基于幅流风机的城市轨道交通客车动态空调分析

康 伟

（长春轨道客车股份有限公司城市轨道交通技术部，130062，长春∥高级工程师）

目前，我国城市轨道交通发展迅猛。城市轨道交通客车空调系统能耗在总能耗中占有相当大比例，已严重影响到城市轨道交通运营的经济性［1］。传统的空调策略力图维持一个稳定的室内环境，而室内环境的稳定需要消耗大量的能源，同时对人体的健康不利。另外，城市轨道交通客车空调系统中，由于车辆运行过程中车内旅客上下、开关门频繁，很难保持稳定的热环境。动态空调策略［2］是通过对室内热环境的适当动态化，即某些或某个热环境参数的适当动态化，在尽可能减少能量消耗和环境污染的条件下，提供健康、舒适和可接受的室内环境，以达到舒适和节能的统一。城市轨道交通客车空调系统中幅流风机的应用充分体现了动态空调策略在城市轨道交通客车空调系统中的优势：利用风速动态化提供给乘客富于变化的、有利于人体健康的空调环境，同时可以减小系统能耗。

1 动态空调策略

动态空调策略与传统稳态空调策略的区别在于通过某个或数个室内空气参数的变化给人以适当的刺激，以达到健康、节能、舒适的空调环境。

1.1 稳态空调

稳态空调策略的主要特征是稳定性和热中性，其主要目的是维持室内热环境的稳定。然而，空调房间相对稳定的低温环境，会使人产生许多“空调不适应症”。室内外较大温差造成的热冲击对人体健康不利；长期生活在稳定的低温环境，人体生理调节机能得不到锻炼，抵抗能力被削弱。另外，稳态空调要维持人体的热中性，空气温度一般低于26 ℃，增加空气流动易造成人体冷吹风感，因而室内空气流速须限制在较低水平，容易使人感到空气沉闷，不能满足人体舒适性要求。

为了维持室内较低温度，不仅要花费大量的能量及设备投资，而且由于室内热量排至室外，造成室外环境热污染。特别是地下运行的地铁车辆，大量热量堆积在隧道内，导致隧道温度显著升高，进而增加列车空调负荷，产生恶性循环。因此，如何解决稳态空调在城市轨道交通客车中的缺陷成为城市轨道交通客车空调系统发展的方向。

1.2 动态空调

动态空调旨在通过热环境的适当动态化，即某个或数个室内空气参数的适当动态化，给人以适当的刺激，以达到健康、节能、舒适的目的。

稳态热环境的人体热感觉可用下式描述［3］：

其中：TSV为热感觉指标，Ta为空气温度，Tr为平均辐射温度，Rh为相对湿度，v为人体感受到的平均风速，met为新陈代谢率，Iclo为着衣量。

在构成热环境的4个参数（空气温度、风速、相对温度、平均辐射温度）中，相对湿度在30%～70%范围内波动对人体的热感觉和热舒适无明显影响，而室内表面平均辐射温度的变化也很有限。因此，动态化热环境的实现主要依赖空气温度和风速的变化。温度动态化可以给人体适当刺激，改善稳定情况下无差别状态；风速的动态化不但可以改善热舒适，且其具有明显的温度补偿功能，即使在空气达到较高温度时，利用动态送风模式，仍可使人群的热反应具有较高的可接受性；此时冷吹风感转化为对空气流动的需求感，室内空气沉闷情况可得到改善，感知空气品质得到相应改善。相关研究表明，利用动态风可以改善室内热环境［4－5］。另外，在同样环境条件下，风速从0.1 m／s提高到2.0m／s时，人的体感温度一般可下降2℃左右（温度越高时，降低的幅度越大）因此利用风速动态化，可适当提高室内设定温度，实现舒适与节能的双重效果。

2 幅流风机

幅流风机是一种小型的贯流式风机，其流量小、噪声低、造型美观，实物见图1。

图1 幅流风机实物图

近年来，作为大多数民用空调室内送风机，幅流风机在空调系统中得到广泛应用。

幅流风机工作时，叶轮在电动机的作用下快速旋转，向客室送风；叶轮的蜗壳在摆动机构的作用下，在风机下方70°范围内做往复运动，风机吹向乘客的是间歇式动态风。这样，一方面减小了长期吹风可能带来的冷吹风感，另一方面通过幅流风机的间歇作用实现风速动态化，改善了车厢内的热环境。

幅流风机通常沿车体长度方向布置4～8台，不同车厢内的布置方式稍有差异，详见图2、图3。幅流风机通过减震器安装于车顶钢结构上，嵌于客室顶板。幅流风机下设幅流格栅，幅流风机通过幅流格栅向客室送风。

3 幅流风机在城市轨道交通客车空调系统中的作用

图2 中间车厢幅流风机布置示意图

图3 头车厢幅流风机布置示意图

幅流风机在城市轨道交通客车空调系统中的作用主要体现在舒适性改善及节能两个主要方面。

3.1 幅流风机舒适性改善效果分析

本文首先对一空调房间装设幅流风机前后的流场进行数值计算，其数值计算模型见图4。图5、图6为装设幅流风机前后的空调房间温度分布图。

图4 数值模拟计算模型

图5 未装设幅流风机的温度分布

图6 装设幅流风机的温度分布

通过对比可以看出，未装设幅流风机时，室内有显著的垂直温度梯度，最高温度达到26 ℃以上，热舒适性较差；而装设幅流风机后，室内温度分布比较均匀，最高温度为25 ℃，热舒适性较好。

