轨道客车空调系统新风量分析

蒲 栋 高 菲

(1. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，266111,青岛;2. 青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司，266111，青岛//第一作者，工程师)

轨道客车一般根据运输距离与旅客乘坐时间分为长途列车和短途列车。长途列车站间距长，车内换气只依靠空调系统的新风和废排来实现，相关标准对新风量的要求较高；短途列车站间距较短，中途到站开关车门次数较多，开关门也能起到一定的换气作用，相关标准对新风量的要求相对较低。

目前，旅客舒适度指标得到广泛关注，为了提高旅客乘坐的舒适度，短途列车的新风量是否应与长途列车相同，这对新风量的标准制定、空调装置的设计和制造等至关重要。因为短途列车一般是城市轨道交通及市域轨道交通，其特点是载客量大，一般情况下载客量是长途列车的1.5倍以上，如果考虑上下班及旅游高峰期，其乘客量是长途列车的2倍以上。如果短途列车人均新风量要求与长途列车的要求一样，空调新风量需求将大大增加，空调机组的制冷(热)量都需相应增加，同时空调装置的耗电量也会增加，这给轨道线路电力配置带来新的问题。因此，研究轨道客车空调新风量具有现实意义。

1 轨道客车空调系统新风量

1. 1 国内外有关新风量的标准

目前，对于轨道客车空调系统新风量，国内外均有相应的标准要求[1-9]，各标准对新风量的规定见表1。文献[9]规定，在未规定正常载客数量情况下，应视A类车和B类车中的座位为满席，所有站立区按2人/m2计算(对A类车、B类车的有关规定见表2)。

1. 2 标准中新风量的分析

1. 2. 1 长途轨道客车规定

由表1可见，长途轨道客车夏季最大新风量为25 m3/(h·人)，最小新风量为10 m3/(h·人)，且新风量可根据外温变化进行调节；冬季最大新风量为20 m3/(h·人)，最小新风量为10 m3/(h·人)，新风量可根据外温变化进行调节。长途轨道客车运行时间长，站间距长，到站停车时间短，车内换气完全依靠空调新风完成，因此需要较大的新风量来满足旅客舒适度要求。尽管如此，最小新风量也仅为10 m3/(h·人)。

1. 2. 2 地铁和市郊轨道客车规定

由表1可见，地铁和市郊轨道客车夏季最大新风量≥15 m3/(h·人)，最小新风量8 m3/(h·人)。未规定新风量可根据外温变化进行调节，也未规定冬季的新风量。地铁和市郊轨道客车运行时间短、站间距短、开关门频繁，车内换气除了靠空调新风，开关车门也能起到一定的换气作用，因此较小的新风量同样可以满足旅客舒适度要求。

表1 有关标准中轨道客车空调系统新风量的规定

表2 轨道客车分类

1. 2. 3 新风量设计时的考虑

无论是长途轨道客车还是地铁和市郊轨道客车，对新风量都有一个最小和最大要求。从旅客舒适度方面考虑，新风量越大，车内换气越多，车内CO2含量越低，旅客就越舒适。但是，增大新风量，会带来车内热负荷增加、空调机组的制冷量和耗电量增加、供电电网的负荷增加，以及能源消耗增加等一系列问题。建议空调系统新风量，可以按照客车的最大新风量要求设计。在实际运用时，应按照车外温度的变化对新风量进行调节，做到既满足旅客舒适度的要求，又满足供电电网对客车空调系统用电负荷的要求。

2 从卫生角度对新风量的分析

2. 1 车内CO2含量允许值和新风量

2. 1. 1 车内CO2含量允许值

向车内送入新风，排出废气，目的是使车厢内的空气清新。衡量车厢内空气清新程度的主要指标是CO2的体积分数。CO2的体积分数升高后，不会造成旅客中毒，也不会危及旅客的生命。但是，为了使旅客旅途愉快，应该向车厢内送入一定量的新风，使车厢内的空气清新及旅客旅行舒适。

