悬挂式空轨车辆空调系统设计与研究

张 丽，赵维恒，何 川，徐 铭，王 磊，郭海龙，王 昭

（1 中唐空铁科技有限公司，成都 610207；2 成都朗进交通装备有限公司，成都 611430；3 山东朗进科技股份有限公司，山东莱芜 250022；4 株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

目前国内悬挂式空轨列车主要应用于旅游示范线路。对于旅游专线，悬挂式空轨列车在完成游客运输任务，为游客提供感受当地风光的第一视觉窗口外，满足游客舒适性体验同样也很重要。

旅游淡旺季，车厢内游客人数负荷变化非常大，想要适时满足不同时节游客舒适度感受，这就要求悬挂式空轨车辆能够对车厢内环境进行自适应调节［1］，最大程度地为旅客提供优质的乘车体验。车厢内环境调节主要依赖于车载空调系统，由于国内暂无悬挂式轨道交通相关统一标准出台，国内既有为数不多的悬挂式空轨车辆整车功能需求和配置基本参照城市轨道交通车辆，其车载空调系统的设计仍沿用传统城市轨道交通车辆模式，例如：车载空调控制系统仍配置独立的空调控制盘（集成微控制器）；车辆紧急通风工况仍单独设置紧急逆变器驱动空调机组的通风机；车辆废排装置采用独立配置安装；客室送风风道主体仍采用铝合金材质等。然而，按传统城市轨道交通车辆的思路设计空调系统，实际上很难真正匹配和满足悬挂式轨道交通这种制式对空轨车辆更高轻量化、集成化等实际需求。因此，综合悬挂式空轨交通制式的特点及其对车辆切实需求的分析，针对性地设计研发一套适合悬挂式空轨车辆的车载空调系统。

文中将对比现有技术，对该悬挂式空轨车辆空调系统的研发设计进行论述。

1 空调系统设计参数[2]

1.1 车辆参数

编组形式： =Mc+Mc=

最高运行速度： 60 km/h

额定供电电压： DC 750 V

控制系统额定电压：DC 24 V

1.2 空调通风性能需求

制冷特性：正常运行（AW2），车外温（湿）度35℃，63%RH；车内温（湿）度27℃，65%RH［3］。

制热工况：正常静止（AW0），车外温度-2℃；车内温度不低于18℃。

空调机组制冷剂采用新型环保制冷剂；EER不低于2.2，COP不低于1.9。

空调系统有紧急安全设计，每台空调机组紧急通风量不低于1 000 m3/h，且紧急通风时间不低于30 min。

空调系统在正常情况车辆所有门均关闭时，确保客室车厢压力在10~50 Pa之间。

2 空调机组设计

2.1 方案设计限制因素

常规城市轨道车辆系统大型车载设备一般布置于车辆底架安装，若采用弓网受流的地铁车辆，车顶主要设备也仅安装受电弓、高压设备、空调机组，空调机组安装可用空间限制相对较为宽松，很大程度上降低了空调机组的设计难度。悬挂式空轨列车车载设备布置有别于其他轨道车辆，考虑车辆运行线路安全、车载设备维护性等因素，车辆底架区域不安装任何设备，整车设备布置主要集中于司机室、车顶和客室内。车顶主要安置VVVF、SIV、ADU、BR、BAT等大型主机设备箱，同时车顶空间还需预留转向架安装和车顶电气分段连接等安装维护空间，导致车顶能够预留给空调机组安装的空间极其有限；且因悬挂式列车运行线路限界约束，车顶设备上表面与轨道梁下表面之间必须满足距离≥260 mm的安全维护空间，这更加增大了空调机组设计的难度。

考虑到旅游线路特色、旅游旺季客运量和游客乘坐观光体验等需求，客室采取简约大视野的美工布局，因此车内无电气柜布置，无合适空间安装空调控制盘、紧急逆变器等设备。

2.2 方案设计

基于车辆现有安装空间限制条件，需研发设计一款高集成度单元式空调机组，如图1所示，才能满足悬挂式空轨车辆的需求。

图1 高集成度变频热泵型单元式空调机组

空调系统采用变频热泵型单元式空调机组，可根据采集到的车载负荷信号自动调节频率，实现制冷或制热能力自适应调节，保证在任何工况下实现空调机组的最大制冷、制热能力输出；采用变频技术，与传统定频空调相比，夏季节电率可达30%。