图7为装设幅流风机前后的空调房间风速分布图。通过对比可以看出，未装设幅流风机时，送风口处风速最大，约为0.7 m／s；人员活动区域甚至出现了“死区”，室内空气流动性差，会使人员感觉沉闷，舒适性较差。装设幅流风机后，幅流风机下方风速最大，达到1.0m／s以上；人员活动区风速达到0.3～0.4 m／s，室内空气流通性好，可以适当增加室内设定温度，实现舒适与节能的双重效果。

图7 装设幅流风机前后的空调房间风速分布

同时，本文对一城市轨道交通车厢装设幅流风机前后的流场进行了数值计算，数值计算中的送风温度设定为15℃，车体壁面温度设定为27℃，幅流风机装设在车顶中间。图8、图9为装设幅流风机前后的车厢内风速、温度分布图。通过对比可以看出：未装设幅流风机时，车厢内送风口及其下方区域风速较高，达到0.5～0.6 m／s，会产生强烈的冷吹风感，而车厢其他大部分区域风速相对较低，空气流动性差，断面温度分布差异显著，局部温度达到33℃，热舒适性较差；增设幅流风机后，车厢内送风口下方风速相对降低，冷吹风感减弱，而车厢整体断面风速相对增加，空气流通有所改善，断面温度分布比较均匀，为22 ℃左右，温度较低。

图8 未装设幅流风机的风速分布和温度分布

图9 装设幅流风机的风速分布和温度分布

所以，增设幅流风机后应适当提高送风温度，可以在满足热舒适条件下达到节能效果。

3.2 幅流风机节能效果分析

社会的可持续发展政策使得空调系统能耗问题成为社会关注的焦点。城市轨道交通客车中幅流风机的使用可以适当提高车厢设定温度，不仅可以减小空调负荷，而且可以提高制冷系统的效率，从而降低系统能耗。

PMV（预测平均投票数）指标是根据人体热平衡偏离程度的人体热负荷而得出的，用以表征人体热感觉，代表了同一环境中大多数人的感觉［3］。PMV 指标可通过估算人体活动的代谢率及服装热阻获得，同时还需要以下环境参数：空气温度、平均辐射温度、相对空气流速及空气湿度。一般当－0.5＜PMV＜0.5 时，可以认为人体热感觉为舒适［6］。本文对一城市轨道交通车厢空调系统不同运行工况的PMV 值进行计算对比分析，详见图10。

图10 幅流风机增设前后PMV 值的对比分析

图10 a）为仅空调机组工作与空调机组、幅流风机同时工作时，人体舒适性指标PMV 值的对比情况。从图10 a）可以看出，开启幅流风机后，PMV值向0值偏移，人体热舒适性显著提高。图10 b）为仅空调机组工作与空调机组、幅流风机同时工作（但室内设定温度提高1 ℃）时PMV 值的对比情况。从图10 b）可以看出，设定温度提高1 ℃时，开启幅流风机时，人体热舒适性仍好于仅空调机组工作时的情况。

由于幅流风机的作用将客室内风速控制在2 m／s左右，从而使得相同的体感温度条件下，空调系统室内温度的设定值可以大约提高2 ℃。本文对A、B两种不同车型车辆进行负荷计算。计算中，室外温度为35 ℃、相对湿度为60%，车内温度为26℃／28 ℃、相对湿度为65%，A 型车定员为320人、B型车定员为254人，A 型车新风量为3200 m3／h，B型车新风量为2540 m3／h。具体计算结果见表1。

表1 不同车内温度时A、B型车车辆负荷计算 kW

从表1可以看出，室内设定温度为28℃相对于室内设定温度为26℃制冷负荷大约减少10%，根据现有列车配置情况，以每列车8辆城市轨道交通车厢计算，其配置的静止逆变器的容量可降低约50 kVA，除了相应的设备投资大幅度降低，耗电量也显著减小。

4 结论

动态空调策略有利于舒适性改善和节能，在城市轨道交通客车空调系统中采用幅流风机，实现风速动态化，在保证舒适性的同时可提高室内设定温度、减少设备投资和能耗、减少环境污染。因此，应进一步开展幅流风机应用效果的评估分析工作，进一步完善空调系统与幅流风机的协同工作，实现城市轨道交通客车空调系统舒适、节能、环保，为社会的可持续发展做出贡献。

［1］Yu Liangguang，Wu Xiping，Zhang Chen.Energy saving analysis for curtains of subway［J］.Journal of Thermal Science and Technology，2009（4）：343.

［2］孙淑凤，赵荣义，许为全.动态空调策略研究［J］.制冷与空调，2003（3）：27.

［3］朱颖心.建筑环境学［M］.2 版.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［4］McIntyre D A.Preferred air speeds for comfort in warm conditions［J］.ASHRAE Trans，1978（2）：264.

［5］朱芳宇.动态风作用下人体热反应及其稳态模糊评价［D］.北京：清华大学热能工程系，1994.

［6］ISO—7730.Moderate thermal environments determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions comfort［S］.