摘要
摘要
车辆基地的部分维修岗位作业时间长、劳动强度大，炎热地区有空调降温的需求。本文在现场调研的基础上，确定了车辆基地需要冷风降温的作业岗位、作业区范围。通过现场实测确定了上海地区典型钢筋混凝土结构大库对应的室内空调计算参数，利用CFD分析确定了岗位送风的主要技术参数和负荷，并提出了同时作业率的取值、典型系统方案，以及控制和管理的配套要求。
关键词
车辆基地；岗位空调；射流；冷负荷；模块化设计；同时作业率
作者
郑晋丽 唐钺 许建丰 汤高辉 王开
（上海市隧道工程轨道交通设计研究院）
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轨道交通车辆基地内的停车列检库、运用库、停车库、检修库等大型厂房，单个厂房面积从数千m 2 至数万m 2 ，空间净高9~14 m，用于停放和检修车辆，大多采用自然通风或全面通风换气辅以局部风扇的通风方式。然而，长江以南地区，夏季气候炎热，库内温度很高，轻型钢结构厂房内高温季节作业区温度甚至超过45 ℃。随着我国经济发展和生活水平的逐年提升，以及轨道交通网络化后维检修作业任务的增加，改善作业环境、提高工作效率必将成为趋势。虽然个别城市的部分检修库已经设置了局部降温系统，但并未普及，且车辆基地工艺复杂，作业岗位的需求和空调形式、技术要求还在探讨中，业界的研究和关注度并不多。本文将从作业需求、设计标准、送风主要技术参数、冷负荷及系统方案等方面对基地的局部降温系统（以下简称岗位空调）设计进行探讨。
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1.1 岗位空调的工位确定
轨道交通的大型车库承担车辆停放、日检、月检或大修功能，维护人员对停放的列车进行检查、维护及维修，作业种类和工作时长、作业人数等视其承担的检修功能差异很大。2019—2020年间，通过深入车辆基地现场调研，与管理、维修人员座谈，了解了场段内作业特征、劳动强度及同时作业率等情况，协商确定连续作业时间在30 min及以上的工位设置岗位空调，短暂作业工位不设降温设施。
据此，定修线、周月检线、临修线、大修线、总装线等局部作业区域需要设置岗位空调，具体工位及主要特征汇总见表1。
以6A编组列车1~3节车厢为例（其余3节车厢对称），定修线、周月检线的3层平台工位示意图见图1a,大修线、临修线的工位示意图见图1b，其他车型需根据具体情况调整。
定修线和周月检线的1层平台（含坑道）、2层车厢内检修点几乎遍布整列车，岗位空调的范围需覆盖整个列车。值得注意的是，当2层平台单独作业时，列车具备带电条件，启用车厢自身空调是最方便经济的降温方式；当2层与其他层同时作业时，车厢虽不能开启空调，考虑到3层与1层空调开启时，有部分冷风会泄漏至2层，有助于改善2层平台环境。因此，兼顾经济性，虽然2层也需要冷风降温，但不建议另设岗位空调设施。
除了以上讨论的各作业岗位外，检修库内通常还会划定一片区域用以检修车辆拆下的零部件（即配件修区域），一般建成后由接管方根据自身情况确定作业岗位。这些区域会有一些定点岗位作业时间较长，但在设计阶段确定较难。根据调研，配件修区域单个岗位作业人数1~2人，活动范围小，可按文献提供的方法计算负荷，采用常见的工业厂房岗位送风方式，不作为本文研究范围。
至于场段内其他功能线，工人在每个检查点的停留时间短暂，一般仅数分钟。如停车线主要用于列车停放，不承担检修作业任务;停车列检线主要承担车辆的日检任务;静调线为整装列车的整体合格性常规检查。因此，停车线、停车列检线和静调线等设置岗位降温设施的必要性不大。
1.2 岗位空调标准
车辆基地大型车库内的岗位空调属工业场所的局部降温设计，根据目前我国多项相关标准，兼顾考虑体力劳动强度和经济性，作业区设计标准拟定如下：定修线、周月检线温度≤31 ℃、风速≤3 m/s；大修线和临修线温度≤30 ℃、风速≤3 m/s。
1.3 库内环境参数
当库内采用分散式空调系统向作业岗位提供冷风时，库内的环境温湿度是影响机组冷负荷的重要因素。为了合理确定库内环境参数，选取上海一典型车辆基地检修库，对库内和室外空气环境进行连续监测，以室外空调设计计算参数对应库内的环境参数作为岗位空调环境设计计算参数。
监测地点为上海北翟路车辆基地内的检修库，该库总长247.2 m、宽179.5 m，为钢筋混凝土结构形式，东侧长边设2层辅房，其余北、南及西侧为外墙，南、北两端设出入库大门。在库内地面层作业高度（约1 m高）、3层平台作业高度（约4.5 m高）布置若干温湿度和黑球温度测点，同期户外设气象温湿度测点，采样间隔为15 min。
