楊延龍 劉保生 王 巖

基于B型地鐵的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

楊延龍 劉保生 王 巖

（中車大連機車車輛有限公司 大連 116022）

空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)舒適性是衡量地鐵性能的重要指標(biāo)。為了達到乘坐的舒適性，需要將溫度、風(fēng)速均勻性控制在合理的范圍內(nèi)。通過對地鐵車輛參數(shù)、運用環(huán)境等方面進行分析，設(shè)計了某地鐵項目的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)。運用計算流體動力學(xué)技術(shù)，創(chuàng)建了客室的三維模型及風(fēng)道系統(tǒng)模型，模擬客室內(nèi)流場，得到空載和滿載狀態(tài)下坐姿、站姿頭部風(fēng)速場和溫度場的分布情況。模擬驗證了：環(huán)境溫度＋33℃時，保證滿載狀態(tài)下，客室內(nèi)溫度不高于＋28℃。氣流均高于0.07m/s，距地板面1.7m處的平均微風(fēng)速在0.3～0.5m/s范圍內(nèi)。將設(shè)計方案于真實的地鐵車輛上進行了空載狀態(tài)下溫度、濕度和風(fēng)速的測試。實測結(jié)果與模擬計算相近似。研究結(jié)果對地鐵車輛的設(shè)計有著指導(dǎo)意義?？赏茝V出適用于B型地鐵車輛的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計平臺。

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)；氣流組織；模擬仿真；實車驗證；平臺化

0 引言

地鐵具有速度快、載客量大、無排放污染、乘坐舒適等優(yōu)點，目前全球已有百余城市建造了地鐵[1]。國內(nèi)各級城市依照國務(wù)院批復(fù)，積極開展地方地鐵建設(shè)。隨著社會的發(fā)展，乘客會對舒適性出更高的要求，其中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)就顯得尤為重要。地鐵客室內(nèi)氣流組織主要受送風(fēng)速度，送風(fēng)溫度，送風(fēng)濕度，送風(fēng)角度，送風(fēng)口布置，熱源分布等眾多因素影響[2]。通過建立地鐵客室和風(fēng)道系統(tǒng)等數(shù)學(xué)模型，對溫濕度場、風(fēng)速場的均勻性進行模擬，以提升氣流組織的效果，達到舒適性。為乘客營造高品質(zhì)的乘坐環(huán)境[3]。

大連交通大學(xué)的王斌通過三維建模分析了風(fēng)道內(nèi)部氣流組織變化規(guī)律，并在車廂內(nèi)加入了人體模型，通過客室內(nèi)具有代表性位置的氣流組織分布和環(huán)境溫度進行分析，來評估空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)道系統(tǒng)的性能。還對滿載狀態(tài)下客室之間進行了模擬，分析兩車之間貫通道處受流場和溫度場的影響情況[4]。中南大學(xué)的李超等人采用流體軟件建立計算模型，分析人體與環(huán)境之間的氣固耦合散熱問題，優(yōu)化客室內(nèi)的氣流組織[5]。于淼、王東屏等通過對人體的散熱、地鐵結(jié)構(gòu)的壁面?zhèn)鳠岬冗M行了模擬研究，采用調(diào)整送風(fēng)口數(shù)量改善出風(fēng)均勻性[6]。綜上，目前學(xué)者多是進行理論研究，關(guān)注影響客室氣流組織的各種因素，如：人體散熱及與環(huán)境之間的耦合散熱；相鄰兩客室之間的氣流組織；地鐵結(jié)構(gòu)的壁面對傳熱的影響。但缺少理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化的應(yīng)用案例。而且理論中采用了很多經(jīng)驗公式及計算模型簡化，難免造成與實際結(jié)果的差異。

通過以往地鐵項目中空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計積累的經(jīng)驗，結(jié)合地鐵車輛參數(shù)、環(huán)境等信息，針對國內(nèi)某個地鐵進行方案設(shè)計，并采用計算流體動力學(xué)對客室內(nèi)部氣流組織的模擬，最終采取在地鐵車輛實車上對客室內(nèi)部溫濕度場、風(fēng)速場測試驗證。

1 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 地鐵車輛參數(shù)