空调系统电气控制采用一对一变频器控制设计，压缩机、冷凝风机、通风机分别采用独立变频器对应控制。通风机采用DC 24 V直流风机，取消传统城市轨道交通车辆中紧急通风逆变器配置，在车辆进入紧急状态时，通风机由列车紧急供电母线直接供电，在提高车辆空间利用率的同时有效降低空调系统故障率；车辆废排方案并不按照传统设计模式单独设置废排装置安装，而是选用低噪声轴流式风机安装在空调机组废排风口处，采用主动式废排方式，通过废排风机工作，将客室内废气排出，减少了车辆的安装接口，简化了独立废排装置的后期维护工作。

悬挂式轨道交通对车辆轻量化设计需求极高，综合考虑成本因素，空调机组外壳采用铝合金材质，喷漆处理，最终产品实际称重为315 kg，比传统选用不锈钢材质方案实际降重约为40%。

受车辆与轨道梁间安全距离限制（≤260 mm），空调机组外壳不采用常规翻盖铰链结构设计，而是根据空调维护区域不同进行盖板分体式设计，有效避免车辆在轨道梁下方时，整体式翻盖结构维护困难的情况，提高了空调机组维护的可操作性。各盖板与机组之间采用特殊密封连接安装，机组整体进行淋雨试验，满足车辆对空调机组IP等级要求。空调机组设计方案对比见表1。

表1 空调机组系统配置设计方案对比

3 通风系统设计

3.1 车厢均匀送风设计

客室风道的布置设计直接影响车厢内温度场、湿度场、风速场以及车内噪声等环境。常规轨道交通车辆客室风道主要结构采用定截面条缝式静压均匀送风设计，且为单条风道送风，其主体材质采用铝合金+外包防寒材。对比悬挂式空轨车辆的内装布局、设备布置方案、通风需求、轻量化要求、可利用空间等因素，无法采用常规风道结构设计，需要根据车辆存在的限制条件重新进行方案设计，本项目客室风道最终方案采用变截面条缝式静压均匀送风风道形式，风道主体为2条左右对称结构的客室风道，如图2所示。经车顶空调机组处理后的空气由机组2个出风口分别接入客室左、右侧风道，再通过风道下部送风口向客室进行送风，安装布置如图3所示。

图2 客室风道组成

图3 通风系统安装布置示意图

由于客室内安装空间极度受限，在保证风道机械性能和使用性能的前提下，风道摒弃铝合金+外包防寒材的方案，风道主体采用6 mm的纤维增强防火泡沫板，该材料在平均温度25℃时，导热系数≤0.032 W/（m⋅k），单位面积质量≤1 kg/m2；吸水率≤1.6（测试方法GB/T 1034），且满足EN 45545-2中R1项HL3等级要求。在满足通风系统设计要求的基础上，针对风道内部结构不断优化，最终产品实测质量远远小于最初车辆预分配的轻量化设计指标（≈70 kg），其中，右侧风道实测质量为24.73 kg，左侧风道实测质量为24.66 kg，实际降重约为29.44%，保证风道性能的基础上极大限度满足悬挂式轨道交通对车辆设计轻量化的要求。

3.2 司机室送风设计

常见的轨道车辆司机室送风主要有2种方式：司机室空调和司机室通风单元。悬挂式空轨车辆由于自身车体结构小，车辆系统功能齐全，故所有车载系统设备及零部件的安装，必须高效优化空间使用率。综合考虑，司机室送风不采用常规设计方案，其送风主要由客室风道引出的送风软管，将空调送风引入司机室内。

3.3 回风与排风设计

空调回风口设置在机组底部，通过内装结构上预设的回风孔、以及内装罩板和相关内装结构接缝的缝隙回至机组内部。

司机室废气通过车体隔墙上预留孔排到客室，客室排风通过内装预设的回风孔排出车厢内，排风的一部分作为回风进入空调机组，一部分被废排风机强行带出车厢，排至大气中。

3.4 通风系统气流组织分析及验证

综上，悬挂式空轨车辆通风系统气流循环逻辑如图4所示，气流组织分析如图5所示。

图4 通风系统气流循环逻辑示意图

图5 气流组织分析示意图

搭建地面试验台对空调机组和风道进行地面匹配通风试验验证，如图6所示。试验前所有准备参数均与悬挂式空轨车辆安装设计要求一致。经过现场试验验证，风道与空调、风道与车体、风道与风管的接口匹配及出风测试结果，均符合悬挂式空轨车辆通风系统设计要求。