新风量的大小与以下因素有关：①车内CO2的体积分数；②人体的CO2排出量；③新风对预热功率的需求，该因素用来保证车辆采暖时供热设备正常工作、车辆供电满足使用要求。新风量的大小主要取决于车内CO2的体积分数。现有国内的相关标准[1-2]规定见表3。

表3 轨道客车内CO2允许体积分数的标准规定

2. 1. 2 满足车内CO2允许体积分数的新风量

根据人体生理测试数据，人体CO2排出量见表4。

旅客乘车一般处于“轻度活动” 状态，CO2排出量可取0.022 m3/(h·人)。以25T型座车为例计算，1节车厢容积约为155 m3，设车厢定员118人，大气环境中空气的CO2体积分数为0.03%，在车门关闭的运行状态下，车内每小时CO2可能达到的体积分数为1.705%。如使车内CO2体积分数维持在0.15%，需要加入的新风量为17.02 m3/(h·人)。

表4 人体CO2排出量

文献[10]规定呼吸区最小通风率，按照礼堂(满座)的规定为4 L/(s·人)，计算最小通风量为14.4 m3/(h·人)。由于轨道客车空调送风是将部分新风(约占1/3)和部分回风(约占2/3)混合后送入车厢内，因此按照文献[10]的建议，计算的新风量应除以通风率系数(取0.8)，从而得到人均新风量为18.0 m3/(h·人)，与前面依据CO2体积分数维持在0.15%计算得到的人均新风量17.02 m3/h相当。

对照表1中文献[4]和文献[5]对新风量的规定可以看到，大部分时间要求的新风量分别为15 m3/(h·人)和20 m3/(h·人)，只有在外温分别处于-15 ℃和-20 ℃以下时，新风量为10 m3/(h·人)，即文献[4]和文献[5]所规定的新风量标准基本上是一致的，但比文献[1]要求低。

2. 2 旅客乘坐时间长短的影响

城市和市郊轨道车辆空调的标准规定，旅客行程时间应不超过1 h；而超过1 h时，需要采用干线铁路车辆用空调标准[9]。

文献[9]对客车运行时间的划分，考虑了旅客乘车的舒适性。对于短途旅客而言，因为乘车时间和站间距均较短，且到站开关车门时车内外空气进行交换，不存在新风不够而缺氧的问题，旅客乘车舒适性也不会受到太大的影响。而长途旅客乘车时间和站间距均较长，到站开关车门时间有限，基本上靠空调系统通风解决新风换气问题，因此长途旅客列车空调的新风量应满足旅客呼吸换气的要求。

我国轨道车辆空调亦应按照旅客行程时间的平均值是否超过1 h来区分。行程时间超过1 h可认为是长途旅行，新风量可按照文献[1-3]执行;如果行程时间不超过1 h可认为是短途旅行，新风量按照文献[6]执行。

3 列车供电能力的影响

轨道列车的主要用电设备包括牵引、制动、控制、空调、照明、电开水炉和通信信号等，其中牵引用电是主要用电部分，其他设备用电称为辅助用电。据有关运用部门统计，辅助用电约占列车全部用电的30%，而空调系统用电占辅助用电的80%以上，即空调能耗占列车总能耗的24%以上。

在空调机组热负荷计算中，当设计工况外温为35 ℃、相对湿度为60%时，人均新风量按照15 m3/h计算，新风负荷占全车热负荷的33%；如果将新风量提高到20 m3/(h·人)，新风热负荷将增加11%，空调机组用电量约增加5%，列车总耗电将增加1.2%。

对于在干线铁路运输的长途旅客列车而言，电网供电分区进行。在一个供电区内一般只有一列列车运行，因此当人均新风量增加到20 m3/(h·人)时，列车耗电增加1.2%，不会对线路供电电网产生太大影响。如果是内燃机车供电，耗电增加对内燃机车仍然存在一定影响。

