地鐵車輛空調設計問題的探討
摘要： 結合目前國內各城市地鐵列車空調設計要求、車輛技術規格要求和廣州地鐵車輛的實際運營情況，針對地鐵車輛空調的特點，提出了設計中應考慮和關注的幾個技術問題。
關鍵詞： 地鐵車輛； 空調； 設計； 問題探討
0 引言
隨著城市地鐵建設的不斷發展，對地鐵車輛空調系統的要求也越來越高。目前，鐵路列車空調機組的設計有規范、標準。歐洲結合地鐵車輛的特點，在3標準的基礎上已編制了針對地鐵、輕軌車輛空調設計的相關標準； 而我國目前在地鐵、輕軌列車空調設計方面尚未制定標準。本文結合廣州、上海地鐵車輛空調的特點，就地鐵列車空調設計中的幾個技術問題進行了探討。
1 制冷量的合理確定
1.熱負荷計算
地鐵車輛空調裝置的有效制冷量是用來平衡列車使用中車內熱負荷及新風熱負荷的。其計算公式為
7 Q y = Qi =1
式中：Q 1i——車體隔熱壁傳熱負荷；
Q2—— 太陽輻射熱負荷；
Q3—— 乘客散出的顯熱負荷；
Q4—— 乘客散出的潛熱負荷；
Q5—— 車內機電設備、照明器具等散發的熱負荷；
Q6—— 新風帶來的顯熱負荷；
Q7—— 新風帶來的潛熱負荷。
通常情況下，在車廂空氣參數確定后，所需的有效制冷量大小主要取決于外氣參數、車體傳熱系數、車內定員及新風量。
2. 車外溫度、濕度的合理確定
因各城市所處的地理位置以及隧道結構、列車運營速度等方面的差異，車輛運用時隧道內外的大氣參數選取應具體結合各城市當地的氣象資料，而不要照搬照抄。若外氣參數選用不合理，不但會造成設計計算與實際運用情況之間的不吻合，機組設計余量過大或偏小，甚至會加大電源設備的功率、重量，從投資和將來運營的角度來看，不僅不合適也是極不合算的。
車輛運行初期，隧道內的溫度相對較低，濕度較大，但隨著列車運營時間加長，空調冷凝器散熱，制動電阻、閘瓦、牽引電機、隧道照明等設備的發熱，隧道溫度會不斷上升、相對濕度會下降。從香港西鐵所做的運營計算模擬曲線上看到，列車運營 年后，隧道墻體的溫度將會上升5℃，隧道內的平均溫度約上升8℃。加之車站屏蔽門的設置，長期運營后，隧道區間溫度已基本趨于一致，而且車輛在隧道內的運行環境后期比運營初期要惡劣些。
因此從總體設計、運用來看，各城市應結合當地環境參數、隧道結構條件、列車時速要求以及車站是否加設屏蔽門、隧道風機配置和使用等情況，通過模擬計算來確定隧道內溫度、濕度參數，使之接近實際運用情況，為空調機組的設計提供合理的設計參數。
3. 車體材料及列車運行速度對傳熱系數K 的影響
在計算整車的熱負荷中，傳熱系數K 值因車體隔熱壁厚度、材料的性能、門窗和連接通道結構和列車運營時速等不同而異。地鐵車輛車體材料目前較常用的是不銹鋼和鋁合金材料。日本對不同車的K 值試驗研究表明，不銹鋼車的傳熱系數為 m2·K，鋁合金車的傳熱系數為 m2·K，車體門窗在結構和尺寸上的差異，影響整車的傳熱系數。另外，列車在靜止和運行情況下，傳熱系數K 也是變化的，即傳熱系數隨列車運行速度的提高而增大，若列車運行平均速度達到 ， 那么，車體的傳熱系數將比靜止情況下增長%。因此在設計計算中應結合車體材料、門窗結構、列車平均旅行速度等具體情況來確定車體的傳熱系數計算值。
4. 車內定員及新風量的合理確定
在對廣州、南京等地鐵車輛空調熱負荷的計算中發現，在列車熱負荷的各組成中，定員對熱負荷的影響可以說是最大的。因為定員數決定著新風量以及由于乘客帶來的顯熱和潛熱，在熱負荷組成比例中定員因素影響的比例占了整個總負荷的%。
