基于B型地铁的空调通风系统设计

杨延龙 刘保生 王 岩

基于B型地铁的空调通风系统设计

杨延龙 刘保生 王 岩

（中车大连机车车辆有限公司 大连 116022）

空调系统的送风舒适性是衡量地铁性能的重要指标。为了达到乘坐的舒适性，需要将温度、风速均匀性控制在合理的范围内。通过对地铁车辆参数、运用环境等方面进行分析，设计了某地铁项目的空调通风系统。运用计算流体动力学技术，创建了客室的三维模型及风道系统模型，模拟客室内流场，得到空载和满载状态下坐姿、站姿头部风速场和温度场的分布情况。模拟验证了：环境温度＋33℃时，保证满载状态下，客室内温度不高于＋28℃。气流均高于0.07m/s，距地板面1.7m处的平均微风速在0.3～0.5m/s范围内。将设计方案于真实的地铁车辆上进行了空载状态下温度、湿度和风速的测试。实测结果与模拟计算相近似。研究结果对地铁车辆的设计有着指导意义。可推广出适用于B型地铁车辆的空调通风系统设计平台。

空调通风系统；气流组织；模拟仿真；实车验证；平台化

0 引言

地铁具有速度快、载客量大、无排放污染、乘坐舒适等优点，目前全球已有百余城市建造了地铁[1]。国内各级城市依照国务院批复，积极开展地方地铁建设。随着社会的发展，乘客会对舒适性出更高的要求，其中空调通风系统就显得尤为重要。地铁客室内气流组织主要受送风速度，送风温度，送风湿度，送风角度，送风口布置，热源分布等众多因素影响[2]。通过建立地铁客室和风道系统等数学模型，对温湿度场、风速场的均匀性进行模拟，以提升气流组织的效果，达到舒适性。为乘客营造高品质的乘坐环境[3]。

大连交通大学的王斌通过三维建模分析了风道内部气流组织变化规律，并在车厢内加入了人体模型，通过客室内具有代表性位置的气流组织分布和环境温度进行分析，来评估空调系统、风道系统的性能。还对满载状态下客室之间进行了模拟，分析两车之间贯通道处受流场和温度场的影响情况[4]。中南大学的李超等人采用流体软件建立计算模型，分析人体与环境之间的气固耦合散热问题，优化客室内的气流组织[5]。于淼、王东屏等通过对人体的散热、地铁结构的壁面传热等进行了模拟研究，采用调整送风口数量改善出风均匀性[6]。综上，目前学者多是进行理论研究，关注影响客室气流组织的各种因素，如：人体散热及与环境之间的耦合散热；相邻两客室之间的气流组织；地铁结构的壁面对传热的影响。但缺少理论向实践转化的应用案例。而且理论中采用了很多经验公式及计算模型简化，难免造成与实际结果的差异。

通过以往地铁项目中空调系统设计积累的经验，结合地铁车辆参数、环境等信息，针对国内某个地铁进行方案设计，并采用计算流体动力学对客室内部气流组织的模拟，最终采取在地铁车辆实车上对客室内部温湿度场、风速场测试验证。

1 空调通风系统设计

1.1 地铁车辆参数

常规的B型地铁均采用6节编组，编组如下：

Tc—Mp—M—M—Mp—Tc

其中，Tc为拖车；Mp为带受电弓的动车；M为动车。Mp与M车客室两侧均设置四套车门系统，并有3组大窗，两组小窗。Tc车的配置与Mp及M车基本类似，但Tc车一位端增设了司机室，司机室两侧配有司机室车门系统。基本参数及载客能力如表1所示。

即为乘客提供良好舒适的环境，又达到节约制冷时的能量能耗。根据国家标准的要求，空调机组的制冷能力达到满足额定载荷人数（AW2）的制冷量即可[7]。

表1 基本参数及载客能力

1.2 空调系统设计

地铁车辆空调通风系统由空调机组、风道系统、废排装置构成。通过地铁客室顶部配置的两台空调机组和4台废排装置，形成内部的气流组织，为了利于保证车辆内温度场、风速场分布的一致性。将空调机组分别设计在整车的1/4及3/4位置，如图1所示。

图1 空调机组、废排装置布置及气流组织图

1.3 风道系统设计

根据地铁运用的特殊性限制，送风道布置在客室顶部内装中，通过内装顶板的送风格栅将新风送入到客室内。综合考虑能耗，空调在制冷工况，均采用空调回风模式。客室内的回风气流较废排的排风对气流组织影响更为明显。客室内较优的气流组织方式应为上送风，下回风的方式，但回风的阻力偏大，易出现贴壁现象。因此，现有地铁多采用上送风，上回风的气流组织形式[8]。

