一种地铁车辆通风系统设计中的压力问题探讨

陈 光

(常州长青交通科技股份有限公司 技术中心，江苏 常州 213125)

一种地铁车辆通风系统设计中的压力问题探讨

陈 光

(常州长青交通科技股份有限公司 技术中心，江苏 常州 213125)

为解决地铁车辆因排风帽设计不合理导致出现内压较大(80Pa～90Pa)，以致客室车门无法正常关闭的问题，通过改进排放废气的风道部件结构，合理布置监测点，优化了客室内压控制，改善了车辆乘坐环境，提高了乘客满意度。

地铁车辆；通风系统；压力分析

地铁车辆通风系统是地铁车辆空调系统的重要组成部分。空调系统一般包括空调机组、通风系统(送风系统、排风系统)、控制系统和紧急逆变电源。在每节车厢至少设置一套空调机组，空调机组包括室内机和室外机，室内机和室外机之间通过冷媒管路连接形成制冷循环回路，室内机安装于车内顶板上方，室外机安装于车底。室内机的出风口和进风口分别通过送风风道和回风风道与位于车内的送风口和回风口连通。在实际应用中，曾有地铁车辆因排风帽设计不合理，以致发生客室内压较大的情况。如深圳地铁一号线和南京地铁一号线客室正压过高(80Pa～90Pa)，导致客室车门无法正常关闭。后来采取的补救措施是：深圳地铁一号线在门下加一排出气孔；南京地铁一号线在侧墙增加排风口数量。这种措施虽然能降低内压，却会导致车厢不封闭[1]。因此，应通过合理地改进排放废气的风道部件(以下简称废排)的结构，并优化监测点布置，将客室内压控制在合理范围内，以解决车门难以关闭的问题，同时改善车厢封闭情况。

1 风道结构及其安装布置

风道截面通常为矩形和圆形，本风道截面为矩形，材料为1mm厚的AL 5052-H22铝合金。该材料抗拉强度高(据GBT3880.2-2006一般工业用铝及铝合金板材的力学性能，达210MPa～260MPa)，质量轻(密度约2.7g/cm3)，表面阳极氧化15μm～20μm，抗腐蚀性良好。

图1中上图为仰视图，下图为水平正视图。该图面板已透明化处理，可以看见内部风挡和圆弧过渡导流板，风道两边安装支架。风道D出风口带有连接管与圆形风管连接通向司机室，分配箱进风口连接空调机组出风口。序号为1，3，4，5，6的送风道进风口与分配箱出风口连接，送风道出风口与出风格栅(又叫散流器)的上平面连接，空调风则被送入客室。

1—风道D;2—分配箱;3—风道B;4—扁风道2;5—扁风道1;6—风道A ;7—出风口

图2中，出风格栅在顶板的两侧，侧边与侧顶连接成为一体，上平面安装送风道；回风格栅位于中顶板中间的开孔处，回风格栅上平面安装回风道。客室空气经回风格栅至回风道，其中部分空气进入空调机组与吸入的新风混合经冷却过滤被离心风机送入送风道，在客室内形成循环，达到调节温度、湿度的目的。新旧风量的混合比例由调节阀门控制。其余的空气经废排出口排到车外。

图3所示为废排的下侧面外观图，废排安装在车顶，废排外罩喷漆以预防腐蚀，而且此部件更换方便、成本低廉。图4所示为空气压力示意图，外部为废排外罩，内侧为废排内罩。

1—中顶板；2—出风栅格；3—回风栅格

图3 废排底面及内部结构

图4 废排截面空气压力示意图

2 双风机系统

双风机系统是指同时设置有送风机和回风机的空调系统，系统内的压力损失由送风机和回风机共同承担。双风机空调系统风管内全压分布如图5所示。图6所示为气流图，对于双风机系统来说，排风必须处于回风机的正压段，而新风和回风必须处于送风机的负压段。可以看出空气在风管内的流动规律为：(1)风机的压头等于风机进、出口的全压差，或者说等于该风机所负担的风管系统沿程压力损失和局部压力损失之和。(2)风机吸入段的全压和静压均为负值，在风机入口处负压值最大；风机压出段的全压和静压一般情况下均为正值，在风机出口处正压值最大。(3)在风机的压出段，如果动压值大于全压值时，则该处的静压会出现负值。(4)设计时应注意各并联支路的阻力平衡。