常規(guī)的B型地鐵均采用6節(jié)編組，編組如下：

Tc—Mp—M—M—Mp—Tc

其中，Tc為拖車；Mp為帶受電弓的動車；M為動車。Mp與M車客室兩側(cè)均設(shè)置四套車門系統(tǒng)，并有3組大窗，兩組小窗。Tc車的配置與Mp及M車基本類似，但Tc車一位端增設(shè)了司機室，司機室兩側(cè)配有司機室車門系統(tǒng)。基本參數(shù)及載客能力如表1所示。

即為乘客提供良好舒適的環(huán)境，又達到節(jié)約制冷時的能量能耗。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，空調(diào)機組的制冷能力達到滿足額定載荷人數(shù)（AW2）的制冷量即可[7]。

表1 基本參數(shù)及載客能力

1.2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

地鐵車輛空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)由空調(diào)機組、風(fēng)道系統(tǒng)、廢排裝置構(gòu)成。通過地鐵客室頂部配置的兩臺空調(diào)機組和4臺廢排裝置，形成內(nèi)部的氣流組織，為了利于保證車輛內(nèi)溫度場、風(fēng)速場分布的一致性。將空調(diào)機組分別設(shè)計在整車的1/4及3/4位置，如圖1所示。

圖1 空調(diào)機組、廢排裝置布置及氣流組織圖

1.3 風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)地鐵運用的特殊性限制，送風(fēng)道布置在客室頂部內(nèi)裝中，通過內(nèi)裝頂板的送風(fēng)格柵將新風(fēng)送入到客室內(nèi)。綜合考慮能耗，空調(diào)在制冷工況，均采用空調(diào)回風(fēng)模式?？褪覂?nèi)的回風(fēng)氣流較廢排的排風(fēng)對氣流組織影響更為明顯?？褪覂?nèi)較優(yōu)的氣流組織方式應(yīng)為上送風(fēng)，下回風(fēng)的方式，但回風(fēng)的阻力偏大，易出現(xiàn)貼壁現(xiàn)象。因此，現(xiàn)有地鐵多采用上送風(fēng)，上回風(fēng)的氣流組織形式[8]。

新風(fēng)與回風(fēng)在空調(diào)機組內(nèi)充分混合并經(jīng)冷卻后，經(jīng)空調(diào)內(nèi)部的送風(fēng)機送入送風(fēng)道，通過風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)接口處的分風(fēng)板和導(dǎo)流板后，冷卻氣流從主風(fēng)道上條縫式的出風(fēng)口送入到靜壓腔內(nèi)。在靜壓腔穩(wěn)定后由中頂?shù)母駯潘腿氲娇褪覂?nèi)，風(fēng)道組成如圖2所示。如此，氣流再次從客室回風(fēng)口被空調(diào)機組重新吸入，完成客室降溫的循環(huán)過程。

1—送風(fēng)口；2—主風(fēng)道；3—出風(fēng)口；4—靜壓腔

綜合考慮生產(chǎn)便利，風(fēng)道采用規(guī)則矩形，沿著車輛對稱布置，Tc車風(fēng)道總長度為16540mm，Mp/M車風(fēng)道總長度為17760mm，寬度均為500mm。Tc車出風(fēng)面積為2.5m2，Mp/M車出風(fēng)面積為2.9m2。每節(jié)客室均設(shè)置兩個尺寸為254mm× 1100mm的回風(fēng)口。

2 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)流場計算

2.1 地鐵車輛模型

為了便于進行模擬分析和計算，應(yīng)對客室進行簡化，僅保留對結(jié)果有貢獻的參數(shù)。采用Hypermesh軟件進行網(wǎng)格劃分。由于風(fēng)道模型在末端的出風(fēng)口處存在通孔出風(fēng)的情況，網(wǎng)格劃分具有一定難度。因此按不同的部分進行網(wǎng)格劃分，詳見圖6所示。其中兩個風(fēng)道組成部分網(wǎng)格共264萬，客室內(nèi)網(wǎng)格1025萬，總計1289萬網(wǎng)格，最大扭曲均小于0.96，網(wǎng)格質(zhì)量良好，如圖3所示。

