浅析西安地铁二号线车辆空调系统

都荣兴

摘要：介绍了西安地铁二号线车辆空调系统的主要特点、技术参数及空调系统的通风、空调机组、自动控制系统等结构，并且针对存在的不足，提出了改进意见。

关键词：空调系统；通风系统；空调机组；

1.概述

西安地铁二号线车辆空调系统是由长春轨道客车股份有限公司负责总体设计和整车试验，而空调机组由石家庄国祥运输设备有限公司制造。每辆车安装两个顶置式单元空调机组，共用一个主风道，在Mp、M、T车的一位端、二位侧和Tc车二位端、二位侧各设有一个空调控制柜，还有一些电气部件在客室内，其中空调控制柜和电气部件由长春研奥电器有限公司设计制造。此空调系统的设计考虑了地铁车辆的实际运行条件，并且采用了一些新的技术，主要有以下特点：

（1）空调机组采用单冷型式、微机控制可通过列车总线网络进行集中控制，而且还可以通过单节车的触摸屏来单独控制机组的运行。

（2）采用进口全封闭卧式涡旋压缩机，噪音小、抗冲击。

（3）采用新型环保制冷剂R407C。

（4）机组内设有电动回风调节装置及新风调节装置，能够满足不同工况条件下风量调节的需要。

（5）客室内设置幅流风机，促进了车厢内的空气流通。

（6）司机室和客室通过设置电加热器提供暖风和新鲜空气，从而提高司机驾驶和乘客乘坐的舒适性。

（7）在列车三相380V、50Hz交流电源失效的情况下，由紧急通风逆变器为空调机组通风机供电，采取降频降压工作方式，保证45分钟的紧急通风。

2.通风系统

为了实现整列车送风均匀，采用静压风道。其工作原理是空调机组下部送出的风进入车内主风道，并沿主风道在推进过程中进入静压箱，进行静压平衡调节，使得在主风道的不同截面上，具有不同静压的空气在静压箱中得到平衡，并形成一定的静压值，空气通过在静压箱上的开口将静压转换成一定的动压喷射出去，从而达到均匀送风的目的。

送风道的布置如图1：

图1 送风道的布置图

2.1车内气流组织形式

送风

在离心风机作用下，新风从空调机组的新风口吸入，与客室内回风在蒸发器前混合，混合气流经过冷却后，通过风道和风口均匀地向客室吹出。司機室送风单元通过风道从相邻的空调机组中吸入已经处理过的冷空气，再将其送入司机室，可以调节送风量及送风方向。

新风

空调机组自带新风口，新风口设有性能好、阻力小的过滤装置，可防止风沙雨雪渗入车辆，新风入口密封严密，所有新风均经过空气过滤器。同时设有自动风量调节阀根据空调系统控制的要求按照制冷、通风、紧急通风等不同的工作状态控制新风风量。

回风

客室内的部分空气通过车顶的回风口进行循环，回风与新风在蒸发器前混合，混合空气经过蒸发器完成降温除湿的制冷过程，并由通风机经过风道向车辆均匀地送风。回风口设有自动风量调节阀根据空调系统控制的要求按照制冷、通风、紧急通风等不同的工作状态控制回风风量。

排风

司机室利用司机室增压单元产生的正压，通过设于司机室间壁门和两侧电器柜下部的回风口向客室内回风，其中一部分与客室内的空气通过安装在客室车顶的排风装置排出车外。

整个空调系统的车内气流组织形式采用的是下送风下回风方式。如下图2所示：

图2 车内气流组织图

2.2离心风机

离心风机是通风系统的动力装置，其作用是吸入车外新风和客室回风，并将处理后空气加压，通过主风道等送入客室。此风机为多叶片式离心风机，具有高效、低能耗和低噪声的特点。风机的电机为交流电机，供电电源为3PH/AC380V/50Hz，同时该风机可降频降压运行以满足紧急通风功能的实现。

2.3幅流风机

根据空调系统整体布置的要求及室内气流组织的需要，在TC（头车）安装了2个双轴幅流风机，1个单轴幅流风机，中间车安装了4个双轴幅流风机，利用叶轮在电机的驱动下高速旋转，产生流场，介质在叶道内流动，在叶片的作用下，获得能量，将机械能转化为动能，达到通风换气的目的，促进车厢内空气对流，以提高制冷效果，为乘客提供舒适的服务。

