与普通建筑环境相比,地铁运行环境具有显著的特殊性,对空调系统的要求也更高。为了确保地铁车厢内环境的舒适性和安全性,需要对地铁空调系统进行精确的负荷计算和分析。本文将从地铁空调负荷特点、热量来源、防排烟设计等方面,深入探讨地铁空调系统的设计要点。
与普通建筑环境相比,地铁运行环境具有显著的特殊性,对空调系统的要求也更高。为了确保地铁车厢内环境的舒适性和安全性,需要对地铁空调系统进行精确的负荷计算和分析。本文将从地铁空调负荷特点、热量来源、防排烟设计等方面,深入探讨地铁空调系统的设计要点。
1、 地铁空调负荷特点
地铁空调负荷具有显著的动态特性,主要受客流量和列车运行状态的影响。在早晚高峰时段,大量乘客进出车厢,造成空调负荷急剧变化。此外,列车启动、加速、制动等过程也会引起空调负荷的波动[1]。因此,地铁空调系统必须具有良好的动态响应能力,以适应负荷的快速变化。
地铁隧道内温度、湿度较高,显热和潜热负荷都较大。特别是在夏季,隧道温度可达35℃以上,相对湿度也在60%以上[2]。这种高温高湿的环境会显著增加空调系统的制冷负荷。此外,隧道压力波动也会对车厢环境产生影响,需要在空调系统设计中予以考虑。
地铁车辆中的牵引电机、制动电阻等设备在运行过程中会产生大量的发热,这些发热会直接进入车厢,增加空调系统的冷却负荷。根据实测数据,设备发热量可达车厢总冷负荷的30%以上[3]。合理评估和控制设备发热,是地铁空调系统设计的重要考量因素。
为了保证乘客的舒适性和车厢空气品质,地铁空调系统需要引入大量新风。新风不仅会带来显热负荷,还会带来大量的潜热负荷。据测算,新风负荷可占总冷负荷的20%以上[4]。如何在满足新风需求的同时,减小新风负荷对制冷系统的影响,是地铁空调设计需要解决的问题。
优缺点对比：
乘客散热是地铁空调负荷的主要来源之一。成年乘客的显热散热量为155W,潜热散热量为105W[5]。假设某地铁车厢高峰期乘客数量为250人,则乘客散热产生的冷负荷为:
显热负荷:250×155=38750W=38.75kW
潜热负荷:250×105=26250W=26.25kW
需要注意的是,乘客散热量会随着车厢拥挤度、乘客活动状态等因素而变化。在负荷计算中,应考虑一定的裕量,以应对乘客散热的波动。
牵引电机、辅助设备、照明等是地铁车厢内的主要发热设备。以某型号地铁列车为例,牵引电机和辅助设备的总发热量约为150kW[6]。车厢照明按每节车厢50只21W荧光灯计算,照明发热负荷为1.05kW。
设备发热量还与列车的运行工况有关。在加速、爬坡等工况下,牵引电机的发热量会显著增大。因此,在进行空调负荷计算时,需要针对不同工况下的设备发热量进行分析。
车厢围护结构(车体、车窗、地板等)与外界环境存在温差,会通过传热方式增加空调负荷。以某地铁车厢为例,围护结构总面积为230m2,传热系数为1.3W/(m2·K),车厢内外温差按20℃计算,则围护结构传热负荷为:
230×1.3×20=5980W=5.98kW
实际运行中,车厢内外温差会随环境条件和空调系统运行状态而变化。在进行负荷计算时,应选取合理的设计工况,并预留一定的调节裕量。
引入新风会给空调系统带来显热和潜热负荷。以某地铁车厢为例,新风量为5000m3/h,外界空气温度35℃,相对湿度70%,车内目标温度27℃,相对湿度60%,则新风显热负荷为23.25kW,潜热负荷为20.31kW[7]。
新风负荷还受到隧道环境、列车速度等因素的影响。例如,当列车高速运行时,车厢与隧道之间的压差会导致新风量增大,进而增加新风负荷。因此,在进行新风负荷计算时,需要综合考虑各种影响因素。
综合以上各项负荷,并考虑一定的裕量,某地铁列车的空调系统总冷负荷约为:
38.75+26.25+150+1.05+5.98+23.25+20.31≈265kW
相当于75RT(1RT=3.517kW)的制冷量。