圖3 車輛模型網(wǎng)格圖

2.2 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)模擬分析

由于地鐵客室結(jié)構(gòu)及風(fēng)道均對稱，在計算中可僅選取一半。邊界參數(shù)如表2所示。

表2 邊界參數(shù)表

2.2.1 空載狀態(tài)下客室的速度和溫度

（1）室地板面1.2m處風(fēng)速速度及溫度圖（空載），如圖4所示。

圖4 客室地板面1.2m風(fēng)速速度及溫度圖(空載)

如圖4，距地面1.2m處的人體坐姿頭部位置截面，絕大部分氣流速度為0.12m/s。小部分0.7m/s，由于送風(fēng)口與回風(fēng)口的布置位置，小區(qū)域會出現(xiàn)風(fēng)速稍大的情況，最大風(fēng)速1.45m/s，但從云圖分析，不均勻的區(qū)域占比微小。模擬的情況基本滿足空氣流速的要求。

在送風(fēng)溫度為20℃的情況下，距地板1.2m處，客室溫度較為均勻?？褪覂?nèi)仿真計算結(jié)果客室平均溫度為21℃?？褪覂?nèi)溫度滿足設(shè)計要求。

（2）客室地板面1.7m處風(fēng)速速度及溫度圖（空載），如圖5所示。

圖5 客室地板面1.7m風(fēng)速速度及溫度圖(空載)

如圖5，距地面1.7m處人體站立時頭部截面，大部分區(qū)域氣流速度為0.1m/s，小部分1.33m/s，小區(qū)域會出現(xiàn)氣流速度較大的情況，最大風(fēng)速2.42m/s，但從云圖分析，不均勻的區(qū)域占比微小。由于1.7m距風(fēng)道出風(fēng)口較近，所以風(fēng)速較1.2m處大。模擬的情況滿足空氣流速的要求。

距地板1.7m處，客室溫度分布較為均勻。計算結(jié)果客室平均溫度比距地面1.2m處平均溫度小，為20.5℃，客室舒適區(qū)溫度滿足設(shè)計要求。

圖6 客室氣流整體速度矢量圖

圖6是地鐵客室氣流速度矢量圖，從圖6中可以看出，客室中間區(qū)域出風(fēng)口處速度相對較高，整體呈現(xiàn)向下的氣流。在客室長度方向和高度方向上存在風(fēng)速不均的情況，在同一水平面上送風(fēng)口處流速比較大。在客室高度方向上，距客室頂部近的地方氣流速度較大，遠離客室頂部處氣流動速度減小。但從整體方面能夠達到證客室氣流的均勻分配。

2.2.2 滿載狀態(tài)下客室的速度和溫度

客室中的速度分布，圖7～圖10是客室的速度矢量分布，滿足在人體周圍氣流速度約為0.3～0.5m/s的舒適性要求。

圖7 送風(fēng)口處速度矢量圖

圖8 回風(fēng)口處速度矢量分布圖

圖9 中部送風(fēng)口處速度矢量圖

圖10 前端截面的速度矢量圖

圖11 客室內(nèi)多個位置橫截面的速度矢量分布

通過圖11可分析出，從整體上客室內(nèi)的各斷面風(fēng)速速度滿足設(shè)計要求。

客室中的溫度分布，人體與空調(diào)機組向客室內(nèi)的送風(fēng)進行熱量交換。圖12是客室送風(fēng)口位置縱向截面溫度分布云圖，由于送風(fēng)口直接進入客室，所以溫度較低。

圖12 送風(fēng)口處溫度分布云圖

圖13 中部縱向截面溫度分布云圖

從圖13分布云圖中看，客室前端和后端人體周圍的溫度為26～28℃。滿足設(shè)計要求。圖14是客室前端溫度分布的云圖。從中可以看出，人體周圍溫度為28℃，滿足設(shè)計要求。

圖14 客室前端溫度分布云圖

圖15 客室中部坐姿乘客周圍溫度分布云圖

在圖15中，由于此截面存在坐姿乘客的原因，所以溫度相對低，乘客面前的溫度為23℃。圖16顯示的是客室內(nèi)多位置的溫度分布。從整體上，客室內(nèi)的溫度比較理想。達到了設(shè)計規(guī)定的溫度。