图5 双风机空调系统风管内压力分布图

图6 空调系统气流图

3 调压原理

排气一般是对应新风的，如果车辆客室只引入新风，那么这个车辆客室就是正压，客室前中后分别安装氧分压传感器和气压传感器，测控车辆客室氧气含量和气压。根据气态方程：

PV=nRT

式中：P为压强；V为体积；n为物质的量；R为普适气体常量；T为绝对温度，K。当P，V，n，T的单位分别采用Pa，m3，mol，K时，R的数值为8.31。该方程严格意义上来说只适用于理想气体，但近似可用于非极端情况(低温或高压)的真实气体(包括常温常压)。

(1)

式中：V0为客室内部空间体积；P3为客室内部气压。

从式(1)可以看出V0，R，T为定值时，不管新风量增加，氧气含量增加，还是回风量增加，只要总风量增加，车内气压就增大，即n(物质的量)增加，则客室压力P3增大。这里假设客室内部温度恒定常温。根据通风系统压力分布可得：

(2)

式中：P2为废排进口气压；Ps为回风格栅回风道压力损失；Pz为回风机的增压。

排气门处于恰好关闭的平衡状态时，由图4可知：

(3)

由式(2)、(3)可得：

式中：α为排气门与铅直方向的夹角；P1为废排出口气压；G为排气门的自重；S为排气门出风口的面积。

当客室气压P3增大，且Ps，P1，S，Pz为定值时，排风量增大。当式(4)成立时，废排气门打开，向车外排气，降低气压。

(4)

由于乘客呼吸，导致氧气含量降低，氧分压传感器发送氧分压低于限定值的信号至控制器，控制器处理信号后发送指令调节阀门增大新风量和回风量混合比，控制送风机增速，从而维持客室氧分压平衡。当客室压力较大时，压力传感器发送信号至控制器，控制器处理信号后发出指令，控制调节阀，减小回风比例；控制送风机降速，回风机增速，减少的回风量经废排排到车外，降低客室气压，从而维持客室气压平衡。

当P3+Pz≤Gsinα时，排气门关闭，停止排气。

由公式(4)可知，当排气门倾角α增大或者排气门的自重G增加时，增大Pz或者减小P1(车辆运行时，产生涡流形成负压区所致)，至排气门内外的压差P2-P1>Gsinα/S时，才能打开排气门。因此，设计排气门应考虑排气门的大小、自重、倾斜角度以及排气口的面积。排气口大，排风量大，需要引入的新风量也大，会增加空调负荷；排风口小，排风量小，会导致车内压力过高，车门关闭困难。

4 压力计算

某地铁车辆废排的排气门的材料为1mm厚的AL5052-H22铝合金，初始倾角α=18°，排气门的成型尺寸为430mm×86mm×0.8mm，加上咬边，展开宽度为96mm，自重约0.09kg，G=0.882N，出风口尺寸为410mm×62mm，面积S=0.025 42m2，回风道长度l=0.106 5m。

废排排气门在初始角处于平衡时，则有：

P3-Ps+Pz-P1=0.882sin18°/ 0.025 42=10.722(Pa)

客室气压为：

(5)

回风道压力损失Ps为：

(6)

a.回风道沿程压力损失。

(7)

(8)

式中：△py为单位管长沿程压力损失，也称为单位管长摩擦阻力损失，Pa/m；ρ为空气密度，标准状况下ρ=1.2kg/m3；υ为风管内空气的平均流速，m/s；de为矩形风管的当量直径，m。

圆形风管的当量直径de=d，d为风管直径；矩形风管的当量直径de=2ab/(a+b)，其中的a,b分别为矩形风管的两个边长。本例的回风道矩形边长a=0.216m，b=0.195m，de=0.205m。

使用柯列勃洛克-怀特公式求λ值：

(9)

式中：λ为摩擦阻力系数；K为风管内壁的当量绝对粗糙度；Re为雷诺数，Re=υde/ν，其中ν为空气的运动粘度。标准状况下，ν=15.06×10-6m2/s，Re=2.722×104。回风口位于客室上部时，客室净高2.5～3.0m时吸风速度取υ=2m/s。