3.空调机组

3.1空调机组的主要技术参数

型号 KG29H

型式 车顶单元式

电源 主 回 路：三相交流 380V50Hz

控制回路：DC24V 电磁阀AC220V，50HZ

制 冷 量 29.1kW

通 风 量 4000 m3/h

新 风 量（可调） 最大为1270m3/h

应急通风量 2000m3/h

制 冷 剂 R407C

输入功率 约14 kW

重量 约600kg

外形尺寸

（长×宽×高） 3300×1600×300mm

(注：外形尺寸为不含安装座尺寸)

3.2空调机组主要部件功能

3.2.1压缩机

制冷压缩机为全封闭卧式压缩机，是将电动机、压缩机构及供油系统组装在同一个密封的机壳内，其主要作用是将来自蒸发器的低温低压的 R407C气体压缩成高温高压的气体，并送往冷凝器。

3.2.2轴流风机（冷凝风机）

轴流风机为直联轴流式风机，风机的叶轮安装在立式电机上，并采取防水结构，主要用于强化冷媒在冷凝器中的凝结放热过程。

3.2.3蒸发器

蒸发器为铜管套铝肋片的直接蒸发式空气冷却器，主要将液态制冷剂R407C蒸发成低温低压的气体，与此同时吸收车内循环空气和新鲜空气的热量，达到降温的目的。

3.2.4冷凝器

其结构型式与蒸发器相同。

高温高压的R407C气体，通过冷凝器时，在外界空气的强制冷却下，变成低温高压的冷媒液体。

3.2.5毛细管

毛细管是一组内径极小的细长铜管，当高压液体冷媒流经这组高阻力管时，起到节流降压的作用。

3.2.6干燥过滤器

干燥过滤器将滤网固定在容器内，并封入干燥剂，过滤冷媒中的残余杂质并吸取冷媒中的残留水份。

3.2.7高、低压压力开关

当制冷系统的压力异常高或低时，高、低压开关动作，停止压缩机的运转，保护制冷系统。高、低压开关的复位方式为自动复位。

3.2.8旁通电磁阀

该电磁阀设置在压缩机排气管与气液分离器前吸气管之间，为保证压缩机在长时间停止后以及温度较低情况下启动时的轴承润滑，与压缩机同时启动，30秒后断电。

3.2.9容量控制电磁阀

此电磁阀配合压缩机内能量调节机构可以控制压缩机的容量，与压缩机同时启动，40秒后断电。通过2个电磁阀的开闭及每台机组两台压缩机工作状态组合，进行全运转以及控制容量运转（约70%）的切换，可实现空调机组多级能量调节，制冷能力实现100%、70%、50%共三档。当打开高压侧电磁阀，关闭低压侧电磁阀时，为全运转状态。当打开低压侧电磁阀，关闭高压侧电磁阀时为容量控制运转状态。

3.2.10液管电磁阀

此电磁阀设置在冷凝器出口，与压缩机同时启动同时停止，防止压缩机停止时冷媒液倒流入压缩机侧，防止造成再次启动时润滑不良。

4.电加热系统（采暖系统）

考虑到地铁车辆实际运行区域的气候条件，西安地铁车辆空调系统专门设置了电加热系统。

4.1客室电热器

客室电热器安装在座椅底下的安装座上。每组电热器内设两支电热管，两支电热管分两路，可分别或同时工作、停止。电热器设“全暖”、“半暖”两个控制位，由司机控制。

4.2司机室电热器

为提高司机室冬季采暖的舒适性，在司机室设带风机的强迫通风电热装置。设半暖、全暖位，由司机手动操作。每个电热器内设一台小型贯流风机，两支电热管。司机室电热装置安装在司机台下。司机室电热装置内风机与电加热器设置连锁，风机启动后电热装置投入运行，电热装置设热继电器进行超温保护，当由于风机故障等原因使电热器温度超过设定值时，自动停止工作。