圖16 客室內(nèi)多位置溫度分布

圖17 室空氣粒子運動軌跡

圖17是客室的氣流流動軌跡?？褪抑谐丝蜑?30人，由于人數(shù)較多，送風(fēng)基本上在人體上部，到達人體下部位置，溫度普遍增高到28℃。

圖18、圖19分別是乘客坐姿頭部（1.2m）和站姿頭部（1.7m）處位置的溫度分布云圖。從圖中得出，由于乘客的原因，車輛下半部溫度普遍增高到28℃。客室前端溫度，約28℃，中部溫度約22～23℃，均滿足設(shè)計要求。

關(guān)于政府公信力的界定，朱光磊、周望將其定義為“政府在施政過程中通過合理、有效地履行其功能和職責(zé)而取得公眾信任的能力”，認為政府公信力是執(zhí)政能力的重要組成要素, 長期積累下來又發(fā)展成為政府的一種執(zhí)政資源，一種軟實力和巧實力，其主要來源為政府的主動作為。[8] 此次自媒體平臺中有關(guān)瀘縣T中學(xué)事件的網(wǎng)友留言一定程度上彰顯了網(wǎng)民對于政府部門的不信任態(tài)度。 同時，T中學(xué)事件中出現(xiàn)的各種謠言，以及地方政府起始的簡單應(yīng)對策略，一定程度上削弱了政府公信力。

圖18 乘客坐姿頭部(1.2m處)溫度分布云圖

圖19 客室站姿位置頭部(1.7m處)溫度分布云圖

2.3 客室通風(fēng)系統(tǒng)模擬結(jié)論

對地鐵車輛空載和滿載的狀態(tài)下進行模擬分析?？蛰d狀態(tài)下，乘客坐姿頭部（1.2m處）溫度為21℃，乘客站姿頭部（1.7m處）溫度為20.5℃；滿載狀態(tài)下，受客室內(nèi)部乘客的影響，客室下半部溫度普遍增高到28℃?？褪仪岸藴囟?，約28℃，客室中部溫度約22～23℃。在滿載的狀態(tài)下乘客周圍的風(fēng)速在0.3-0.5m/s左右，未出現(xiàn)“靜態(tài)區(qū)域”，客室內(nèi)的風(fēng)速與溫度的分布均能夠滿足在客室外環(huán)境溫度為＋33℃時，能保證客室內(nèi)溫度不高于28℃的要求。并且溫差不超過6℃。滿足設(shè)計要求。保證了乘客身體感到舒適。

3 地鐵客室通風(fēng)系統(tǒng)測試驗證

由于理論和實際情況可能會存在差別，良好的計算模型能夠模擬客室氣流組織和溫度的變化趨勢，計算結(jié)果是否準(zhǔn)確，還需通過實際的地鐵車輛進行客室送風(fēng)的速度場、溫度場和風(fēng)量的測試。將檢測和驗收合格的空調(diào)機組、風(fēng)道系統(tǒng)、廢排裝置根據(jù)施工圖紙裝配在地鐵車輛上。

依據(jù)《CJ/T354 城市軌道交通車輛空調(diào)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定[9]，在客室內(nèi)的中間及兩端取3個測溫截面，如圖20、圖21所示位置的截面1、截面3、截面5測試溫度和濕度。并在標(biāo)注所有五個截面測試風(fēng)速。

圖21 風(fēng)速、溫度和濕度的測試截面位置

由于風(fēng)道系統(tǒng)存在風(fēng)阻，因此空調(diào)機組出風(fēng)量會受機外靜壓而發(fā)生變化，影響實際出風(fēng)量。因此在進行溫度、濕度和風(fēng)速測試前，需要對組裝完成的地鐵車輛進行風(fēng)量測試驗證。

地鐵車輛在組裝后，客室內(nèi)的扶手、吊環(huán)等設(shè)施會對出風(fēng)口風(fēng)量采集產(chǎn)生影響，根據(jù)空調(diào)機組送風(fēng)量等于回風(fēng)量與新風(fēng)量之和，因此采用此方法求得空調(diào)機組的送風(fēng)量。

空調(diào)機組設(shè)置在通風(fēng)模式下，空調(diào)機組新風(fēng)量如表3所示，回風(fēng)量如表4所示。

表3 空調(diào)機組新風(fēng)量測試數(shù)據(jù)

續(xù)表3 空調(diào)機組新風(fēng)量測試數(shù)據(jù)