新风与回风在空调机组内充分混合并经冷却后，经空调内部的送风机送入送风道，通过风道系统内接口处的分风板和导流板后，冷却气流从主风道上条缝式的出风口送入到静压腔内。在静压腔稳定后由中顶的格栅送入到客室内，风道组成如图2所示。如此，气流再次从客室回风口被空调机组重新吸入，完成客室降温的循环过程。

1—送风口；2—主风道；3—出风口；4—静压腔

综合考虑生产便利，风道采用规则矩形，沿着车辆对称布置，Tc车风道总长度为16540mm，Mp/M车风道总长度为17760mm，宽度均为500mm。Tc车出风面积为2.5m2，Mp/M车出风面积为2.9m2。每节客室均设置两个尺寸为254mm× 1100mm的回风口。

2 空调通风系统流场计算

2.1 地铁车辆模型

为了便于进行模拟分析和计算，应对客室进行简化，仅保留对结果有贡献的参数。采用Hypermesh软件进行网格划分。由于风道模型在末端的出风口处存在通孔出风的情况，网格划分具有一定难度。因此按不同的部分进行网格划分，详见图6所示。其中两个风道组成部分网格共264万，客室内网格1025万，总计1289万网格，最大扭曲均小于0.96，网格质量良好，如图3所示。

图3 车辆模型网格图

2.2 空调通风系统模拟分析

由于地铁客室结构及风道均对称，在计算中可仅选取一半。边界参数如表2所示。

表2 边界参数表

2.2.1 空载状态下客室的速度和温度

（1）室地板面1.2m处风速速度及温度图（空载），如图4所示。

图4 客室地板面1.2m风速速度及温度图(空载)

如图4，距地面1.2m处的人体坐姿头部位置截面，绝大部分气流速度为0.12m/s。小部分0.7m/s，由于送风口与回风口的布置位置，小区域会出现风速稍大的情况，最大风速1.45m/s，但从云图分析，不均匀的区域占比微小。模拟的情况基本满足空气流速的要求。

在送风温度为20℃的情况下，距地板1.2m处，客室温度较为均匀。客室内仿真计算结果客室平均温度为21℃。客室内温度满足设计要求。

（2）客室地板面1.7m处风速速度及温度图（空载），如图5所示。

图5 客室地板面1.7m风速速度及温度图(空载)

如图5，距地面1.7m处人体站立时头部截面，大部分区域气流速度为0.1m/s，小部分1.33m/s，小区域会出现气流速度较大的情况，最大风速2.42m/s，但从云图分析，不均匀的区域占比微小。由于1.7m距风道出风口较近，所以风速较1.2m处大。模拟的情况满足空气流速的要求。

距地板1.7m处，客室温度分布较为均匀。计算结果客室平均温度比距地面1.2m处平均温度小，为20.5℃，客室舒适区温度满足设计要求。

图6 客室气流整体速度矢量图

图6是地铁客室气流速度矢量图，从图6中可以看出，客室中间区域出风口处速度相对较高，整体呈现向下的气流。在客室长度方向和高度方向上存在风速不均的情况，在同一水平面上送风口处流速比较大。在客室高度方向上，距客室顶部近的地方气流速度较大，远离客室顶部处气流动速度减小。但从整体方面能够达到证客室气流的均匀分配。

2.2.2 满载状态下客室的速度和温度

客室中的速度分布，图7～图10是客室的速度矢量分布，满足在人体周围气流速度约为0.3～0.5m/s的舒适性要求。

图7 送风口处速度矢量图

图8 回风口处速度矢量分布图

图9 中部送风口处速度矢量图

图10 前端截面的速度矢量图

图11 客室内多个位置横截面的速度矢量分布

通过图11可分析出，从整体上客室内的各断面风速速度满足设计要求。

客室中的温度分布，人体与空调机组向客室内的送风进行热量交换。图12是客室送风口位置纵向截面温度分布云图，由于送风口直接进入客室，所以温度较低。

图12 送风口处温度分布云图

图13 中部纵向截面温度分布云图

从图13分布云图中看，客室前端和后端人体周围的温度为26～28℃。满足设计要求。图14是客室前端温度分布的云图。从中可以看出，人体周围温度为28℃，满足设计要求。

图14 客室前端温度分布云图

图15 客室中部坐姿乘客周围温度分布云图

在图15中，由于此截面存在坐姿乘客的原因，所以温度相对低，乘客面前的温度为23℃。图16显示的是客室内多位置的温度分布。从整体上，客室内的温度比较理想。达到了设计规定的温度。

