地铁车辆空调设计问题的探讨
摘要： 结合目前国内各城市地铁列车空调设计要求、车辆技术规格要求和广州地铁车辆的实际运营情况，针对地铁车辆空调的特点，提出了设计中应考虑和关注的几个技术问题。
关键词： 地铁车辆； 空调； 设计； 问题探讨
0 引言
随着城市地铁建设的不断发展，对地铁车辆空调系统的要求也越来越高。目前，铁路列车空调机组的设计有规范、标准。欧洲结合地铁车辆的特点，在3标准的基础上已编制了针对地铁、轻轨车辆空调设计的相关标准； 而我国目前在地铁、轻轨列车空调设计方面尚未制定标准。本文结合广州、上海地铁车辆空调的特点，就地铁列车空调设计中的几个技术问题进行了探讨。
1 制冷量的合理确定
1.热负荷计算
地铁车辆空调装置的有效制冷量是用来平衡列车使用中车内热负荷及新风热负荷的。其计算公式为
7 Q y = Qi =1
式中：Q 1i——车体隔热壁传热负荷；
Q2—— 太阳辐射热负荷；
Q3—— 乘客散出的显热负荷；
Q4—— 乘客散出的潜热负荷；
Q5—— 车内机电设备、照明器具等散发的热负荷；
Q6—— 新风带来的显热负荷；
Q7—— 新风带来的潜热负荷。
通常情况下，在车厢空气参数确定后，所需的有效制冷量大小主要取决于外气参数、车体传热系数、车内定员及新风量。
2. 车外温度、湿度的合理确定
因各城市所处的地理位置以及隧道结构、列车运营速度等方面的差异，车辆运用时隧道内外的大气参数选取应具体结合各城市当地的气象资料，而不要照搬照抄。若外气参数选用不合理，不但会造成设计计算与实际运用情况之间的不吻合，机组设计余量过大或偏小，甚至会加大电源设备的功率、重量，从投资和将来运营的角度来看，不仅不合适也是极不合算的。
车辆运行初期，隧道内的温度相对较低，湿度较大，但随着列车运营时间加长，空调冷凝器散热，制动电阻、闸瓦、牵引电机、隧道照明等设备的发热，隧道温度会不断上升、相对湿度会下降。从香港西铁所做的运营计算模拟曲线上看到，列车运营 年后，隧道墙体的温度将会上升5℃，隧道内的平均温度约上升8℃。加之车站屏蔽门的设置，长期运营后，隧道区间温度已基本趋于一致，而且车辆在隧道内的运行环境后期比运营初期要恶劣些。
因此从总体设计、运用来看，各城市应结合当地环境参数、隧道结构条件、列车时速要求以及车站是否加设屏蔽门、隧道风机配置和使用等情况，通过模拟计算来确定隧道内温度、湿度参数，使之接近实际运用情况，为空调机组的设计提供合理的设计参数。
3. 车体材料及列车运行速度对传热系数K 的影响
在计算整车的热负荷中，传热系数K 值因车体隔热壁厚度、材料的性能、门窗和连接通道结构和列车运营时速等不同而异。地铁车辆车体材料目前较常用的是不锈钢和铝合金材料。日本对不同车的K 值试验研究表明，不锈钢车的传热系数为 m2·K，铝合金车的传热系数为 m2·K，车体门窗在结构和尺寸上的差异，影响整车的传热系数。另外，列车在静止和运行情况下，传热系数K 也是变化的，即传热系数随列车运行速度的提高而增大，若列车运行平均速度达到 ， 那么，车体的传热系数将比静止情况下增长%。因此在设计计算中应结合车体材料、门窗结构、列车平均旅行速度等具体情况来确定车体的传热系数计算值。
4. 车内定员及新风量的合理确定
在对广州、南京等地铁车辆空调热负荷的计算中发现，在列车热负荷的各组成中，定员对热负荷的影响可以说是最大的。因为定员数决定着新风量以及由于乘客带来的显热和潜热，在热负荷组成比例中定员因素影响的比例占了整个总负荷的%。
