广佛线列车客室CO2浓度控制空调新风门开度的研究

黎 灯,黄伟生

（广州地铁集团有限公司,广东 广州 510200）

0 引言

目前广佛线列车空调系统采用列车载荷信号控制空调机组新风门开度，从而控制列车客室内的新风量。但列车载荷信号仅为AW0、AW1、AW2、AW3四个等级，导致空调新风量控制不连续且存在一定局限性。该文通过对列车客室CO2浓度的研究，创新式提出直接采用客室内CO2浓度控制空调机组新风门开度的方式，从而控制客室新风量，达到改善客室CO2浓度的目的，同时又能降低空调机组的能耗，为城市轨道交通地铁车辆空调系统控制客室内新风量提供新的研究方向及理论依据。

1 广佛增购车空调机组新风量控制原理

空调在正常运行模式下，空调控制系统能够根据TCMS发送的载客量信号对新风量进行自动调节。根据广佛增购车空调新风门开度控制方式，当车厢载荷为AW1及以下时，该节车新风门开度为30%、当车厢载荷为AW1时，该节车新风门开度为60%、当车厢载荷为AW2时，该节车新风门开度为100%。空调正常运行模式下，每个机组的新风量不低于1 300 m³/h；紧急通风模式下，每个机组的新风量不低于2 125 m³/h。当新风控制系统故障或与车辆通信故障、载荷信号故障时，新风门打开至全开状态。

2 广佛线正线列车客室CO2浓度现状

根据《客车空调设计参数》（TB1951—87）[1]客车空调装置须满足下列卫生条件：客室内空气中CO2的容积浓度不大于0.15%，即1 500 PPM。根据前期的测量结果，当载荷为AW1-AW2时，客室内CO2浓度为900~1 302 PPM，当载荷为AW2-AW3时，客室内CO2浓度为1 239~1 466 PPM，广佛线正线列车客室内CO2浓度含量总体偏高。

3 原因分析

根据上面测量情况，CO2浓度较高的区间集中在金高—沥滘，根据列车结构及空调系统控制方式，分析主要原因为车厢内新风未能跟随乘客量及时补充，其次广佛线列车车门为微动塞拉门，车门关闭后整个车厢的密封性较好，而CO2比空气重，CO2处于车厢中下层空间，当乘客较多时，客室空气流通性较差，导致乘客产生的CO2难以通过废排风机快速排出，致使广佛线列车正线客室CO2浓度出现较高现象。

4 CO2浓度控制新风门开度方式测试

4.1 客室CO2浓度监测原理

在空调机组中回风侧设置空气质量监测盒，采用DC24V供电，可检测CO2浓度数据并通过RS485通信上传至空调机组内部主控板，主控板将数据上传至控制柜中的车控器，车控器再将数据上传至TCMS网络。

4.2 客室CO2浓度控制新风门开度原理

新风阀的开度根据CO2浓度检测值进行调节控制，控制方案见表1，为避免频繁切换，在控制时设置一定回差：

表1 客室CO2浓度控制新风门开度方案

（1）当检测到CO2浓度处于上升趋势且低于700 PPM时，新风阀开度为1/3。

（2）当检测到CO2浓度处于上升趋势且处于700~1 100 PPM 之间时，新风阀开度由1/3 改为2/3。

（3）当检测到CO2浓度处于上升趋势且超过1 100 PPM时，新风阀开度由2/3改为全开。

（4）当检测到CO2浓度处于下降趋势且处于600~1 000 PPM 之间时，新风阀开度由全开改为2/3开度。

（5）CO2浓度处于下降趋势且低于600 PPM时，新风阀开度调整为1/3。

（6）当监测装置失效时采用载荷控制新风阀方案。

4.3 CO2浓度、载荷控制方式对比分析

为研究广佛增购车客室CO2浓度控制空调新风门的可行性，将GF069070车69单元空调软件升级为V1.6版，70单元车的空调软件保持V1.4版。69单元空调机组的新风门开度优先采用客室内CO2浓度控制，70单元空调机组的新风门开度直接采用载荷控制。为排除2节相邻车厢内CO2浓度可能互相影响的因素，通过正线测量GFA069车、GFA070车客室CO2浓度，对比分析2节车客室空调新风门不同控制方式下的CO2浓度及空调能耗。