2020年7月29日至8月13日期间进行了监测。监测表明，库内温湿度在水平与高度方向上均有一定差异。高度相同时，温度与测点距外墙、库门等距离关联度较大，地面层最大温差约0.4~0.9 ℃、3层平台最大温差约0.2~0.5 ℃。温度在高度上存在明显的梯度，3层平台的温度明显高于地面层，最高温差达到2.4 ℃，且室外温度越高、温差越大。此外，库内的温度峰值明显滞后于库外温度峰值，高温时段多集中在16:30—18：30。根据库内外峰值温度前后1 h监测值的对应关系，拟合的库内外温度关系如图2所示。库内没有额外产湿量，则按等湿过程确定库内相对湿度。
据此，上海室外空调设计计算温度34.4 ℃、相对湿度61.3%时，对应库内设计计算参数为地面层温度31.7 ℃、相对湿度71%（1.0 m高），3层平台温度33.0 ℃、相对湿度66%（4.5 m高）。
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2.1 岗位空调形式和设计目标
车辆基地需设置岗位空调工位的区域空间条件限制比较多，上部有列车牵引网和桁车，侧向需要留出运输通道，顶部和侧向敷设空调风管的难度都比较大，但作业岗位的侧向有一定的建筑空间可放置柜式空调机组。因此，岗位空调的形式适合采用分散式空调。
这样，岗位空调的设计目标是在工位侧旁设置柜式机组，通过合适的送风口向作业区喷送冷风，冷风射流在到达作业区的过程中不断卷吸周边热空气的同时，射流宽度增加、温度升高、风速降低，到达目标区域后的射流宽度应能恰好覆盖作业范围，且此时的温度、风速符合设计标准。因此，设计任务的关键是选取并确定合适且经济的射流参数、机组冷量，射流参数包括射流出口风速、射流角度、射流高度及温度、风量等。
基地内除配件修区域外，单个作业岗位的尺寸均在2 m以上，需要多个送风口同时送风，且考虑到库内特殊的空间条件，研究采用CFD模拟计算确定射流参数和机组冷量。
2.2 岗位空调和送风口基本分类
根据车辆基地作业岗位的特点将其分为单点岗位、线形岗位和车厢内部岗位3类。单点岗位指大修线、临修线及定修线（含周月检线）车顶空调（含受电弓）维修作业工位，各工位分布相对独立，作业区之间有一定距离；线形岗位指定修线、周月检线的1层及坑道区域工位，整列车连续长度范围都需要降温；车厢内部岗位位于总装线或大修线上，为将列车拆解后在车厢内部的维护作业区域。
研究中为方便设计和应用，采用模块化的设计思路，经数轮筛选，重点选用了表2所示3类基础送风口，空调柜机的容量按所承担风口类别和数量确定。
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3.1 单点岗位
单点岗位作业区宽度为2.9~8.5 m，送风口至车辆中心线的距离为2.5~4.7 m，送风口安装高度约2.0 m。综合考虑单台柜机尺寸、风量、喷口数量和噪声等因素，以1台柜机和2~3组Ⅰ型送风口作为1个标准组合模块，提供1个基本单点岗位的空调送风，图3为典型单点岗位空调方案示意图。
研究对各单点岗位的射流出口风速、射流角度、送风口间距、风量、射流高度等关键参数进行多方案比选后，确定的主要技术参数如表3所示。
以定修线空调作业区为例，采用模块B向作业区送冷风，图4为距地1.5 m高度处水平切面的温度和风速云图。计算结果表明，作业区大部分区域温度在26.6~30.5 ℃之间、风速为0.6~3.6 m/s，两侧外围条件略差，温度和风速基本达到控制目标。同时，空调柜机的回风参数与环境参数差异不大，表明空调有效回风量很小，在盘管负荷计算中可忽略。
需要说明的是，考虑到接管的便利性，对模块B中3个送风口采用平行射流与偏转射流的效果进行了对比，如图5所示。结果表明，平行射流创造的环境优于偏转射流，但需要另外安装风管，方便性不及后者。在有条件的场所采用接管平行射流方式，安装条件比较紧张时可采用直接在柜机上安装可调节角度风口的偏转射流方式。
对于其他较宽的作业岗位，可采用模块A与模块B灵活组合的方式，当场地允许也可自行组合容量更大的空调柜机。
3.2 线形岗位
线性岗位要求对整个列车长度进行降温。根据该区域的建筑空间特点，可在1层侧边柱间空间放置柜式空调机组，上侧边布置风管、风口。冷风以0~15°略斜下送风，送风温度18 ℃、相对湿度95%。出口风速约8 m/s，车头与车尾约3~5 m段采用加强送风方式，各设2~3个Ⅰ型送风口，中部设Ⅱ型送风口，风口间距2 m。空调方案如图6所示。
模拟的温度和风速云图见图7。结果表明，采用一侧上送、下回的气流组织方式，可以覆盖1层平台坑道及坑道两侧作业区域。作业区送风侧温度约27.1~30.0 ℃、风速0.8~2.5 m/s；射流穿过承轨柱、坑道后到达对侧作业区，风速显著降低，温度约为28.9~30.5 ℃，除加强段外风速不足0.2 m/s；坑道内温度和流场均匀，温度约27.4~29.2 ℃，风扰很小，除加强段外风速不足0.3 m/s。两端加强送风段温度较中部高约1~2 ℃，该加强送风承担了“风幕”功能，使1层空间相对封闭。