以广州地铁1号线为例，车辆空调设计是基于2的定员载荷。在此设计计算中要求每节车的乘客数达到0人，在地铁目前的运营模式下，日均载客量应在 万人次才能达到设计要求。而实际运营中，由于各种因素所致，客流量都未能达到设计值。在低峰时，每节车的载客量不足0人，即使在客流量最高峰时，每日的最大载客量也仅为 万人次，亦即每节车的载客量为5人，这样的载客量远未达到设计的定员数量。
统计计算表明，每节车的热负荷比例中，新风热负荷通常占总负荷的%～%，而新风量只取决于车内定员，因此必须结合定员来合理确定新风量。
因地铁列车运行区间短、开关门频繁、乘客在车内的停留时间较短，因此地铁列车的人均新风量可适当地低于铁路的要求。根据欧洲地铁列车空调设计的相关标准9，对于地铁或轻轨列车设计，B型车空调系统的人均新风量可选取 m3·人，而A型车推荐的人均新风量为5m3·人。
5. 行车密度及隧道活塞效应对热负荷的影响
随着地铁运营客流量的增加，行车密度也需随之加大，伴随着列车的启动、加速、惰行、减速、停止等运动状况产生的区间隧道内活塞风随时间变化而处于不稳定状态，而活塞风对地铁隧道热环境将造成一定的影响。如广州、上海地铁列车的运营设计发车间隔为4n，若车辆运行时隧道热量不能及时排出，在隧道活塞效应作用下，可能造成隧道内局部区间的温度偏高。在运营中，前一列车离开后，若该区间空调系统的冷凝散热不及时，后续车辆的外部温度就会升高，造成冷凝器和新风吸入温度高于原设计值。另外,近年来国内地铁设计中，趋向于设计土建几何尺寸较小的隧道，地铁列车故障导致隧道区间阻塞，这些都会造成隧道温度升高从而对热负荷产生直接影响。
2 通风系统的优化设计
目前为了降低地铁建设造价，新建的地铁都严格控制着隧道土建的工程量，因此通常隧道截面都不会太大。这使得车辆的结构设计尺寸受到很大限制，特别是车体高度尺寸。如北京地铁八通线的B型车，其车体高度仅为30，车厢内净高仅为220，空调机组的设计高度要低于0，较大幅度地限制了空调系统包括车内风道的设计尺寸。为保证送风均匀，降低噪声，必须对通风系统进行优化设计。
1. 温度均匀性
客室内温度均匀性主要取决于风道送风的均匀性，所以风道的设计至关重要。目前广州1、2号线、上海2号线地铁都采用了静压条缝式均匀送风风道。这种风道的优点在于结构简单、送风性能良好、维修方便。但在该风道的设计中要注意以下几个问题：
（1） 为了控制客室内的噪音，尽量保证主风道内最大风速不高于8s；
（2） 在充分考虑风道阻力及噪声后，主风道送风条缝和静压风道送风条缝的宽度尺寸越小越好；
（3）为使靠近机组两端风道的送风量不至于过小，应在主风道内适当加设挡风板，其尺寸最好由试验确定；
（4） 建议在主风道与静压箱隔板上粘贴吸音材料，以降低噪声。
2. 气流组织及微风速
气流组织是否合理，与送风口和回风口的位置、型式、大小、送风气流的流态和运动参数、送风温差、客室结构等多方面因素有关，且送风射流的作用区要比回风口的作用区大得多。
对于地铁列车来说，比较适用的气流组织有： 上侧送下侧回气流和孔板送风。若采用孔板送风，则需要使稳压层内各处的静压相同，才能达到各孔口有相同的风速，实现均匀送风。
地铁列车车厢内由于内顶较低（一般不大于20）， 而乘客多处于站立区，因此如果送风速度过高、送风温差大，会使乘客有明显的“吹风感”，这是设计中必须要避免的； 但地铁列车载客量大时，若送风速度过低，则衰减快、气流组织差，夏季乘客会感到车内温差大、不凉爽。多数乘客在车内停留时间一般在 n内，因此车内微风速可以比铁路要求的 s大。在C标准中，环境温度在 ℃时，风速允许达到5s，值得借鉴。