图6 空调机组和风道地面通风试验台

4 控制系统设计

4.1 控制方案

空调机组主要电气设备均采用独立控制设计，压缩机、冷凝风机、通风机分别采用独立变频功率IPM模块控制，可实现过欠电压、过电流、过热等保护功能，有效防止负载非正常工作，防止空调机组出现故障时干扰其他设备的正常运行。

空调系统与车辆网络接口设计，主控网络为MVB，维护网络为以太网。空调系统通过MVB与列车网络进行通讯，可在DDU上显示和查询相关信息；更深层数据/信息的获取，可使用PTU通过空调控制器以太网接口进行下载，也可通过以太网接口实现对空调控制系统的软件升级、调试、在线测试等。网络接口拓扑图如图7所示。

图7 车辆网络接口拓扑图

DDU显示界面设有“停止”、“通风”、“预冷”、“制 冷”、“预 热”、“制 暖”、“自 动”等 模 式 选 择，如图8所示。TCMS通过列车总线对空调模式进行设定，实现空调的正常运转控制。

图8 DDU空调状态显示示意图

4.2 紧急安全控制

所有轨道交通车辆，紧急安全设计都必不可少，悬挂式空轨亦如此。当空调三相供电网络出现故障时，为保证乘客舒适度，空调系统自动切换至紧急通风模式。当列车主电源故障或空调控制器故障等情况下紧急通风模式也将会启动。

当空调三相供电恢复或紧急通风达30 min后，紧急通风模式将自动停止。在这关键的30 min内，是对车辆进行紧急异常处理或施加救援的最佳时机，与此同时为乘客提供一个良好的通风环境，缓解乘客焦虑亦是轨道交通发展的人性化设计趋势。

4.3 站台噪声污染控制

悬挂式轨道交通独特之处，是运行线路采用高架线形式，车辆悬吊于轨道梁下方行驶。由于轨道梁一直处于车辆正上方，悬挂式空轨列车进站，站台处并无类似地铁站内空调井等设施，车辆进站后若冷凝风机一直处于高频运行状态，相对列车运行在空旷线路上，站台内噪声感知情况较为明显。

为解决此问题，列车进站时，通过TCMS将进站信号发送给空调控制器，控制冷凝风机低频运行。这样既保证乘客上下车时有冷（热）量输出，也达到了列车进站降噪的目的。列车出站后，运行环境逐渐空旷，此时TCMS给空调控制器发送出站信号，空调控制器收到出站信号后，空调机组即时恢复进站前的工作模式，有效降低列车进站对站台内乘客造成的噪声污染。

5 悬挂式空轨车辆空调系统发展探讨

（1）空调机组与SIV集成一体化设计，将SIV辅助逆变功能融入到空调机组设计中，整车不再单独配置独立的SIV，直接利用空调机组给整车供电，不仅减少车载设备间的电气接口，简化车辆电气布线工艺，降低整车电源购置成本，还满足了悬挂式空轨车辆轻量化设计需求，有利于整车设备布置和配重设计。

（2）悬挂式空轨列车在空中为全封闭空间，确保乘客安全是首要任务。车辆对烟火安全的探测设计要求极为严格，烟火探头数据采集依赖于车载空调系统回风气流，空调系统可将智能烟火探测系统有机结合，有效提高火灾探测预警准确性。

（3）空调机组主框架结构采用新复合材料替代金属材料。例如：碳纤维复合材料，其使用寿命、抗磁性、绝缘性均优于金属材质。碳纤维复合材料相对密度不足钢的1/4，强度约为钢的4倍，相同设计结构，碳纤维与不锈钢材料壳体相比，质量可减轻约65%，绝对满足悬挂式轨道交通高度轻量化设计需求。

（4）空调系统与PIS、照明系统交互糅合设计。PIS系统将车厢温度分布情况进行可视化显示，提醒乘客根据自身需要选择合适的乘坐区域；照明系统可根据空调系统不同工况状态，进行不同的变色动态显示照明，让乘客从视觉上第一时间感知车厢环境的变化，也将是一种超常规的体验。

6 结语

悬挂式轨道交通在国内作为一种新制式轨道交通［4］，正在逐渐成长起来，未来最终发展趋势我们拭目以待。悬挂式空轨车辆空调系统也将充分结合其发展进程中的新需求、新理念，随之演变出多样化的产品来适应悬挂式轨道交通的发展，优化和弥补过去传统轨道交通车辆空调系统技术上的不足和缺陷，满足行业的发展。