城市軌道車輛空調回風方案對比研究

陶泓澈，趙楊坤，許 鵬

(1.廣州軌道交通建設監理有限公司，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部舒適度的要求越來越高，對空調的溫度調節需求也各不相同。因此應合理布置車輛空調的送風口和回風口,使空調機組外的空氣通過送風口送入空調區域后,在與空調內空氣混合、擴散或者進行置換的熱濕交換過程中,均勻地消除空調區內的余熱和余濕,從而使車廂內形成比較均勻的溫濕度和穩定氣流組織,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人員較多的情況下易發生回風短路。上送下回即通過車輛客室頂部送風，座椅下部回風，也稱做大循環的方式。袁浩智等[7]對車輛上送下回方式通過側墻回風的可行性進行了研究，結果表明采用側墻回風，有利于提升乘坐舒適性。劉晶等[8]對地鐵車輛室內氣流組織影響因素進行了分析，上送下回的通風方式可改善送風短路。孫麗花[9]對上送上回通風方式空載和載人2種工況進行了對比，載人時送風短路明顯。王彥魯等[10]對空調系統能耗影響因素進行了研究，結果表明載客量和新風量對空調能耗影響較大。

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道缺少研究，因此本文通過風道模擬試驗及理論分析，對比上送下回的送回風方式在車輛側墻設置專用回風道和不設置專用回風道2種方案對整車回風量的影響，同時分析了同等送風量時對空調系統能耗的影響。

1 不同回風方式

1.1 氣流組織

客室空調上送下回的送回風方式是在車輛頂板設置送風口，在座椅下設置回風口。客室內送風通過車頂送風格柵均勻送出，氣流向下經座椅下回風口回到空調機組內，多余的回風通過廢排裝置排出。客室內回風道的布置直接影響到車內氣流的流向和流速等，在送風風道相同的條件下，設置專用回風道和不設置專用回風道車內氣流組織流向見圖1。圖1(a)中回風經過側墻專用回風道進入空調機組，圖1(b)中回風經側墻自由空間進入空調機組。

圖1 車內氣流組織流向示意圖

1.2 設置專用回風道

此種方式是在車上布置主風道和支風道，主風道上部與空調機組相連，設置送風口和回風口，風道下部送風口與客室送風格柵相連。支風道上部連接主風道回風腔，下部延伸至座椅下方的回風口。支風道利用車輛側墻空間進行布置，車輛主風道和支風道的布置詳見圖2。

圖2 設置專用回風道的風道模型

1.3 不設置專用回風道

不設置專用回風道是在座椅下方開回風口并安裝回風濾網，并對車頂的格柵、燈帶、側頂板等部件接縫進行適當密封，使回風從座椅下方進入側墻板與車體之間的空腔后進入空調機組回風口。廢排風道的排風路徑與回風相似，通過廢排裝置排出車外。每輛車風道布置只有主風道，主風道上部與空調機組相連，上部設置送風口和回風口，風道下部送風口與客室送風格柵相連，不設置專用回風道的風道布置詳見圖3。

圖3 不設置專用回風道的風道模型

2 回風量估算

由上分析可知，設置專用回風道需利用車輛客室內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域，可以利用布置回風道的地方很小。以國內普通B型地鐵車輛為例，估算2種回風方式的風量差異，風量估算公式如下：

Q=3 600vA

(1)

式中：Q——風量，m3/h；

v——風速，m/s；

A——回風面積，m2。

根據B型地鐵車輛中間車車門和車窗的布置情況(圖4)，不設置專用回風道時可用通風區域兩側共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輛車回風面積A1為0.36 m2。若設置專用回風道，考慮風道變形和安裝，每個區域布置2～3個回風道，每個回風道厚度約5 mm，截面積約240 mm×30 mm,1輛車回風面積A2為0.26 m2。由計算可知，僅考慮回風面積的影響，2種方式風量差異為Q2=0.72Q1。

圖4 B型地鐵車輛回風道布置示意圖

3 模擬試驗及對比分析

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

3.1 不設置專用回風道的風量測試數據

表1為不設置專用回風道的風量測試數據，單個空調機組總送風量等于新風量和回風量之和，通過測試，約為4 904 m3/h。

表1 不設置專用回風道的風量測試數據

3.2 設置專用回風道的風量測試數據

為進行設置專用回風道的風量測試，在試驗室參照圖2對風道進行改造。在風道內部增加回風腔，側面增加回風道，兩側設置支風道，支風道用于回風，模擬座椅下部回風口高度為實際回風道的高度。試驗結果見表2，單個空調機組總送風量大約為3 890 m3/h。

表2 設置專用回風道的風量測試數據

3.3 對比分析

根據上述2種試驗結果分析，在模擬設置專用回風道進行回風時，回風量較小。設專用回風道較不設專用回風道的回風方案，總風量減少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量的設計要求。而實際車輛生產制造中，在側頂板、側墻板、門立柱等接縫處均會存在一定縫隙，不設置專用風道時部分回風會通過這些縫隙進入側頂回風區域，空調回風量會進一步增大。

4 能耗影響分析

地鐵車輛運行時外部環境溫濕度、車內載客量、空調新風量等對空調系統能耗影響較大[10-11]。車輛空調機組新風口和回風口設置了調節風量的風閥，在正常工作時，空調機組新風閥能根據載客量調節進入客室的新風量；在緊急通風時，新風閥全開，回風閥關閉，保證進入客室內的空氣為全新風。隨著載客量的增加，空調系統新風量輸出也隨之增大，新風量增大時，空調系統能耗增大。

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

5 總結

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

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