3. 噪声
地铁列车在隧道中运行时，各种设备发出的噪声难以扩散，要经过隧道壁面的多次反复衰减，因此对列车上设备的噪声有着严格的控制要求。车内空调通风机和风道内的空气流动是直接的噪声源，必须通过选用低噪声和多叶片的离心风机和消声风道来解决； 而在站台上，空调机组冷凝风机的噪声就显得十分突出，冷凝风机必须选用低噪声、低转速、大流量的轴流风机，来尽可能降低噪声。
3 空气品质
空调系统除了要控制好客室的温湿度、风速外，还要保证客室空气的洁净度。地铁列车长期在隧道中运行，若过滤网选用不当，受电弓碳滑板和制动闸瓦产生的大量碳粉以及隧道中的积尘，就会直接影响客室的空气洁净度。国内在地铁列车设计中对该项的要求和检验标准目前也存在着空白。
对于线路区间隧道较长的地铁列车，司机往往需要长时间停留在氧气和阳光较少的地方，所以列车设计也要充分体现“以人为本”的原则，尽可能为司机创造一个较好的工作环境。建议在司机室内单独加装空气清新机或负氧离子发生器等设备，以改善司机的工作环境。
4 节能措施
从广州地铁1号线列车运行能耗试验数据看，在夏季，一节车空调的能耗约占整列车总能耗的%。从运营的长远效益来看，采用各种方式来达到列车空调节能运行是十分必要的。
第一，要确定适当的室外设计计算参数和新风量，避免因设计参数不合理而导致制冷量设计过大，从而造成能耗增加； 第二，列车在没有载客运营情况下，可关闭空调机组所有的新风口，通过预热或预冷，使车厢温度尽快达到设定值，以减少不必要的能源浪费； 第三，由于实际运行中客流量变化较大，可能出现低于预测值或因其他因素导致部分区间的客流量未达到设计值的情况，即载客量少于定员2的设计值，造成因新风量过高而产生的能源浪费。因此在客室中装设2检测器，利用自动新风调节门来调整所需的新风量大小，从而达到节能运营的目的。
5 安全性
列车运行中，对乘客的安全保障是至关重要的。空调系统不仅要提供给乘客一个舒适的乘车环境，也应在紧急情况下，提供必要的保护措施。
正常情况下，空调系统工作的交流电源是由列车辅助电源提供的，由于运行中，列车是一个封闭的空间， 因此，在整列车交流电源失效的情况下，应能通过空调紧急逆变器将列车蓄电池的直流电源逆变成交流电，维持一定时间的应急通风，保证紧急情况下，乘客在车内停留时所需的氧气量。
另外，虽然地铁设计中对隧道内的电线、电缆等材料有相关的防火标准和要求，但设计中也应考虑到，万一隧道内发生火灾，司机应能在司机室关闭列车所有的吸排风口，避免烟雾等对乘客的危害，便于将列车从火灾区开到安全区域。
6结论
列车制冷量决定着空调机组的功率、设备噪声和尺寸、辅助供电量等。它的计算主要取决于外气和隧道温度、湿度、车体计算传热系数、车内设计定员及新风量，并因各城市大气和隧道条件、车型等具体情况而不同。设计中必须确定好这些参数，避免因设计参数不合理而导致机组设计制冷量过高或不足。
地铁列车通风系统要求提高风速的均匀性、并可适当提高平均微风速，但又要控制好主风道的风速，避免风速过高带来的噪声，因此必须优化通风系统，提高列车乘坐的舒适性。车厢内的空气品质问题不应该再被忽略，笔者建议国内尽快建立相应的设计和检验标准。地铁车辆空调设计还应考虑列车运营的长远性，设计中应采取可能的方式来降低空调机组的能耗，达到运营节能的目的； 同时应设有紧急通风和隧道火灾防烟等措施来保证各种突发事件下的运营安全性。
