地鐵車輛空調(diào)冷凝水庫內(nèi)排放研究與設(shè)計(jì)優(yōu)化*

鄭 輝

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安∥高級工程師)

隨著我國城市軌道交通的不斷發(fā)展，作為地鐵車輛主要部件的車輛空調(diào)系統(tǒng)也獲得了較大的發(fā)展。目前，車輛空調(diào)冷凝水排水口位于車輪外側(cè)，冷凝水排至軌道外側(cè)后再流至檢修地溝，容易造成庫內(nèi)地面積水現(xiàn)象，不利于庫內(nèi)清潔保養(yǎng)。此外，積水處理不當(dāng)還會(huì)影響運(yùn)營生產(chǎn)作業(yè)安全。針對庫內(nèi)冷凝水排放源頭進(jìn)行分析，從冷凝水排放結(jié)構(gòu)著手，提出了一種集中排放冷凝水方案。采用增設(shè)自動(dòng)控制的方式將冷凝水存儲(chǔ)后進(jìn)行有序排放，本研究可為后續(xù)場段工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)優(yōu)化參考。

1 地鐵車輛空調(diào)現(xiàn)有布置方式

目前，地鐵車輛空調(diào)一般采用集中單元式空調(diào)機(jī)組布置方式，空調(diào)機(jī)組安裝在車輛頂部位置，空調(diào)控制模塊位于車廂電器間?？照{(diào)機(jī)組出風(fēng)口與車頂?shù)跹b的均勻靜壓風(fēng)道通過軟連接方式運(yùn)行，均勻靜壓風(fēng)道布置主要考慮車長方向因素，主風(fēng)道布置在中間，靜壓腔和送風(fēng)格柵布置在兩側(cè)?？照{(diào)回風(fēng)主要從空調(diào)機(jī)組底部回風(fēng)格柵進(jìn)入機(jī)組，完成空氣循環(huán)回路。在進(jìn)行制冷工作時(shí)，空調(diào)機(jī)組會(huì)產(chǎn)生大量冷凝水，如果不及時(shí)排放，冷凝水會(huì)通過風(fēng)口和風(fēng)道進(jìn)入車廂內(nèi)，進(jìn)而影響乘客以及危害車內(nèi)電氣設(shè)備安全，故需要及時(shí)將冷凝水排出空調(diào)機(jī)組外。

2 車輛空調(diào)冷凝水排放結(jié)構(gòu)

地鐵每節(jié)車的車輛頂部約1/4和3/4位置處分別布設(shè)2臺(tái)空調(diào)機(jī)組。每個(gè)空調(diào)機(jī)組設(shè)有4個(gè)排水槽，通過這4個(gè)排水槽將空調(diào)機(jī)組的冷凝水排至車體雨檐，經(jīng)車體雨檐導(dǎo)流至車輛端墻排水管，最后再排至車下，排水口位于車輪外側(cè)[1]。車輛空調(diào)冷凝水排水管布置示意圖如圖1所示。由圖1可知，車輛空調(diào)冷凝水的直接排放對鋼軌下放扣件有腐蝕性，進(jìn)而會(huì)影響鋼軌的絕緣性。此外，當(dāng)車輛運(yùn)行至車輛段或停車場內(nèi)的停車列檢庫時(shí)，空調(diào)冷凝水從排水口散排影響了庫內(nèi)作業(yè)環(huán)境，不方便檢修人員作業(yè)，同時(shí)也增加了保潔人員的工作量和難度[2]。為解決車輛空調(diào)冷凝水從排水管出口任意流淌的問題，一般需要從工程設(shè)計(jì)方面考慮冷凝水的組織排放措施。

圖1 車輛空調(diào)冷凝水排水管布置示意圖

3 庫內(nèi)冷凝水排放設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

基于車輛空調(diào)系統(tǒng)布置，庫內(nèi)冷凝水的排放設(shè)計(jì)主要有兩種：設(shè)置空調(diào)冷凝水水溝形式；設(shè)置排水坡度，將冷凝水導(dǎo)至檢查坑水溝內(nèi)部。

3.1 空調(diào)冷凝水集水溝形式

3.1.1 連續(xù)型集水溝

考慮到車輛在庫內(nèi)行駛時(shí)，空調(diào)冷凝水會(huì)持續(xù)不間斷地排放，且車輛存在停車誤差，因此將冷凝水集水溝設(shè)置為通長形式。連續(xù)型空調(diào)冷凝水集水溝平面布置示意圖如圖2所示。冷凝水水溝的一般尺寸為122 000 mm×300 mm(以B型車為例)，水溝內(nèi)每隔30 m設(shè)置一處最低點(diǎn)，最低點(diǎn)與檢查坑內(nèi)水溝通過排水管相連，將水溝內(nèi)冷凝水導(dǎo)至檢查坑內(nèi)集水溝[3]。