4.3.1 GFA069车客室正线CO2浓度控制新风门开度测试

采用CO2浓度控制空调新风门开度的车厢内同一时间内不同测量点的CO2浓度分布较均匀，随着载荷量的增大，客室内CO2浓度也逐渐升高。

为进一步研究CO2浓度控制空调新风门开度的可靠性，读取GFA069车当天的空调数据，查看GFA069车正线测量CO2浓度时间段内新风门打开情况。由于客室内CO2检测装置安装在回风口上方，距离地板面高度已超过1.7 m，为更加真实地反映新风门的开度情况，因此选取距离地板面高为1.7 m的位置正线人工测得的客室CO2浓度数据与同一时刻的空调数据对比，如表2所示。

表2 人工测量数据及列车检测装置检测数据

正线人工测量的CO2浓度基本高于空调CO2浓度检测装置的数据，除去个别数据不准确外，人工测量的CO2浓度所对应的新风门应该打开的开度与空调CO2检测装置数据对应的新风门开度基本一致。空调CO2检测装置数据所对应的新风门开度与当前载荷下新风门应打开的开度基本一致，但载荷处于AW1-AW2之间时，随着客室乘客增多，CO2浓度的上升，新风门开度也由2/3开度打开至全开状态，目的是增加客室新风量，降低客室CO2浓度。当载荷由AW1-AW2变为AW2-AW3时，CO2浓度控制方式能提前使新风门打开至全开，达到快速降低客室内CO2浓度的目的。因此采用CO2浓度控制新风门开度时，新风门开度优先随着客室CO2浓度变化而变化，不受载荷的影响，控制方式较为灵活。

4.3.2 GFA070车客室正线载荷控制新风门开度测试

采用载荷控制空调新风门开度的车厢内同一时间内不同测量点的CO2浓度分布较均匀。

为进一步研究载荷控制空调新风门开度的合理性，读取GFA070车当天的空调数据，查看GFA070车正线测量CO2浓度时间段内新风门打开情况。当客室内CO2浓度处于600~924 PPM，对应的载荷为AW0-AW1，空调机组新风门的开度仅为1/3；当客室载荷为AW1-AW2时，客室内的CO2浓度基本在1 000~1 273 PPM，此时新风门开度仅为2/3。对比新风门开度由客室CO2浓度控制的GFA069车，当2节车同样处于AW0-AW1时，GFA070车客室CO2浓度比GFA069车高，且GFA069车空调新风门开度能打开至2/3开度以增加客室新风量；当2节车同样处于AW1-AW2时，GFA070车比GFA069车客室CO2浓度略高且GFA070车空调新风门开度仅为2/3，而GFA069车空调机组能根据CO2浓度变化将新风门开度由2/3调节至全开，达到增加客室新风量，提升客室空气质量的目的；当GFA070车载荷由AW1-AW2变为AW2-AW3时，载荷控制新风门方式虽能将新风门打开至全开，但随着载荷的增大，仍无法有效降低客室内CO2浓度，对比GFA069车CO2浓度控制方式，当GFA069车载荷为AW1-AW2时，新风门就已提前打开至全开，为客室内提供更多的新风量，即使载荷增加至AW2-AW3，也能有效降低客室CO2浓度。

5 两种新风门控制模式下的空调能耗对比

由于GFA069车的空调机组优先采用客室内CO2浓度来控制新风门开度，对比GFA070车空调机组新风门开度直接由载荷控制的方式，两种控制方式下，在列车处于不同工况时，2节车客室新风量有所不同，空调机组的能耗也有所不同。因此选取GF069070车在2021年3月、4月及5月不同日期空调能耗数据进行对比，如表3所示。

表3 GF069070车空调耗电量

从表3可以得出，从3—5月，由于室外温度逐渐升高，因此空调的耗电量也随之增加。对比69单元与70单元空调的耗电量，2个单元车空调机组的耗电量总体相差不大。在空调不同工况下70单元车空调耗电量比69单元最大高出6.6%的电量，平均比69单元车高出3.7%的电量。可以得出，69单元的空调能耗略低于70单元空调能耗。因此，在空调不同工况下，采用客室CO2浓度控制新风门开度的方式比载荷量控制新风门开度的方式更加节能。

6 结论

综上所述，通过对GF069070车两种不同的新风门控制方式的分析及能耗对比分析，空调机组新风门开度采用客室CO2浓度控制时，对比载荷控制新风门开度方式，当列车处于AW0-AW1或AW1-AW2载荷时，CO2浓度控制方式能更有效地根据客室CO2浓度来调节新风门开度，在列车当前的状态下使新风门开度提前打开到更大值，增加客室新风量，提升客室舒适度。从空调能耗上看，在空调各种工况下，采用客室CO2浓度控制新风门开度的方式略微节能。因此，广佛线增购车采用客室CO2浓度控制空调机组新风门开度的方式比载荷控制空调机组新风门开度的方式更加合理。