图16 客室内多位置温度分布

图17 室空气粒子运动轨迹

图17是客室的气流流动轨迹。客室中乘客为230人，由于人数较多，送风基本上在人体上部，到达人体下部位置，温度普遍增高到28℃。

图18、图19分别是乘客坐姿头部（1.2m）和站姿头部（1.7m）处位置的温度分布云图。从图中得出，由于乘客的原因，车辆下半部温度普遍增高到28℃。客室前端温度，约28℃，中部温度约22～23℃，均满足设计要求。

关于政府公信力的界定，朱光磊、周望将其定义为“政府在施政过程中通过合理、有效地履行其功能和职责而取得公众信任的能力”，认为政府公信力是执政能力的重要组成要素, 长期积累下来又发展成为政府的一种执政资源，一种软实力和巧实力，其主要来源为政府的主动作为。[8] 此次自媒体平台中有关泸县T中学事件的网友留言一定程度上彰显了网民对于政府部门的不信任态度。 同时，T中学事件中出现的各种谣言，以及地方政府起始的简单应对策略，一定程度上削弱了政府公信力。

图18 乘客坐姿头部(1.2m处)温度分布云图

图19 客室站姿位置头部(1.7m处)温度分布云图

2.3 客室通风系统模拟结论

对地铁车辆空载和满载的状态下进行模拟分析。空载状态下，乘客坐姿头部（1.2m处）温度为21℃，乘客站姿头部（1.7m处）温度为20.5℃；满载状态下，受客室内部乘客的影响，客室下半部温度普遍增高到28℃。客室前端温度，约28℃，客室中部温度约22～23℃。在满载的状态下乘客周围的风速在0.3-0.5m/s左右，未出现“静态区域”，客室内的风速与温度的分布均能够满足在客室外环境温度为＋33℃时，能保证客室内温度不高于28℃的要求。并且温差不超过6℃。满足设计要求。保证了乘客身体感到舒适。

3 地铁客室通风系统测试验证

由于理论和实际情况可能会存在差别，良好的计算模型能够模拟客室气流组织和温度的变化趋势，计算结果是否准确，还需通过实际的地铁车辆进行客室送风的速度场、温度场和风量的测试。将检测和验收合格的空调机组、风道系统、废排装置根据施工图纸装配在地铁车辆上。

依据《CJ/T354 城市轨道交通车辆空调》标准中规定[9]，在客室内的中间及两端取3个测温截面，如图20、图21所示位置的截面1、截面3、截面5测试温度和湿度。并在标注所有五个截面测试风速。

图21 风速、温度和湿度的测试截面位置

由于风道系统存在风阻，因此空调机组出风量会受机外静压而发生变化，影响实际出风量。因此在进行温度、湿度和风速测试前，需要对组装完成的地铁车辆进行风量测试验证。

地铁车辆在组装后，客室内的扶手、吊环等设施会对出风口风量采集产生影响，根据空调机组送风量等于回风量与新风量之和，因此采用此方法求得空调机组的送风量。

空调机组设置在通风模式下，空调机组新风量如表3所示，回风量如表4所示。

表3 空调机组新风量测试数据

续表3 空调机组新风量测试数据

注：1.以地铁车辆靠近I位端的空调为1#空调，靠近II位置端的为2#空调；

2.地铁车辆关于纵向中心线对称，因此仅对空调机组的一侧测试新风量。

表4 空调机组回风量测试数据

Tc车实测总风量为8258m3/h，Mp车实测总风量为8401m3/h。空调机组与风道系统在车辆安装后的风量能够满足测试的需求，可以进行温度、湿度测试。测试时，地铁车辆外部环境满足测试的要求地铁车辆客室温度湿度测试结果，见表5。

表5 温度湿度测试结果

续表5 温度湿度测试结果

在外部环境33.7℃的情况下，实测的结果为：Tc车1.2m处平均温度22.35℃，1.7m处平均温度22.27℃；Mp车1.2m处平均温度21.92℃，1.7m处平均温度21.67℃。与本文的模拟分析结果：1.2m处平均温度21℃；在1.7m处平均温度20.5℃接近，满足设计要求。