圖2 連續(xù)型空調(diào)冷凝水集水溝布置示意圖

3.1.2 斷開式集水溝

按照車輛冷凝水排放位置的不同，斷開式集水溝可分為兩種形式：

1) 相鄰集水坑合并式。主要用于將相鄰兩輛車的空調(diào)冷凝水集中至車輛貫通道處排放的情況，僅在空調(diào)冷凝水排水口區(qū)域下方設(shè)置空調(diào)集水坑?？紤]停車誤差等因素，空調(diào)冷凝水溝尺寸一般為550 mm×1 600 mm，1列位單側(cè)設(shè)置7個(gè)空調(diào)集水坑，兩側(cè)共計(jì)14個(gè)/列位空調(diào)集水坑。

2) 斷開式集水溝。1輛車的4個(gè)空調(diào)出水口下方均設(shè)置1個(gè)空調(diào)集水坑，其尺寸為300 mm×1 000 mm，按照6輛編組列車計(jì)算，兩側(cè)共設(shè)置24個(gè)空調(diào)集水坑，空調(diào)集水坑預(yù)埋暗管和檢查坑內(nèi)集水地坑相連通。斷開式空調(diào)冷凝水集水溝布置示意圖如圖3所示。

圖3 斷開式空調(diào)冷凝水集水溝布置示意圖

上述兩種設(shè)置方式皆可，兩者的區(qū)別在于車輛空調(diào)冷凝水的布置方式不同，前者將相鄰兩輛車的空調(diào)冷凝水集中至車輛貫通道處排放，而后者的空調(diào)冷凝水就近排放。

采用冷凝水集水溝形式可將車輛冷凝水快速排至檢查坑內(nèi)，且地面不易積水。但上述措施在具體實(shí)施時(shí)存在以下兩個(gè)問題：① 土建施工一般節(jié)點(diǎn)早于車輛招標(biāo)，導(dǎo)致集水坑與空調(diào)冷凝水不對應(yīng)情況，進(jìn)而導(dǎo)致冷凝水不能有效排放至集水坑；② 庫內(nèi)集水坑數(shù)量較多，影響地面美觀，且施工時(shí)容易造成預(yù)埋水管堵塞，后期維護(hù)成本較高。

3.2 兩側(cè)排水坡形式

在柱式/壁式檢查坑兩側(cè)設(shè)置冷凝水集水溝后將會(huì)造成工程投資成本增加，且后期維護(hù)成本也會(huì)有所提高，因此考慮將空調(diào)冷凝水自然排至檢查坑內(nèi)水溝?？紤]到空調(diào)冷凝水水量不大，且軌道兩側(cè)低地面因施工工藝原因存在地面不平現(xiàn)象，地面清潔保養(yǎng)時(shí)也會(huì)存在積水，故將兩側(cè)低地面向檢查坑方向的坡度設(shè)置為1%～3%[4]，檢查坑內(nèi)水溝由中間設(shè)置改為兩側(cè)設(shè)置，寬度由1條寬為500 mm的集水溝改為2條寬為200 mm的集水溝?？照{(diào)冷凝水兩側(cè)排水坡布置方式示意圖如圖4所示。

圖4 空調(diào)冷凝水兩側(cè)排水坡布置方式示意圖

3.3 空調(diào)冷凝水排放使用現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段的空調(diào)冷凝水排放措施主要以工程措施為主，主要有排水溝和排水坡兩種形式。上述兩種空調(diào)冷凝水排放形式基本解決了冷凝水在庫內(nèi)隨意散排的弊端，但排水溝和排水坡兩種方式在庫內(nèi)地面美觀性、施工難度、維護(hù)清潔等方面存在一定問題，且會(huì)增加額外的工程投資。以廣州地區(qū)為例，該區(qū)域同時(shí)期有8個(gè)場段均采用斷開式集水溝排放形式，施工后發(fā)現(xiàn)實(shí)際存在以下困難：集水坑太小施工難度大、集水坑篦子使用一段時(shí)間后容易變形、集水坑預(yù)埋水管太小容易堵塞[5]。因此解決空調(diào)冷凝水排放需從車輛冷凝水排放結(jié)構(gòu)上進(jìn)行考慮。

4 冷凝水排放結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

4.1 空調(diào)冷凝水排水結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

分析既有車輛空調(diào)冷凝水排放結(jié)構(gòu)可知，通過排水管將車輛頂部兩組空調(diào)機(jī)組中的8個(gè)冷凝水排水口連接匯集于車輛中部，再沿著車輛側(cè)壁結(jié)構(gòu)引入車廂內(nèi)座位底下設(shè)置的冷凝水儲(chǔ)水箱，水箱底部設(shè)排水管，排水管敷設(shè)在車體兩側(cè)?？照{(diào)冷凝水排水結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案設(shè)計(jì)斷面如圖5所示。排水管上增設(shè)電磁控制閥，閥門受控于列車控制器，兩者通過硬線連接，電磁控制閥門出口接排水管延伸至車輛縱向中心線250 mm范圍，設(shè)置排水管出口高度與車輛底部最低點(diǎn)平齊。此外，增設(shè)冷凝水儲(chǔ)水箱接至頂部排水管，水箱容積按最長區(qū)間運(yùn)行時(shí)，空調(diào)機(jī)組最大制冷排水量的兩倍考慮，水箱內(nèi)設(shè)水位檢測器和溢流管，溢流管出口接入排水管。

