城市轨道车辆空调回风方案对比研究

陶泓澈，赵杨坤，许 鹏

(1.广州轨道交通建设监理有限公司，广东 广州 510010；2.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062)

近年来乘客对城市轨道交通车辆内部舒适度的要求越来越高，对空调的温度调节需求也各不相同。因此应合理布置车辆空调的送风口和回风口,使空调机组外的空气通过送风口送入空调区域后,在与空调内空气混合、扩散或者进行置换的热湿交换过程中,均匀地消除空调区内的余热和余湿,从而使车厢内形成比较均匀的温湿度和稳定气流组织,以满足人体舒适度的要求[1-6]。

城市轨道车辆主流的气流组织方式有上送上回和上送下回，上送上回的方式在车内人员较多的情况下易发生回风短路。上送下回即通过车辆客室顶部送风，座椅下部回风，也称做大循环的方式。袁浩智等[7]对车辆上送下回方式通过侧墙回风的可行性进行了研究，结果表明采用侧墙回风，有利于提升乘坐舒适性。刘晶等[8]对地铁车辆室内气流组织影响因素进行了分析，上送下回的通风方式可改善送风短路。孙丽花[9]对上送上回通风方式空载和载人2种工况进行了对比，载人时送风短路明显。王彦鲁等[10]对空调系统能耗影响因素进行了研究，结果表明载客量和新风量对空调能耗影响较大。

目前对于城市轨道车辆上送下回气流组织方式是否采用专用风道缺少研究，因此本文通过风道模拟试验及理论分析，对比上送下回的送回风方式在车辆侧墙设置专用回风道和不设置专用回风道2种方案对整车回风量的影响，同时分析了同等送风量时对空调系统能耗的影响。

1 不同回风方式

1.1 气流组织

客室空调上送下回的送回风方式是在车辆顶板设置送风口，在座椅下设置回风口。客室内送风通过车顶送风格栅均匀送出，气流向下经座椅下回风口回到空调机组内，多余的回风通过废排装置排出。客室内回风道的布置直接影响到车内气流的流向和流速等，在送风风道相同的条件下，设置专用回风道和不设置专用回风道车内气流组织流向见图1。图1(a)中回风经过侧墙专用回风道进入空调机组，图1(b)中回风经侧墙自由空间进入空调机组。

图1 车内气流组织流向示意图

1.2 设置专用回风道

此种方式是在车上布置主风道和支风道，主风道上部与空调机组相连，设置送风口和回风口，风道下部送风口与客室送风格栅相连。支风道上部连接主风道回风腔，下部延伸至座椅下方的回风口。支风道利用车辆侧墙空间进行布置，车辆主风道和支风道的布置详见图2。

图2 设置专用回风道的风道模型

1.3 不设置专用回风道

不设置专用回风道是在座椅下方开回风口并安装回风滤网，并对车顶的格栅、灯带、侧顶板等部件接缝进行适当密封，使回风从座椅下方进入侧墙板与车体之间的空腔后进入空调机组回风口。废排风道的排风路径与回风相似，通过废排装置排出车外。每辆车风道布置只有主风道，主风道上部与空调机组相连，上部设置送风口和回风口，风道下部送风口与客室送风格栅相连，不设置专用回风道的风道布置详见图3。

图3 不设置专用回风道的风道模型

2 回风量估算

由上分析可知，设置专用回风道需利用车辆客室内车窗和车门之间的有限空间，除去多媒体屏和广告框等占用区域，可以利用布置回风道的地方很小。以国内普通B型地铁车辆为例，估算2种回风方式的风量差异，风量估算公式如下：

Q=3 600vA

(1)

式中：Q——风量，m3/h；

v——风速，m/s；

A——回风面积，m2。

根据B型地铁车辆中间车车门和车窗的布置情况(图4)，不设置专用回风道时可用通风区域两侧共16段，车辆端部截面积约750 mm×40 mm,中部截面积约500 mm×40 mm，1辆车回风面积A1为0.36 m2。若设置专用回风道，考虑风道变形和安装，每个区域布置2～3个回风道，每个回风道厚度约5 mm，截面积约240 mm×30 mm,1辆车回风面积A2为0.26 m2。由计算可知，仅考虑回风面积的影响，2种方式风量差异为Q2=0.72Q1。

图4 B型地铁车辆回风道布置示意图

3 模拟试验及对比分析

为评估回风效果，对不同回风形式进行了模拟试验，以便对比回风道设置方式对回风能力的影响。试验时利用地面电源给1个空调机组提供三相交流380 V电源，使空调机组在正常通风模式下运行。待空调通风系统运行稳定后，采用风速仪对空调机组新风口和回风口进行风量测量，通过各点测得的风量来计算1个空调机组的总送风量。

3.1 不设置专用回风道的风量测试数据

表1为不设置专用回风道的风量测试数据，单个空调机组总送风量等于新风量和回风量之和，通过测试，约为4 904 m3/h。

表1 不设置专用回风道的风量测试数据

3.2 设置专用回风道的风量测试数据

为进行设置专用回风道的风量测试，在试验室参照图2对风道进行改造。在风道内部增加回风腔，侧面增加回风道，两侧设置支风道，支风道用于回风，模拟座椅下部回风口高度为实际回风道的高度。试验结果见表2，单个空调机组总送风量大约为3 890 m3/h。

表2 设置专用回风道的风量测试数据

3.3 对比分析

根据上述2种试验结果分析，在模拟设置专用回风道进行回风时，回风量较小。设专用回风道较不设专用回风道的回风方案，总风量减少1 014 m3/h，与理论估算基本一致，无法满足一般城市轨道车辆总风量的设计要求。而实际车辆生产制造中，在侧顶板、侧墙板、门立柱等接缝处均会存在一定缝隙，不设置专用风道时部分回风会通过这些缝隙进入侧顶回风区域，空调回风量会进一步增大。

4 能耗影响分析

地铁车辆运行时外部环境温湿度、车内载客量、空调新风量等对空调系统能耗影响较大[10-11]。车辆空调机组新风口和回风口设置了调节风量的风阀，在正常工作时，空调机组新风阀能根据载客量调节进入客室的新风量；在紧急通风时，新风阀全开，回风阀关闭，保证进入客室内的空气为全新风。随着载客量的增加，空调系统新风量输出也随之增大，新风量增大时，空调系统能耗增大。

由上文分析可知，设置专用回风道时，回风量减少明显，若要保证车内总送风量不变的情况下，需加大新风量，此时空调的能耗也会相应增加。另外，采用专用回风道时，由于风道截面积的减小，回风阻力相应增大，相应能耗也会增大。因此不设置专用回风道时回风截面积较大，且可通过内装墙板缝隙等地方补充回风量，空调能耗相对设置专用回风道时要小。

5 总结

城市轨道车辆设置专用回风道的模拟试验中，回风道的设置只考虑了空调系统需求，实际车辆回风道布置受车内走线、墙板加强筋、门窗安装结构等的限制，因此风道截面积、风道布置路径及布置数量会受到影响以至回风量减小。此外，若采用单独回风道，乘客较多时，座椅下有放置行李物品的可能，回风量有进一步减少的风险，因此地铁车辆在侧墙空间有限的情况下不建议设置专用回风道。

车辆不设置专用回风道时，回风通路截面积较大，且除了通过座椅下的回风口回风，在乘客较多或者座椅下行李物品堵塞的情况下，还可以通过车内墙板缝隙通路进行补充。另外不设置专用回风道的方案在空调系统能耗控制上也具有一定优势，此方案可作为城市轨道车辆回风设计的推荐方案之一。