对于地铁和市郊轨道客车而言，如果一条线路长30 km，设列车全程运行时间为30 min，早晚高峰发车间隔2 min，这样线路上将同时有15列列车运行，如果每列列车总耗电增加1.2%，线路负荷将增加18%，对电网供电的稳定性会产生较大影响。因此，增加新风量不单纯是空调系统的问题，对列车和线路电网供电都会产生影响，故在线路设计时就应预留有充分的供电余量，否则在既有线上很难对其实现改造。

4 现有轨道客车空调新风量

4. 1 长途轨道客车

长途轨道客车一般不考虑超员的情况，如25T型硬座车设计座席118个，配备2台KLD29型空调机组，每台空调机组的总送风量为4 500 m3/h，其中新风量为1 500 m3/h，每辆车可送入新风3 000 m3/h，如果按照定员118人计算，人均新风量为25.4 m3/h；如果客车出现10%的超员，达到130人，人均新风量仍有23.1 m3/h，满足文献[1-3]的要求。

4. 2 地铁和市郊轨道客车

在计算地铁和市郊轨道客车正常载客时，文献[9]规定座席为满员，所有站立区按2人/m2计算，得出正常载客量(PC1)。比如某城市地铁客车的车内长度为18.8 m,车内宽度为2.46 m，其中座席数44个，站立面积为35.7 m2,如果按照2人/m2计算，站立人数为71人，加上座席人数共115人，因此PC1为115人。

考虑仅通风时的最大新风量应以此人数乘以文献[6]规定人均新风量不少于20 m3/h，即全车新风量应不少于2 300 m3/h。如果该车站立人数按照4人/m2计算，站立人数为143人，加上座席人数共187人，此时得到满员载客量(PC2)。如果按照文献[7]规定人均新风量不少于12.6 m3/h计算，新风量应不少于2 356 m3/h。

如果该车站立人数按照6人/m2计算，站立人数为214人，加上座席人数共258人，此时得到超员载客量(PC3)。如果按照文献[6]规定人均新风量不少于10 m3/h计算，新风量应不少于2 580 m3/h时。当该车空调系统设计新风量不少于2 580 m3/h，可以满足PC1、PC2和PC3的要求，同时也满足文献[1,7,9]的要求。

5 结语

通过对标准规定的轨道客车空调系统新风量以及从卫生角度对轨道客车空调新风量进行分析，并对现有轨道客车空调系统设计新风量进行计算对比，认为我国现有标准规定基本上是合理的，但是要区分长途和短途运输的差异。

在进行轨道客车空调系统新风量设计时，首先应考虑满足旅客呼吸和舒适度的基本需要，即保证车内CO2体积分数≤0.15%的要求，同时应满足无制冷纯通风时人均新风量20 m3/h的要求。

对于长途轨道客车可按定员人均新风量不少于20 m3/h设计，具体运用时可根据外温进行适当调节，既要保证旅客乘坐舒适度，又要考虑电网供电、空调制冷和制热能力及节能的需要。

对于地铁和市郊轨道客车，需考虑PC1、PC2和PC3的要求，通过计算取以上3种情况的最大新风量进行空调系统设计。对于A类车[9]，正常情况下人均新风量应不少于15 m3/h，有制冷或制热需求时新风量可降低为不少于10 m3/h；对于B类车[9]，正常情况下人均新风量应不少于12 m3/h，有制冷或制热需求时新风量可降低为不少于8 m3/h。新风量设计时还需注意地铁和市郊轨道客车运输高峰期载客量可能处于PC3状态，低峰时载客量可能达不到PC1状态。因此，为了节约能源，地铁和市郊轨道客车空调系统可考虑根据实际载客量对新风量进行调节。

轨道客车空调新风量既与旅客乘车舒适度有关，又与电网供电能力、节能等因素有关，在轨道客车空调新风量设计时应充分考虑这些因素。