地铁交通系统的环境控制和车辆空气调节万芳

地铁交通系统的环境控制和车辆空气调节

2.1.2 地铁车辆空调的室内参数 GB/T 12817—91《铁道客车通用技术条件》中规定,当夏季车外空气温度高于35 ℃时,按下式计算客室内平均气温

tB=20+0.5(tH－20)

( 2 )

式中 tB——客室内平均气温，℃; tH——车外空气温度，℃。 从表2中可见，最热的郑州市夏季空气调节室外计算空气温度为36.3 ℃,最凉快的大连市为28.5 ℃,代入式( 2 )中,可算得郑州的tB=28.15 ℃,大连的tB=24.25 ℃。这比表1中要求的车内平均空气温度24 ℃～28 ℃的下限温度高0.25 ℃,比上限温度高0.15 ℃,说明表1的参数还是比较有代表性的,可以作为地铁车辆空调的室内参数。 对于某个城市地铁车辆空调的室内参数，可在表1的范围内根据当地人们对气候条件的习惯与适应能力来选取。如广州地区，车内温度可选26 ℃，相对湿度≤65%；北京地区，车内温度可选26 ℃，相对湿度≤60%；上海地区，车内温度可选27 ℃，相对湿度≤65%（相对湿度最高70%）等。2.2 地铁车辆空调热负荷的计算 对干线铁路空调客车而言，车辆空调热负荷的计算可按TB1957—87《空调客车热工计算方法》进行。对于城市地铁车辆，我国处于起步阶段，尚无资料可查，无规范可依。在计算地铁车辆空调热负荷时，主要还是参考干线铁路空调客车的计算方法。在对具体某一城市，某一地铁线路而言，还要考虑以下几个问题：①地铁车站隧道是否有空调系统;②地铁客流量最大的时间段;③是否有地下隧道和地面线路混合的地铁线路;④地铁车辆到站停留时间的长短等等。 参照《空调客车热工计算方法》，地铁车辆空调热负荷计算如下

Q=Q1′+Q2′+Q3′+Q4′+Q5′+Q6′

( 3 )

式中 Q1′——通过车体隔热壁的传热量，W; Q2′——进入车内的太阳辐射热，W；Q2′只对运用在地面的车辆起作用，有些地铁线是地面线路与隧道连接起来的，运行在地面线路时就要考虑Q2′的影响。如果地铁全部都在地下隧道中，不受太阳辐射的影响，Q2′即为零。 Q3′——车内旅客的散热量，W； Q4′——车内机电设备的散热量，W； Q5′——通风换气的热负荷，W; Q6′——泄漏换气而进入车内的热量，W。 通过以上计算可求得地铁车辆空调热负荷Q′，并据此来选配空气调节机组的能量大小。

3 地铁环境与车辆空气调节的关系

研究地铁的环控,实际上有两个系统需要研究,一个是地铁车站与隧道的环控,第二个是车辆的环控。车站与隧道是个大系统，车辆则是在这个大系统中的小系统，分析这两个系统之间的相互关系，对于研究地铁的环控是很有必要的。

3.1 地铁系统环境的控制

由于地铁系统的运营会产生大量的热，除少量热经过隧道下部土壤传到深处外，大部分停留在隧道内，如果不及时排出这些热量，隧道内的温度就会上升。 早期设计的地铁一般采用通风方式来排除隧道内的热量。较简单的办法是利用列车运行时的活塞作用进行换气的自然通风系统，这种系统的缺点是活塞作用受到列车运行速度的制约，在车站附近因列车运行速度低，活塞作用不明显，在列车停止运行时这种活塞作用也停止了。因此，随后发展了机械式通风系统，在隧道中间风井及站端风井装有隧道通风机，中间风井起排风作用，站端风井则起进风和卸压作用。 还有很多地铁系统，特别是气候比较湿热地区的地铁，一般都在站台下设排风系统，用以排出运行列车的制动热和空调的冷凝热。 随着地铁的发展，有些地铁不仅在站台，而且在隧道也采用空调系统。为了节约能耗，近年出现了屏蔽门系统，利用屏蔽门将车站与区间分开，车站采用通风和空调，隧道则采用通风来降温。隧道风井一般设在站端并装有风机，利用地面空气通风换气。采用屏蔽门使车站不受列车及活塞气流影响，车站环境稳定，乘车比较舒适。但由于隧道内利用地面空气通风，隧道内的温度将较地面气温高，这就对车辆空气调节设备的工作条件和制冷能力提出了更高的要求。 隧道内部温度的降低，一般只能在夜间，地面气温降低，旅客流量减少，列车运行间隔时间加大，而隧道通风机不断工作的情况下才能实现。因此，在考虑地铁车辆空调机组选型时一定要结合运用条件。