以廣州地鐵1號線為例，車輛空調設計是基于2的定員載荷。在此設計計算中要求每節車的乘客數達到0人，在地鐵目前的運營模式下，日均載客量應在 萬人次才能達到設計要求。而實際運營中，由于各種因素所致，客流量都未能達到設計值。在低峰時，每節車的載客量不足0人，即使在客流量最高峰時，每日的最大載客量也僅為 萬人次，亦即每節車的載客量為5人，這樣的載客量遠未達到設計的定員數量。
統計計算表明，每節車的熱負荷比例中，新風熱負荷通常占總負荷的%～%，而新風量只取決于車內定員，因此必須結合定員來合理確定新風量。
因地鐵列車運行區間短、開關門頻繁、乘客在車內的停留時間較短，因此地鐵列車的人均新風量可適當地低于鐵路的要求。根據歐洲地鐵列車空調設計的相關標準9，對于地鐵或輕軌列車設計，B型車空調系統的人均新風量可選取 m3·人，而A型車推薦的人均新風量為5m3·人。
5. 行車密度及隧道活塞效應對熱負荷的影響
隨著地鐵運營客流量的增加，行車密度也需隨之加大，伴隨著列車的啟動、加速、惰行、減速、停止等運動狀況產生的區間隧道內活塞風隨時間變化而處于不穩定狀態，而活塞風對地鐵隧道熱環境將造成一定的影響。如廣州、上海地鐵列車的運營設計發車間隔為4n，若車輛運行時隧道熱量不能及時排出，在隧道活塞效應作用下，可能造成隧道內局部區間的溫度偏高。在運營中，前一列車離開后，若該區間空調系統的冷凝散熱不及時，后續車輛的外部溫度就會升高，造成冷凝器和新風吸入溫度高于原設計值。另外,近年來國內地鐵設計中，趨向于設計土建幾何尺寸較小的隧道，地鐵列車故障導致隧道區間阻塞，這些都會造成隧道溫度升高從而對熱負荷產生直接影響。
2 通風系統的優化設計
目前為了降低地鐵建設造價，新建的地鐵都嚴格控制著隧道土建的工程量，因此通常隧道截面都不會太大。這使得車輛的結構設計尺寸受到很大限制，特別是車體高度尺寸。如北京地鐵八通線的B型車，其車體高度僅為30，車廂內凈高僅為220，空調機組的設計高度要低于0，較大幅度地限制了空調系統包括車內風道的設計尺寸。為保證送風均勻，降低噪聲，必須對通風系統進行優化設計。
1. 溫度均勻性
客室內溫度均勻性主要取決于風道送風的均勻性，所以風道的設計至關重要。目前廣州1、2號線、上海2號線地鐵都采用了靜壓條縫式均勻送風風道。這種風道的優點在于結構簡單、送風性能良好、維修方便。但在該風道的設計中要注意以下幾個問題：
（1） 為了控制客室內的噪音，盡量保證主風道內最大風速不高于8s；
（2） 在充分考慮風道阻力及噪聲后，主風道送風條縫和靜壓風道送風條縫的寬度尺寸越小越好；
（3）為使靠近機組兩端風道的送風量不至于過小，應在主風道內適當加設擋風板，其尺寸最好由試驗確定；
（4） 建議在主風道與靜壓箱隔板上粘貼吸音材料，以降低噪聲。
2. 氣流組織及微風速
氣流組織是否合理，與送風口和回風口的位置、型式、大小、送風氣流的流態和運動參數、送風溫差、客室結構等多方面因素有關，且送風射流的作用區要比回風口的作用區大得多。
對于地鐵列車來說，比較適用的氣流組織有： 上側送下側回氣流和孔板送風。若采用孔板送風，則需要使穩壓層內各處的靜壓相同，才能達到各孔口有相同的風速，實現均勻送風。
地鐵列車車廂內由于內頂較低（一般不大于20）， 而乘客多處于站立區，因此如果送風速度過高、送風溫差大，會使乘客有明顯的“吹風感”，這是設計中必須要避免的； 但地鐵列車載客量大時，若送風速度過低，則衰減快、氣流組織差，夏季乘客會感到車內溫差大、不涼爽。多數乘客在車內停留時間一般在 n內，因此車內微風速可以比鐵路要求的 s大。在C標準中，環境溫度在 ℃時，風速允許達到5s，值得借鑒。