圖5 空調(diào)冷凝水排水結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案設(shè)計(jì)斷面

當(dāng)?shù)罔F車輛運(yùn)行時(shí)，列車控制器控制冷凝水儲(chǔ)水箱出口的電磁控制閥關(guān)閉，地鐵車輛空調(diào)機(jī)組在工作時(shí)產(chǎn)生的冷凝水先通過排水管匯集排入冷凝水儲(chǔ)水箱中。當(dāng)?shù)罔F列車進(jìn)站或進(jìn)入場段停車列檢庫后，列車控制器發(fā)送制動(dòng)停穩(wěn)指令(速度為0)，同時(shí)發(fā)送信號控制冷凝水儲(chǔ)水箱出口的電磁控制閥打開，把儲(chǔ)水箱中的冷凝水排放至停車列檢列位鋼軌間的排水溝，避免了冷凝水排放滴落至鋼軌扣件及絕緣橡膠墊上的情況，較好地規(guī)避了腐蝕鋼軌扣件、破壞鋼軌絕緣性等情況，以及其對停車列檢庫內(nèi)工作環(huán)境的影響。當(dāng)列車啟動(dòng)制動(dòng)信號消失時(shí)(速度不為0)，列車控制器在發(fā)送取消制動(dòng)信號的同時(shí)，控制冷凝水儲(chǔ)水箱出口的電磁控制閥關(guān)閉，冷凝水儲(chǔ)水箱繼續(xù)收集空調(diào)機(jī)組工作產(chǎn)生的冷凝水?？照{(diào)冷凝水排水結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案流程圖如圖6所示。

圖6 空調(diào)冷凝水排水結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案流程圖

4.2 冷凝水排放成本對比

空調(diào)冷凝水排水結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案僅在原車輛設(shè)備上新增了冷凝水儲(chǔ)水箱、電磁閥門及若干控制電纜，改進(jìn)后的排水管總長減少了約5 m，經(jīng)成本測算，相關(guān)費(fèi)用合計(jì)增加約2 000元/列(以地鐵B型車6輛編組為例)。為確定列車空調(diào)冷凝水排放的最優(yōu)方案，從投資、檢修、美觀等多個(gè)方面對3種不同形式的排水方案進(jìn)行對比，如表1所示。綜合對比分析，以一個(gè)40列位停車規(guī)模的車輛段為例，采用空調(diào)冷凝水排水結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的總投資最多能節(jié)省約72 萬元。此外，空調(diào)冷凝水排水結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案具有不涉及大量的土建改造和施工、排水效果較好、后期維護(hù)量少、工程可實(shí)施性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。從工程施工難度、維護(hù)檢修工作量、庫內(nèi)美觀方面而言，空調(diào)冷凝水排水結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案更具有優(yōu)勢，對后期運(yùn)營影響最小。

表1 3種空調(diào)冷凝水排放優(yōu)缺點(diǎn)對比Tab.1 Merits and demerits comparison of 3 types of air-conditioning condensate water discharge

5 結(jié)語

本文分析了現(xiàn)階段的地鐵車輛空調(diào)布置和冷凝水排水結(jié)構(gòu)方案，對現(xiàn)階段停車列檢庫內(nèi)設(shè)計(jì)所采取的兩種空調(diào)冷凝水排放方案進(jìn)行了分析研究，主要獲得以下結(jié)論：

1) 現(xiàn)階段采取的排水溝和排水坡兩種冷凝水排放形式均對停車列檢庫內(nèi)列檢人員和保潔人員作業(yè)造成一定的影響，存在庫內(nèi)地面積水現(xiàn)象，通過土建措施的改進(jìn)不能有效地解決排水問題，且對后期維護(hù)造成一定的困擾。

2) 通過在地鐵車輛上增設(shè)冷凝水水箱、電磁閥等設(shè)備可將冷凝水集中收集，同時(shí)對冷凝水排水管路進(jìn)行改進(jìn)。空調(diào)冷凝水排水結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案在工程投資、維護(hù)保養(yǎng)成本、庫內(nèi)環(huán)境美觀、檢修影響等方面均具有較大優(yōu)勢。建議后續(xù)類似新建工程在地鐵車輛排放冷凝水設(shè)計(jì)時(shí)采用所提方案形式。