陳建云，臧建彬

(同濟大學機械與能源工程學院，201804，上海201804)

地鐵列車空調均勻送風風道概述

陳建云，臧建彬

(同濟大學機械與能源工程學院，201804，上海201804)

地鐵列車內送風是否均勻直接影響著車內乘客的舒適性，合理的送風道結構是保證送風均勻的前提條件。本文從列車空調送風道的均勻送風原理出發(fā)，對現有地鐵列車上4種常見均勻送風風道的送風形式做了介紹，分析了各種風道的結構特點、影響各種送風道送風均勻性的因素以及使用受到限制的原因。并對現有車輛的風道優(yōu)化方案做了簡單介紹，提出以后對風道進行設計優(yōu)化的方向。最后用fluent對比了條縫式靜壓送風主風道的兩種送風方式的送風均勻性，發(fā)現主風道采用孔口送風的送風均勻性優(yōu)于連續(xù)條縫。

地鐵列車；均勻送風；送風風道

0 引言

隨著我國地鐵列車的迅速發(fā)展，地鐵車輛已成為大中城市的重要交通運輸工具，為乘客提供舒適的內部乘車環(huán)境是對地鐵車輛的基本要求和重要指標?？照{送風系統(tǒng)是當前地鐵車輛重要的子系統(tǒng)，研究表明，送風是否均勻直接影響車內乘客的舒適性，送風道結構是保證送風均勻的重要研究內容。

由于地鐵列車所處的環(huán)境特殊[1]，系統(tǒng)中風道的主要特點及要求為：風道截面尺寸小，送風口送風速小，車內微風速大，送風應更均勻，送風噪聲應更小。目前國內地鐵車輛常采用主風道為變截面的送風風道，但是相關資料報道的很少。相比之下，報道較多的是已建成地鐵車輛上使用的送風風道，主要包括三種：條縫式靜壓送風風道、大截面準靜壓送風風道、圓管式車輛空調送風風道[2]。

本文結合均勻送風原理，對以上幾種送風道進行介紹分析。

1 均勻送風

風道均勻送風原理[3]：空氣在通風管內流動時，由于垂直于管壁的靜壓作用，此時沿風管側壁開成排孔口或短管，內外側產生靜壓差，空氣從孔口或短管出流。

實現均勻送風的條件是：滿足每個送風口的風量相等，同時保證各個出口氣流要盡量垂直于側壁，否則即使風量相同，也不能保證送風均勻。

由靜壓產生的流速vj：

(1-1)

管內流速vd：

(1-2)

其中，ρ為空氣密度，kg/m3；Pj為風管內空氣靜壓，Pa；Pd為風管內空氣動壓，Pa；

空氣實際出流流速v：

(1-3)

孔口出流角α：

(1-4)

通過側孔風量L0：

(1-5)

式中：ρ—空氣密度，kg/m3；

Pj—風管內空氣靜壓，Pa；

Pd—風管內空氣動壓，Pa；

μ—孔口流量系數；

f—孔口在氣流垂直方向的投影面積，m2；

f0-孔口面積，m2。

由伯努利方程，對任意兩個孔口均有：

(1-6)

通過以上分析，均勻送風道可以按照以下形式進行設計[4]：

(1)改變風道的截面積，保持送風條縫寬度或側孔面積f0不變。

(2)改變送風條縫寬度或孔口面積，保持風道的截面積不變。

(3)風道截面積、送風條縫寬度或孔口面積都不變。

(4)同時改變風道截面積和側孔面積。

國內的地鐵的空調送風道就是根據以上幾種形式進行設計的，下面就國內地鐵列車上常見的四種送風道進行介紹。

2 均勻送風道形式

2.1 條縫式靜壓均勻送風風道

2.1.1 基本結構

該風道由主風道、靜壓風道、主風道內擋板、靜壓風道內隔板等組成。處理過的空氣送入主風道，通過主風道送風口送入靜壓風道，在靜壓風道內穩(wěn)壓后送到客室，如圖1所示[5]。

2.1.2 送風道特點

條縫式靜壓均勻送風風道通常都會在主風道起始段加設隔板來減小主風道起始段的動壓，增加靜壓，來改善風道阻力的變化規(guī)律，提高送風均勻性。

1-靜壓箱內隔板 2-靜壓箱內隔板上的通風孔 3-主風道和靜壓風道間隔板 4-主風道內的擋板 5-連接短管 6-主風道 7-條縫送風口圖1 條縫式靜壓均勻送風風道截面示意圖