3. 噪聲
地鐵列車在隧道中運行時，各種設備發出的噪聲難以擴散，要經過隧道壁面的多次反復衰減，因此對列車上設備的噪聲有著嚴格的控制要求。車內空調通風機和風道內的空氣流動是直接的噪聲源，必須通過選用低噪聲和多葉片的離心風機和消聲風道來解決； 而在站臺上，空調機組冷凝風機的噪聲就顯得十分突出，冷凝風機必須選用低噪聲、低轉速、大流量的軸流風機，來盡可能降低噪聲。
3 空氣品質
空調系統除了要控制好客室的溫濕度、風速外，還要保證客室空氣的潔凈度。地鐵列車長期在隧道中運行，若過濾網選用不當，受電弓碳滑板和制動閘瓦產生的大量碳粉以及隧道中的積塵，就會直接影響客室的空氣潔凈度。國內在地鐵列車設計中對該項的要求和檢驗標準目前也存在著空白。
對于線路區間隧道較長的地鐵列車，司機往往需要長時間停留在氧氣和陽光較少的地方，所以列車設計也要充分體現“以人為本”的原則，盡可能為司機創造一個較好的工作環境。建議在司機室內單獨加裝空氣清新機或負氧離子發生器等設備，以改善司機的工作環境。
4 節能措施
從廣州地鐵1號線列車運行能耗試驗數據看，在夏季，一節車空調的能耗約占整列車總能耗的%。從運營的長遠效益來看，采用各種方式來達到列車空調節能運行是十分必要的。
第一，要確定適當的室外設計計算參數和新風量，避免因設計參數不合理而導致制冷量設計過大，從而造成能耗增加； 第二，列車在沒有載客運營情況下，可關閉空調機組所有的新風口，通過預熱或預冷，使車廂溫度盡快達到設定值，以減少不必要的能源浪費； 第三，由于實際運行中客流量變化較大，可能出現低于預測值或因其他因素導致部分區間的客流量未達到設計值的情況，即載客量少于定員2的設計值，造成因新風量過高而產生的能源浪費。因此在客室中裝設2檢測器，利用自動新風調節門來調整所需的新風量大小，從而達到節能運營的目的。
5 安全性
列車運行中，對乘客的安全保障是至關重要的。空調系統不僅要提供給乘客一個舒適的乘車環境，也應在緊急情況下，提供必要的保護措施。
正常情況下，空調系統工作的交流電源是由列車輔助電源提供的，由于運行中，列車是一個封閉的空間， 因此，在整列車交流電源失效的情況下，應能通過空調緊急逆變器將列車蓄電池的直流電源逆變成交流電，維持一定時間的應急通風，保證緊急情況下，乘客在車內停留時所需的氧氣量。
另外，雖然地鐵設計中對隧道內的電線、電纜等材料有相關的防火標準和要求，但設計中也應考慮到，萬一隧道內發生火災，司機應能在司機室關閉列車所有的吸排風口，避免煙霧等對乘客的危害，便于將列車從火災區開到安全區域。
6結論
列車制冷量決定著空調機組的功率、設備噪聲和尺寸、輔助供電量等。它的計算主要取決于外氣和隧道溫度、濕度、車體計算傳熱系數、車內設計定員及新風量，并因各城市大氣和隧道條件、車型等具體情況而不同。設計中必須確定好這些參數，避免因設計參數不合理而導致機組設計制冷量過高或不足。
地鐵列車通風系統要求提高風速的均勻性、并可適當提高平均微風速，但又要控制好主風道的風速，避免風速過高帶來的噪聲，因此必須優化通風系統，提高列車乘坐的舒適性。車廂內的空氣品質問題不應該再被忽略，筆者建議國內盡快建立相應的設計和檢驗標準。地鐵車輛空調設計還應考慮列車運營的長遠性，設計中應采取可能的方式來降低空調機組的能耗，達到運營節能的目的； 同時應設有緊急通風和隧道火災防煙等措施來保證各種突發事件下的運營安全性。