由图7可知，采用单侧送风时坑道两侧作业区域冷热显著不均，送风侧温度低、风扰大，热舒适度明显高于对侧。为保证1层平台各作业区都达到控制标准，需冷量较大，按长度折算，端部加强段需冷量为15 kW/m、中部需冷量约为1.2 kW/m。当采用双侧送风时，两侧作业区温度和风速会更均匀、需冷量略小，但管线和设备布置相对复杂。
3.3 车厢岗位
该作业区为整节车厢内部空间，空间尺寸约为3.0 m（宽）×2.8 m(高)×20.0 m(长)。拆解后的车厢通过架车机架空，此时车厢门、两端均敞开。考虑到车厢内部有别于完全敞开空间，且为狭长形，采用从车厢一端的纵向射流送风降温方式，空调柜机放在车厢外侧地面合适位置或与其他工位空调合用机组，通过临时组装接管方式将空调柜机与送风口连接固定，空调方案如图8所示。
经对射流送风口数量、射流参数、车厢开口的封堵等多方案计算比选，并综合考虑安装使用的便利性，确定在车厢内部设置2个Ⅲ型风口送风、送风侧车厢端头临时封堵，两风口水平间距约1.5 m、距车厢地板高度约1.1 m，送风角度0~10°内略上偏。送风温度18 ℃、相对湿度95%。配置柜机风量约3 600 m 3 /h，盘管冷量约50 kW。
模拟作业区温度和风速云图见图9，车厢内均布的12个监测点温度为28.3~29.9 ℃、风速为0.3~2.2 m/s，达到设计标准。由于车厢门和两端均敞开，送风射流将大量环境热风从送风口背部端头及1~2号车门开口卷吸进入车厢，车厢后半程温度偏高。将送风口后部车厢端部封堵后（见图8），卷吸进入车厢的热空气量可降低约45%，后半程的温度降低1 ℃左右。因此，推荐使用时将送风口背侧的端头用帘幕或活动板材等临时封堵，可有效提高车体内舒适度。
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4.1 冷源和系统方案
由上述研究可知，岗位空调的冷负荷大，但场段内的岗位并非同时作业，冷源制冷量必需考虑同时作业率。根据对上海地铁车辆基地作业情况的初步调研，同时作业率与管理方式、作业习惯、所服务线路的服役年龄、场段地位等密切相关，各场段的情况差异较大，通常老线和多线共享车辆基地，检修作业相对繁忙。当没有特殊要求时，定修线、周月检线1层平台及3层平台可按同时50%作业率计算，即6节编组列车时按同时3节车厢检修；大修线、临修线每线同时可按2~4个工位同时作业。单个大库(如运用库、检修库等）内设有多条需降温的功能线时，可按2~3条线同时作业设计。
以6A编组的列车为例，各功能线的岗位空调基本配置如表4所示，同时作业率可根据工程具体情况调整。
车辆段内大型检修库、停车列检库等面积非常大，一般适合采用冷水系统向各岗位空调机组供应冷水，冷水机组配置时需要考虑新线运行的最初几年维修作业量少带来的低负荷率运行问题。供冷系统方案系统原理如图10所示。当作业线贴外墙设置、且规模不大时，也可采用多联机形式。
4.2 控制和管理
由于库区体积庞大，除了定修线和周月检线的1层外，其他岗位空调机几乎相当于直流空调，运行能耗较大。但车辆基地内的各个作业点分散，同时作业率并不高。当设置岗位送冷风系统时，需要配套制定管理措施，使空调系统的供冷能力与同时作业岗位匹配，必要时作业班组的编排需要兼顾空调系统的供冷能力，还要确保作业结束时对应空调机组关闭。
末端空调机组应能实现就地的启停及远端库内集中控制，以方便使用，送风量和送风角度应能供用户在一定范围内根据个体需求调整。
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随着经济发展和车辆维检修作业量的增加，夏季炎热地区车辆基地岗位送冷风需求会上升，岗位需求、送风参数、系统形式、管理作业模式、设备开发等尚需在工程应用中不断总结、持续改进。综合以上研究，本文主要结论如下：
1） 定修线、周月检线、临修线、大修线、总装线等功能线需要设置岗位空调，岗位宽度从2 m至整个列车长度不等，需要2个及以上送风口同时送冷风。
2） 上海地区，最小基础单点岗位的需冷量约为55~85 kW、风量约为4 000~6 000 m 3 /h，通过模块化组合基本可以满足单点岗位空调需求；定修线（周月检线）的1层及坑道采用两端加强、全长供冷的方式，单侧送风形式时中段冷量约1.2 kW/m。
3） 车辆基地大型车库的岗位空调适合采用集中供冷（冷水）、分散空调机组的系统方式，并应考虑同时作业率和配套控制管理措施。