1-風道 2-支風道和支風道間的隔板 3-支風道圖2 大截面準靜壓送風道截面示意圖

靜壓風道的作用是穩(wěn)壓，從而實現更好的均勻送風效果。靜壓風道的穩(wěn)壓原理是：送入靜壓風道的空氣由于氣流方向的變化，風速大大下降，故靜壓風道內空氣的動壓可以忽略不計，同時不同斷面上的空氣在靜壓箱內進行壓力平衡，實現的靜壓相等，最后在送風口將等量的風送出，達到均勻送風的目的[7]。條縫式靜壓送風的形式可以是主風道在中間，靜壓箱在兩側；也可以采用主風道在兩側，靜壓箱在中間的形式。當主風道在兩側，靜壓箱在中間時，末端可以采用孔板送風，這樣有利于穩(wěn)壓層的形成，提高均勻程度[8][9]。

2.1.3 性能分析及應用

該風道結構利用了靜壓箱來平衡壓力，能顯著地提高送風均勻性。但是靜壓箱的幾何特征值L/H(長高比)是影響靜壓分布的重要因素，靜壓均勻性隨著L/H的增加而下降，所以在設計時要合理選擇靜壓箱尺寸，可以通過增加穩(wěn)壓層高度來提高靜壓的均勻性[10]。在國產A型車中，也有采用將主風道送風口設計成圓孔對靜壓箱進行送風的，這種送風方式能提高靜壓箱內靜壓的均勻性[11]。

總之，這類風道的設計相對簡單，尺寸較小，且風道阻力小，風機能耗低，基本能保證客室內溫度的均勻性。廣泛應用于長春、大連、天津的輕軌車，北京地鐵八通線等車輛上[7]。

2.2 大截面準靜壓送風道

2.2.1 基本結構

該風道通常由主風道、支風道、多孔整流板組成，如圖2所示。處理過的空氣在主風道內流動，通過兩側支風道上進風圓孔進入支風道，然后通過支風道下面的送風格柵送到客室內[12]。

2.2.2 送風道特點

大截面準靜壓送風道利用了靜壓均勻送風原理，為了能夠有效地減小主風道內動壓，增加主風道內靜壓，必須加大主風道的橫截面積。

由于主風道動壓與風速的平方成正比，而主風道風速又與主風道截面積成反比，若想減小動壓，就必須增大主風道截面積。同時圓孔前出風靜壓為小孔的出流動壓和局部阻力之和，二者都與風速的平方成正比，所以小孔面積越小，風速越大，主風道內送風靜壓越大，越接近均勻送風。但是小孔出流速度太大會導致送風噪音太大，故小孔的面積不能過小。綜合以上兩個因素，設計時，在主風道靜壓足夠大的前提下，應盡量增加支風道進風圓孔的面積，以減小送風風速以免增加送風噪聲[7]。

2.2.3 性能分析及應用

該風道適合于車頂空間較大的車輛，在設計時要盡量利用車頂的空間，增大主風道面積。然而在地鐵車輛中，由于尺寸的限制，主風道截面尺寸不可能太大，從而很大程度上限制了該送風道在地鐵列車上的使用，通常在A型車上有所應用，不在B、C型車上使用[12]。

為了在主風道內形成層流，風道內設置了多孔整流板，但是同時增加了風道阻力，提高了風機壓頭，增加了噪聲。該風道或者類似結構的送風風道在廣州地鐵1、2號線和上海地鐵2號線上得以應用[7]。

2.3 圓管式車輛空調送風

2.3.1 基本結構

該送風道主要由主送風和二級送風道組成，二級送風道通過螺旋風管安裝于主送風道的兩側，末端通常采用散流器進行送風，如圖3所示[12]。處理過的空氣在一級風道內流動，由于靜壓的作用，空氣通過送風軟管送到末端散流器，送入客室。

圖3 圓管式送風道截面示意圖

2.3.2 送風道特點

圓管式車輛空調送風道利用外接二級軟管送風道加末端散流器送風的方式，可以根據送風區(qū)域的特點來調整送風軟管的數量和長度。由于二級軟管的增加，主風道出風口的阻力特性發(fā)生了變化，由原本單一的孔口出流變成了三通局部阻力系數。而且對于管徑不同的風管并聯在主風道上，阻力不同將直接導致送風量的不同，所以在風道的設計過程中，為了能夠使送風均勻，風道阻力必須根據車輛的實際情況逐段進行詳細計算。對于阻力大的管段，必須通過增加管徑或者減小該段送風區(qū)域長度的方法來達到均勻送風[13]。