注：1.以地鐵車輛靠近I位端的空調(diào)為1#空調(diào)，靠近II位置端的為2#空調(diào)；

2.地鐵車輛關(guān)于縱向中心線對稱，因此僅對空調(diào)機組的一側(cè)測試新風(fēng)量。

表4 空調(diào)機組回風(fēng)量測試數(shù)據(jù)

Tc車實測總風(fēng)量為8258m3/h，Mp車實測總風(fēng)量為8401m3/h。空調(diào)機組與風(fēng)道系統(tǒng)在車輛安裝后的風(fēng)量能夠滿足測試的需求，可以進行溫度、濕度測試。測試時，地鐵車輛外部環(huán)境滿足測試的要求地鐵車輛客室溫度濕度測試結(jié)果，見表5。

表5 溫度濕度測試結(jié)果

續(xù)表5 溫度濕度測試結(jié)果

在外部環(huán)境33.7℃的情況下，實測的結(jié)果為：Tc車1.2m處平均溫度22.35℃，1.7m處平均溫度22.27℃；Mp車1.2m處平均溫度21.92℃，1.7m處平均溫度21.67℃。與本文的模擬分析結(jié)果：1.2m處平均溫度21℃；在1.7m處平均溫度20.5℃接近，滿足設(shè)計要求。

采用風(fēng)速儀在地鐵車輛五個截面進行測試，測試結(jié)果見表6。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進行的測點，其微風(fēng)速均高于0.07m/s的要求，并且1.7m處的平均微風(fēng)速在0.4～0.5m/s范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

表6 地鐵車輛風(fēng)速測試結(jié)果（單位：m/s）

4 結(jié)論

通過對典型B型地鐵車輛特點分析，設(shè)計出在室外環(huán)境溫度為＋33℃時，能保證客室內(nèi)溫度不大于28℃，相對濕度不大于65%的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)。采用有限元對空載和滿載狀態(tài)模擬分析，得出了客室內(nèi)部的溫濕度及風(fēng)速分布情況。此設(shè)計方案于真實的地鐵車輛上進行了空載狀態(tài)下溫度和風(fēng)速的測試，加以驗證空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計效果，得到以下結(jié)論：

（1）通過數(shù)值模擬的方法分析了在空載和滿載的狀態(tài)下，設(shè)計的B型空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)具有在外部環(huán)境溫度為＋33℃時，能保證客室內(nèi)溫度不大于28℃，相對濕度不大于65%的能力。

（2）通過數(shù)值模擬的方法分析了在空載和滿載的狀態(tài)下，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)在運行時，氣流速度均高于0.07m/s，未出現(xiàn)“靜態(tài)區(qū)域”，平均微風(fēng)速約為0.4～0.5m/s，乘客身體感到舒適。

（3）通過實車測試的方法測試空載狀態(tài)下，地鐵車輛溫度和風(fēng)速分布情況。在外部環(huán)境33.7℃的情況下，實測的結(jié)果為：Tc車1.2m處平均溫度22.35℃，1.7m處平均溫度22.27℃；Mp車1.2m處平均溫度21.92℃，1.7m處平均溫度21.67℃。Tc車1.2m處平均微風(fēng)速為0.385m/s，1.7m處平均微風(fēng)速為0.421m/s；Mp車1.2m處平均微風(fēng)速為0.39m/s，1.7m處平均微風(fēng)速為0.415m/s，均滿足設(shè)計要求。

在實車驗證時，測試點的風(fēng)速均勻性良好，而在地鐵車輛客室數(shù)值驗證計算時，存在部分點風(fēng)速過高的情況，但占比微小，或是網(wǎng)格劃分引起的，但模擬與實車測試的結(jié)果趨勢及分布情況非常近似。

（4）根據(jù)本文研究的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵的平臺化設(shè)計方案，減少了新造地鐵的設(shè)計周期，并大幅度減少了后期的驗證時間。對地鐵空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計有著一定的工程應(yīng)用借鑒價值。

[1] 廖神德.上海地鐵客室冬季熱舒適與空氣環(huán)境調(diào)查研究[D].上海:東華大學(xué),2016.

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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

楊延龍（1982.5-），男，工程碩士，E-mail：YYL0517@163.com

2020-08-19