由于内贴吸音板材(与石膏板相近)，查表1，得K=1。根据公式(9)可解得λ=25。

标准状况损失压差：

△Py1=0.106 5△py=0.106 5λ/de×υ2ρ/2=0.106 5λ/0.205×2×2×1.2/2 =1.247λ

△Py1=31.175(Pa)。

表1 各种材料的平均绝对粗糙度表[2]

上述是在标准状况条件下求得的数值。海拔高度对气压的影响应予修正，以南京为例，由参考文献[2]中表1-1室外气象参数，查得南京海拔高度为8.9m。再由参考文献[3]中图18-3海拔高度和温度对摩擦损失的修正系数，查得修正系数ε=0.999。

对标准状况损失压差海拔高度修正后，沿程压力损失：

△Py=△Py1ε=1.247λε=31.175×0.999=31.144(Pa)

b.回风道局部阻力。

△Pj=ζυ2ρ/2

式中：ζ为局部阻力系数；回风道进气口面积A1=0.051m2，回风道出气口面积A0=0.032m2。

υ1/υ0=A0/A1=0.627

通过查阅参考文献[2]可知ζ=0.25；υ为ζ与之对应的断面流速。

△Pj=2×2×1.2×ζ/2=0.6(Pa)

c.回风道压力损失。

Ps=△Py+△Pj=31.744(Pa)

则由式(5)可得：

P3+ Pz=42.466+P1

因为P1=Px+P0，所以

P3+Pz=42.466+Px+P0

(10)

式中：P0为标准大气压；Px为任意速度时的涡流产生的负压值。

5 优点分析

由于车辆运行有一定的速度，在排风帽附近形成气流(如图7所示)，则排风帽顶出口处出现涡流[4]，形成负压区，有利于排风帽内气体流出，降低排风帽进口压力。

图7 排风帽气流图

若保持客室压力P3≈P0(标准气压人感觉最舒适)且恒定：

a.当车速v为0时，Px=0Pa,由式(10)得出P3+Pz>42.466+P0。此条件下方可以排出废气。

必须回风机的增压Pz>42.466Pa，即排气门内外压差为正时，方可以排出废气。此时，回风机以较大负荷维持正压。

b.当车速v=22.2m/s(80km/h)时，Px=Pmax，Pmax为最大车速时的负压值(Pmax<0)，P142.466+Pmax+P0。

由前提条件P3≈P0可知：此时42.466≥Pz>42.466+Pmax，仍可以排出废气。此时，涡流产生的负压差抵消了部分排气门的自重影响，回风机以较小的负荷维持一定的正压差，即可排气。

当涡流产生的负压差Pmax<-42.466Pa时，即便Pz为0，回风机停机，P3>42.466+Pmax+P0,客室相对于排气口仍是正压，可以排出废气，减小了回风机的功耗，节约了能源。需要注意的是，应根据实验测得的Pmax值以及当地的年平均风速和风向的影响，考虑废排设计，避免涡流导致的负压值过大，出现排气过度，甚至引起客室负压而导致通过提升送风机功率来维持气压的问题。

c.如果排气门增加自重，或是α更大(甚至接近90°)，需要回风机输出更大的功率，Pz增大到足以克服门更大的自重所产生的力矩，才可以打开排气门排气。

[1] 穆广友，臧建彬．地铁车车辆空调设计要点分析[J]．城市轨道交通研究，2008,11(11):29-32.

[2] 孙一坚．简明通风设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1997：12-242.

[3] 陆耀庆．供暖通风设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1987：815.

[4] 王芳，臧建彬，程熠．运行速度对地铁车辆排风风帽排风特性影响的研究[C]//中国制冷学会2009年学术年会论文集．北京：同方知网数字出版技术股份有限公司，2009.

TheDesignofaVentilationSysteminSubwayCarsPressureEquipment

CHEN Guang

(Changzhou Evergreen Transport Technology Co., Ltd. Jiangsu Changzhou, 213125, China)

In order to solve the metro vehicle for not reasonable design of exhaust hood, larger pressure (120pa) and unable closed door at passenger compartment, it improves the waste discharge structure, arranges the rational monitoring points, optimizes the passenger compartment pressure control, improves vehicle ride environment. This increases passenger satisfaction.

Metro Vehicle; Ventilation Systems; Pressure Analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.016

2014-08-19

陈光(1974—)，男，江苏邳州人，在常州长青交通科技股份有限公司主要从事地铁与高铁内部构件方面的技术工作。

TH122

B

2095-509X(2014)09-0066-04