3.2 地铁车辆空调机组工作的影响

前面分析地铁系统运营产生的热量时，按整个系统运营耗电量的80%计算产热量，这是一个粗略的估计数，真实的散热量大小要根据实际设备数量才能说明。但是，地铁车辆安装空调机组后，空调机组的散热量是比较容易计算出来的，一般风冷式空调机组冷凝散热量相当于其制冷量的1.4倍,如上海地铁车辆一辆车的空调机组制冷量为70 kW，其散热量约为98 kW。广州地铁车辆一辆车的空调机组制冷量为80 kW，其散热量约为112 kW，6辆车编组时，一组车每小时的散热量约为672 kW,这个热负荷是相当大的。 广州地铁车辆的平均旅行速度为35 km/h, 1号地铁线长为18.48 km,需运行36 min,如按平均每5 min发一列车,单向运行需8列车,8列车上空调机组的总散热量为5 376 kW，分到隧道内平均热量为291 kW/km。 1994年8月，铁道部四方车辆研究所应邀对上海地铁车空调通风进行试验。该车在隧道运用的设计外温35 ℃，相对湿度60%，车内旅客定员310人，要求车内最高温度27 ℃，最高相对湿度70%。每车装两台空调机组，总制冷量为70 kW。1994-08-24T12∶20～16∶00进行载客运行试验，运行期间车外温度31.5 ℃～33.5 ℃、相对湿度55%～71%，车内温度25.1 ℃～28.8 ℃、相对湿度66.5%～71.5%。从13∶10车内人数增加至230人开始，直至15∶20，2 h之内车内温度一直超过27 ℃（其中从14∶30至15∶20，车内人数在170人以上）。试验分析认为车内温度偏高可能有三方面的原因：①设计参数是否合理；②目前装用的空调机组制冷量是否达到额定值（没有进行过性能试验）；③空调机组与通风系统的参数匹配及结构布局不尽合理等。 从试验结果看，显然，空调机组的制冷量不足，应加大制冷量。从中也看到，按车外温度35 ℃，相对湿度60%来计算上海地铁车辆的空调热负荷是不够的。另外，一般计算车辆隔热壁传热时都用静止状态下的K值，车辆运行时的K值将会明显增加，干线铁路客车车速为60 km/h时，K值增长47%，80 km/h时，K值增长57%。地铁车辆运行在隧道中，车辆表面所受的压力、风速都很大，车辆表面的放热系数会大大增加，K值也会增加很多。如果车辆的气密性能不好，车外的热空气大量进入车内，车内的传热热负荷和漏气热负荷就会大大增加，难以保证设计的车内空气参数。关于地铁车辆在隧道中运行时传热系数随运行速度的增加值和车辆漏气对车内空气参数的影响，目前还没有这方面的试验数据，有待于今后试验研究。

3.3 解决地铁温升的措施

地铁运营时产生的热量要及时排出去，才能控制地铁温升，现有地铁排热办法为： (1) 利用列车运行的活塞作用进行换气的自然通风系统。 (2) 在隧道中间和站端建立风井，用通风机进行机械通风的系统。 (3) 在车站站台下设排风系统，在车站两端各设新风引入风井和排风风井，利用列车活塞作用从车站一端引入新风，经过区间隧道由下一站风井排风。 (4) 地铁车站和隧道全部采用空调系统,这种方式耗能巨大,不够经济。 (5) 屏蔽门系统,利用屏蔽门将车站与区间分开,车站采用通风和空调,隧道采用通风降温。这种办法开始投资大,运营成本低,要作认真的经济分析。 以上5种地铁排热办法中,后两种在新建地铁中用得比较多,但投资是相当大的。除了这5种办法外，我们认为还可以采取一些降低隧道温度的措施，① 地铁系统夜间停止载客时，利用外界气温较低的条件继续对隧道进行通风，以降低隧道的温度和湿度，可大大减少隧道内的蓄热，有利于第二天的运营；② 利用夜间低峰电制冰蓄冷，第二天隧道热负荷较大时将冰蓄的冷量放出来。这样，地铁系统的配电容量可以得到充分利用，白天运用的地铁系统空调机组能量也可以适当配小一些；③ 对屏蔽门系统还可做进一步的研究和改进工作,降低对列车停站的精度要求,减少投资和维护保养工作。

4 结束语

地铁环境控制系统是地铁系统的重要组成部分，环控系统的工作好坏，直接影响地铁系统的运营。地铁系统运营产生的热负荷是相当大的，需要及时将隧道内的热量排出去，隧道通风是地铁环控的重要一环。为了创造良好的乘车环境，地铁车站、车辆都应配备空气调节设备。目前地铁空调热负荷的计算尚处于摸索阶段，一些参数有待于通过试验测得。为此建议： (1) 通过对国内既有地铁线路的试验研究,总结并制定一套地铁系统和地铁车辆的空气调节计算方法及相应的试验方法。 (2) 要对不同的城市、不同的气候条件、不同的地铁线路进行研究，给出最佳的环控方式。 (3) 环控是与地铁运营不可分割的部分,其经济性好坏对地铁运营成本影响很大,在地铁工程设计时应给予充分的重视,一定要精打细算,选择最佳方案。 (4) 对国外较先进的环控方式方法要不断收集,认真研究,把好的方法用到我国地铁建设中。 (5) 应加强对地铁环控技术和环控设备的研究,使我国的地铁环控技术早日赶上国际先进水平。

作者简介:欧阳仲志(1954-),男,高级工程师,工学硕士

作者单位:欧阳仲志1，1铁道部四方车辆研究所， 青岛 四方 266031； 苗彦英2 2大连铁道学院 城市轨道交通研究所， 辽宁 大连 116028

［ 参 考 文 献 ］

［1］ 苗彦英.城市轨道交通［M］.北京：科学技术出版社,1994.［2］ GB7928—87，地铁车辆通用技术条件［S］.［3］ 铁道部长春客车厂.铁道客车设计手册［Z］.吉林：吉林省铁道学会，1989.［4］ 莫培杰.上海地铁车空调通风试验结果及分析［J］.铁道车辆，1995，(8)：7～14.［5］ 黄捷.广州地铁车辆空调系统简介［J］.铁道车辆，1997，(9)：24～28.［6］ 周翊民，等.加快建设我国大城市轨道交通体系［J］.铁道车辆，1998，(7)：6～9.查阅：已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图（更新中）查阅：2012年全国各省市城市轨道交通项目概览（更新中）查阅：城市轨道交通中标企业

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