采用风速仪在地铁车辆五个截面进行测试，测试结果见表6。

根据标准要求进行的测点，其微风速均高于0.07m/s的要求，并且1.7m处的平均微风速在0.4～0.5m/s范围内，满足设计要求。

表6 地铁车辆风速测试结果（单位：m/s）

4 结论

通过对典型B型地铁车辆特点分析，设计出在室外环境温度为＋33℃时，能保证客室内温度不大于28℃，相对湿度不大于65%的空调通风系统。采用有限元对空载和满载状态模拟分析，得出了客室内部的温湿度及风速分布情况。此设计方案于真实的地铁车辆上进行了空载状态下温度和风速的测试，加以验证空调通风系统设计效果，得到以下结论：

（1）通过数值模拟的方法分析了在空载和满载的状态下，设计的B型空调通风系统具有在外部环境温度为＋33℃时，能保证客室内温度不大于28℃，相对湿度不大于65%的能力。

（2）通过数值模拟的方法分析了在空载和满载的状态下，空调通风系统在运行时，气流速度均高于0.07m/s，未出现“静态区域”，平均微风速约为0.4～0.5m/s，乘客身体感到舒适。

（3）通过实车测试的方法测试空载状态下，地铁车辆温度和风速分布情况。在外部环境33.7℃的情况下，实测的结果为：Tc车1.2m处平均温度22.35℃，1.7m处平均温度22.27℃；Mp车1.2m处平均温度21.92℃，1.7m处平均温度21.67℃。Tc车1.2m处平均微风速为0.385m/s，1.7m处平均微风速为0.421m/s；Mp车1.2m处平均微风速为0.39m/s，1.7m处平均微风速为0.415m/s，均满足设计要求。

在实车验证时，测试点的风速均匀性良好，而在地铁车辆客室数值验证计算时，存在部分点风速过高的情况，但占比微小，或是网格划分引起的，但模拟与实车测试的结果趋势及分布情况非常近似。

（4）根据本文研究的空调通风系统，能够实现地铁的平台化设计方案，减少了新造地铁的设计周期，并大幅度减少了后期的验证时间。对地铁空调通风系统的设计有着一定的工程应用借鉴价值。

[1] 廖神德.上海地铁客室冬季热舒适与空气环境调查研究[D].上海:东华大学,2016.

[2] 刘静悦,张大林,纪兵兵.飞机座舱内空气品质计算[J].机械制造与自动化,2011,40(2):6-9,52.

[3] 李超,张成力.石家庄地铁3号线客室内气流组织的数值模拟及分析[J].制冷与空调,2016,30(2)153-157.

[4] 王斌.地铁车空调通风系统及车厢内流场数值仿真[D].大连:大连交通大学,2012.

[5] 李超,齐朝晖,盛思思.地铁车厢内气流组织的探讨[J].制冷与空调,2009(3)109-112.

[6] 于淼,王东屏,袭望,等.地铁车空调风道及车室内气流组织数值仿真[J].大连交通大学学报,2014,35(2):16-19.

[7] GB 7928-2003,地铁车辆通用技术条件[S].北京:中国标准出版社,2003.

[8] 易柯.地铁车厢内回风方式数值仿真分析[J].电力机车与城轨车辆,2012,35(2):12-15.

[9] CJ/T354-2010,城市轨道交通车辆空调、采暖及通风装置技术条件[S].北京:中国标准出版社,2010.

Design of Air Conditioning System Based on Type B Subway

Yang Yanlong Liu Baosheng Wang Yan

( CRRC DALIAN Co.,LTD, Dalian, 116022 )

The air supply comfort of air conditioning system is an important index to measure the subway performance. In order to achieve riding comfort, it is necessary to control the uniformity of temperature and wind speed within a reasonable range. The air conditioning and ventilation system of a subway project is designed by analyzing the parameters of subway vehicles and the application environment. Using computational fluid dynamics (CFD) technology,the three-dimensional model of the passenger room and the model of the air duct system were created to simulate the flow field in the passenger room,and the distribution of wind speed field and temperature field of the head in sitting and standing posture under AW0 and AW2 were obtained. The simulation verifies that when the ambient temperature is +33℃,the temperature in the guest room is not higher than +28℃ under AW2. The airflow is all higher than 0.07m/s,and the average breeze velocity at 1.7m away from the floor is within the range of 0.3～0.5m/s. The design scheme is tested on a subway vehicle in AW0 condition in terms of temperature, humidity and wind speed. The measured results are similar to the simulated calculation. The research results have guiding significance for the design of subway vehicles. The design platform of air conditioning and ventilation system for Type B subway vehicles can be popularized.

Air conditioning and ventilation system; Air distribution; Simulation; Real car verification; platform

U231.5

A

1671-6612（2021）02-225-09

杨延龙（1982.5-），男，工程硕士，E-mail：YYL0517@163.com

2020-08-19