2.3.3 性能分析及應用

圓管式車輛空調送風道在車頂部分的占用空間不大，結構相對簡單。由于二級送風道采用鋁合金圓形軟管制作，可以根據實際情況在安裝空間內進行彎曲，所以方便安裝固定。但是由于要對每段管路都進行詳細計算，所以它的設計過程繁繁瑣，制造麻煩，并且計算的準確度通常保證不了所要求的送風量，難以實現完全的均勻送風。該風道在B型車上應用較多，比如維也納地鐵、墨爾本地鐵，廣州地鐵三號線、上海明珠線二期也采用了這種送風風道結構[12]。

2.4 新型變截面靜壓送風風道

2.4.1 基本結構

與以上三種傳統(tǒng)的風道設計不同，變截面靜壓送風風道是一種新型的風道，采用截面積變化的送風風道，其基本結構如圖4所示[14]。

圖4 變截面送風道示意圖

2.4.2 送風道特點

變截面送風道同樣利用了靜壓均勻送風的原理，通過改變主風道的截面積，使送風道內的動壓降變化等于空氣的沿程阻力，從而保證風道全長上的靜壓保持不變。

變截面送風道的送風形式多樣[15]，圖4給出了一個最基本送風結構形式，直接在主風道側面開孔進行送風?，F有車輛有將圓管式車輛送風道和變截面風道結合在一起，在主風道上外接螺旋風管進行送風[16]；也有在主風道底部用孔板加靜壓箱的方式來實現進一步的穩(wěn)壓，再進行送風[17]；還有在變截面風道內加導流板直接保證均勻送風條件[18]。在變截面送風道的設計應用中，結合了上面三種傳統(tǒng)送風道的很多優(yōu)點，所以在現在地鐵車輛中得到了廣泛的使用。

2.4.3 性能分析及應用

變截面風管能在一定程度上保證管內氣流分布均勻，并保持條形風口的靜壓各處相等，但受管內流速影響較大。有試驗表明，給定的變截面送風道中，在合理的速度范圍內，送風速度越大越能保證送風的均勻性；送風速度過小，會在送風管道末端形成速度死區(qū)；送風速度過大，易產生噪音等一系列問題[14]。而且變截面送風管路制造工藝復雜，設計時并不是完全按照靜壓不變的原理進行設計的，車內空間的限制使得很多時候無法按照理想的均勻送風道理論進行主風道的截面設計。

3 均勻性計算

以條縫式靜壓均勻送風風道為例，對比主風道送風口分別采用連續(xù)條縫和孔口送風兩種情況下，列車的送風均勻性。

3.1 物理模型

風道由主風道和靜壓箱組成，主風道在中間，靜壓風道在兩側。進風采用單端進風的方式，風量為5500m3/h；出風口設在靜壓風道底部，每側布置10個連續(xù)的出風口，尺寸均為2000×14(mm)。最靠近進風處的送風口編號為1，順著風道方向依次編號，最遠端的送風口編號為10。

模型一的主風道送風口采用連續(xù)條縫進行送風，為避免主風道送風口風速過大引起過大的噪聲，經計算得條縫送風口的尺寸為20000×12(mm)。模型結構如圖5。

模型二的主風道送風口采用孔口進行送風，利用第一章中均勻送風的計算方法，計算出主風道和靜壓箱之間隔板上每個孔口送風的尺寸如表1所示，模型結構如圖6所示

3.2 模擬計算

通過fluent計算，得到兩種送風方式下每個出風口的風量情況如表2所示。

圖5 主風道和靜壓箱之間采用連續(xù)條縫的風道模型示意圖

表1 主風道送風口各孔口尺寸單位：(mm)

孔口編號123456尺寸100×233100×228100×219100×210100×203100×195孔口編號7891011尺寸100×189100×183100×179100×176100×174

圖6 主風道和靜壓箱之間采用孔口送風的風道模型示意圖

表2 兩種主風道送風方式的出風量對比

主風道送風口采用連續(xù)條縫 主風道送風口采用孔口送風出風口編號出風量(m3/h)與平均出風量的偏差(%)出風量(m3/h)與平均出風量的偏差(%)11776-0931768-035220496-02522781-017324456-01124927-009427245-00127043-00152969300728150026319460162874400473373022292160068349680272993400893557902831558014103543802934886026