在实际工程设计中,还需进一步考虑列车披载、隧道环境、运行工况等因素的影响,以及系统能效比、经济性等指标,来最终确定空调系统的装机容量和配置方案。
值得一提的是,丹佛斯变频器采用了独特的"火灾模式",能够显著提升防排烟系统的可靠性。当变频器检测到火灾信号时,会自动切换到特定的控制策略,强制启动排烟风机,并能在600℃高温下连续工作120分钟[9]。这种"火灾模式"的设计,大大提高了地铁防排烟系统的可靠性和安全性,为乘客提供了更加可靠的安全保障。
地铁空调系统的形式选择,对系统性能和节能效果有重要影响。目前,地铁空调系统主要有集中式和分布式两种形式。集中式空调系统将制冷机组集中布置在列车端部,通过风管将冷风输送到各节车厢。这种形式布局紧凑,维护方便,但存在冷量输送损失大、系统灵活性差等问题。分布式空调系统则将制冷机组分散布置在各节车厢,每节车厢独立控制。这种形式可根据各车厢的实际负荷需求进行独立调节,具有更高的灵活性和节能潜力[10]。
因此,在地铁空调系统设计中,应根据实际情况,合理选择集中式或分布式形式,以达到最佳的性能和节能效果。
变频控制是提高地铁空调系统节能效果的重要手段。传统的定频控制方式下,空调系统无法根据负荷变化进行调节,导致能耗浪费。采用变频控制后,可以根据车厢温度、乘客数量等参数,实时调节压缩机和风机的运行频率,使制冷量与负荷需求相匹配,从而达到节能目的[11]。
在变频控制策略优化中,可采用模糊控制、预测控制等智能算法,根据历史数据和实时监测数据,预测未来一段时间的负荷变化,提前调整压缩机和风机频率,实现更加精准和高效的控制[12]。同时,还可结合乘客舒适度评价模型,在满足舒适性要求的前提下,进一步优化变频控制策略,最大限度地减少能耗。
优化新风系统是减小地铁空调负荷、提高节能效果的另一个重要方面。传统的新风系统全新风运行,能耗较高。采用新风热回收技术,可以显著降低新风负荷。例如,使用转轮式热回收装置,可以将排风中的热量和湿气转移到新风中,从而减小新风的显热和潜热负荷[13]。
另一种优化方式是采用变新风量控制策略。根据车厢CO2浓度、乘客数量等参数,动态调节新风量,在满足车厢空气品质要求的同时,最小化新风负荷[14]。这种策略可以在高峰期适当减小新风量,在客流较少时增大新风量,从而在保证乘客舒适度的同时,达到节能目的。
[1] 陈阳,李明.地铁环境控制系统设计探讨[J].制冷与空调,2015,29(2):51-55.
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[3] 蒋兆贤.地铁车辆牵引与辅助系统[M].北京:中国铁道出版社,2013:162-165.
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[5] 李娜.地铁车辆空调系统的设计与节能研究[D].西安交通大学,2016.
[6] 王鹏,张永清.某型地铁车辆空调系统设计[J].客车技术与研究,2012(4):20-24.
[7] 马鸿雁.地铁车辆空调系统负荷计算及节能分析[D].北京交通大学,2019.
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[9] 丹佛斯.VACON 100 FLOW变频器选型手册[EB/OL].
[10] 姚志刚,刘加平,黄晶晶.地铁车辆空调系统形式及节能分析[J].制冷与空调,2016,30(2):130-134.
[11] 张永清,王鹏.地铁车辆空调系统的变频节能控制[J].城市轨道交通研究,2015,18(9):71-74.
[12] 刘俊杰.地铁车辆空调系统节能控制策略研究[D].西南交通大学,2017.
[13] 李三民,吴亚非,柳贺楠.地铁车辆空调系统新风热回收技术应用[J].制冷与空调,2021,35(2):209-214.
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