比分析，空調機組新風門開度采用客室CO2濃度控制時，對比載荷控制新風門開度方式，當列車處于AW0-AW1或AW1-AW2載荷時，CO2濃度控制方式能更有效地根據(jù)客室CO2濃度來調節(jié)新風門開度，在列車當前的狀態(tài)下使新風門開度提前打開到更大值，增加客室新風量，提升客室舒適度。從空調能耗上看，在空調各種工況下，采用客室CO2濃度控制新風門開度的方式略微節(jié)能。因此，廣佛線增購車采用客室CO2濃度控制空調機組新風門開度的方式比載荷控制空調機組新風門開度的方式更加合理。