對比兩種送風方式下每個風口的送風量，發(fā)現靠近進風口的送風口風量小，這是因為在靠近送風口處主風道內的動壓很大，靜壓很小的緣故導致的。而遠離送風口處的動壓小，靜壓大，所以此處的出風量多。

用風量不均勻系數η來描述風道送風的均勻性，即：

(3-1)

式中：ΔV—出風口流量最大差值；

Vmax—出風口最大出口流量；

Vmin—出風口最小出口流量。

計算得到主風道送風口采用連續(xù)條縫送風時的不均勻系數為122.4%，采用孔口送風時的不均勻系數為62.6%，發(fā)現后者的送風均勻性比前者提高了很多。

4 結論與展望

通過以上分析介紹，得出以上4種風道的對比情況[18]，如表3所示。

表3 地鐵列車常用送風形式對比

風道形式優(yōu)點缺點優(yōu)化方案條縫式靜壓均勻送風風道結構簡單，風道阻力小，送風均勻性較好，且對風量變化的適應性好。風道內有擋板，風道阻力大，且擋板之間區(qū)域的風速不均勻，導致沿長度方向風量有波動。(1)合理地選擇靜壓箱尺寸。(2)主風道送風口用圓孔代替條縫出流，內部擋板穿孔[13]，并對圓孔的尺寸進行精細的計算。大截面準靜壓送風道結構簡單，在主風道截面積大的情況下能較好地實現均勻送風。穩(wěn)壓效果受車頂空間影響大；風道內擋板阻力大，增加了風機壓頭、噪聲；對風量變化的適應性差。(1)優(yōu)化主風道和支風道之間隔板上進風圓孔的孔徑和排數。(2)可采用網孔板作為該送風道的末端送風裝置[8][19][20]。圓管式車輛空調送風風道重量輕，占用車頂空間少；軟管數量和長度可調，靈活性強。設計煩瑣，制造麻煩，難以實現送風的完全均勻。(1)在并聯管路中阻力較小的管路上加設阻力部件，或減小阻力較大側的管路阻力，使各管路的阻力平衡。(2)對二級送風管的尺寸形狀、末端送風形式進行優(yōu)化。新型變截面靜壓送風風道可以保證均勻送風，且沿著送風方向出風口的速度也相等。制作麻煩，制作工藝水平要求高；理想的設計尺寸會受到車內空間限制；送風均勻性受風速的影響大。將以上三種風道的特點結合到變截面送風道中。

除了用以上的方式進行均勻送風，通過第1部分的分析，還可以通過同時改變風道截面積和側孔面積來實現均勻送風的目的，但這種設計會更加的復雜繁瑣，尚未查到相關資料。

通過對第3部分的計算結果，發(fā)現在條縫式靜壓送風道中，當風道其它條件都相同的情況下，主風道采用孔口送風的送風均勻性優(yōu)于連續(xù)條縫送風。

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OverviewonUniformAirSupplyDuctofRailTransitVehicleAirConditioning

CHEN Jianyun，ZANG Jianbin

( College of Mechanical Engineering Tongji University,Shanghai, 201804 )

Whether the air supply to rail transit vehicles is uniform or not will directly affect the thermal comfort condition of passages inside the car.To ensure the uniform air supply,we must chooseproper air ductsfor different types of rail transit vehicles.This article presents the introduction of uniform air supply system theory and four common air supply air ducts on the existing rail transit vehicles.Then,it analyzes the structure characteristic of these four air ducts,and the factors affecting the uniformity of air supply,and the reasons why they are restricted to be used.Then several uniform air supply ductsoptimization methods on the existing rail transit vehicles are briefly introduced,and the direction of uniform air supply ductsoptimization is put forward.Finally,it compares two methodsof air supply for the main air duct used inSlit type static pressure air supply duct,with the FLUENT method,and finds that when the main air duct use perforated plate to deliver air to the static pressure duct,the uniform air supply is better than using continuous slit.

Metro vehicles；Uniform air supply；Air supply duct

2016-

陳建云(1994.)，男，碩士研究生。研究方向：制冷與低溫工程。E-mail：jianyunaa123@163.com

臧建彬。E-mail：98798@#edu.cn

ISSN1005-9180(2017)04-053-07

TU831文獻標示碼B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.010