5.自动控制系统

5.1供电

从接触网下来的DC1 500 V直流电经过列车静止逆变器（SIV）转换成AC380 V、50 Hz三相交流电后，供给空调机组的压缩机、冷凝风机等交流负载。

空调系统的控制电路使用DC110 V直流电。从接触网下来的DC1 500 V直流电经过列车辅助供电系统的整流装置变换成DC110 V后供给控制电路。

当交流供电失效的情况下时，由Tc车的蓄电池供电，将DC110 V直流电经紧急通风逆变器转换成三相交流电，驱动机组内的两个通风机工作45分钟。

5.2空调控制柜

在Mp、M、T车的一位端、二位侧和Tc车二位端、二位侧各设有一个空调控制柜。此控制柜与客室内的空调装置一起为司机与乘客提供空调控制。空调控制柜控制单元由PLC主机单元 、温度扩展模块、信息显示操作屏组成。

5.2.1PLC功能

PLC是可编程逻辑控制器的缩写，对整个空调机组进行自动控制，实时检测运行过程中的参数，对出现的故障自动处理，通过显示操作屏实现人机对话，响应显示操作屏输入的命令、参数、将故障信息、运行状态通过显示操作屏显示等。

5.2.2显示操作屏

显示操作屏是一种微型可编程终端，采用全中文液晶显示操作屏（带背光），具有字符类型和图像类型显示，由通讯接口和PLC的外设接口进行通讯。主要功能是空调机组的运行工况的控制，运行工况参数的显示，实时显示各功能的运行状态及故障现象。

5.3运作模式

（1）通风状态：两个机组的送风机全部运行，而且新风阀、回风阀全部打开。

（2）弱冷状态：两个机组的送风机全部运行，冷凝风机也全部运行，每个机组的压缩机只有累计运行时间少的压缩机运行，即一半的压缩机启动。

（3）强冷状态：两个机组的送风机全部运行，冷凝风机全部运行，每个机组压缩机全部运行，即所有的压缩机启动。

（4）自动状态：列控（网络）给定自动冷温度T值及指令，当室温t0≥T+3.5 ºC，双机制冷：送风机运行→延时5秒→冷凝风机运行→延时30秒→累计运行时间少的压缩机运行→延时5秒→另一台压缩机运行→降温至室温t0≤T +2ºC→运作时间多的压缩机先停机→当室温t0≤T ºC时→延时3秒→另一台压缩机停机→延时30秒→冷凝风机停机→送风机继续运行→如果需要停送风机延时5S→可以停送风机。

（5）停机状态：所有的通风机、冷凝风机、压缩机均停止运行。

以上几种运作模式可以通过单节车的显示操作屏来控制单节车机组的运行，也可以通过司机室的触摸显示屏选择运作模式，其指令通过列车的中央控制单元、终端控制端元、总线、空调网关传送给每节车空调控制柜内的PLC主机单元，从而实现对整列车的空调机组进行集中控制。

6.结束语

总之，西安地铁二号线车辆空调系统整体性能不错。但也存在一些不足，还需从以下几个方面加强：

（1）空调机组的外盖板材质太薄，在实际运营过程中盖板极易变形给检修工作带来不便，建议空调机组外盖板应该采用2.5-3mm的不锈钢盖板较为合理。

（2）空调机组的排水槽里面容易形成积水，建议将排水槽槽底设计成带斜度的，可将积水排干净。

（3）客室内温度不均匀，建议厂家在设计风道时严格控制主风道内最大风速不高于8 m/s ，而且在充分考虑风道阻力及噪声的前提下，应该将主风道送风条缝和静压风道送风条缝的宽度尺寸设计成越小越好。

（4）空调噪音偏大，降低了乘客乘坐的舒适性，建议空调通风机和风道内选用低噪声和多叶片的离心风机和消声风道，冷凝风机选用低噪声、低转速、大流量的轴流风机，而且要严格控制空调机组各设备的安装工艺，尽可能降低噪声。

参考文献

[1] 长春轨道客车股份有限责任公司 西安地铁二号线车辆维修手册2010

[2] 曹越，邓景山国内铁路空调与地铁空调之比较 2001

[3] 龍静，王书傲地铁车辆空调设计问题的探讨 2003

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。