地铁列车空调均匀送风风道概述

陈建云，臧建彬

(同济大学机械与能源工程学院，201804，上海201804)

地铁列车空调均匀送风风道概述

陈建云，臧建彬

(同济大学机械与能源工程学院，201804，上海201804)

地铁列车内送风是否均匀直接影响着车内乘客的舒适性，合理的送风道结构是保证送风均匀的前提条件。本文从列车空调送风道的均匀送风原理出发，对现有地铁列车上4种常见均匀送风风道的送风形式做了介绍，分析了各种风道的结构特点、影响各种送风道送风均匀性的因素以及使用受到限制的原因。并对现有车辆的风道优化方案做了简单介绍，提出以后对风道进行设计优化的方向。最后用fluent对比了条缝式静压送风主风道的两种送风方式的送风均匀性，发现主风道采用孔口送风的送风均匀性优于连续条缝。

地铁列车；均匀送风；送风风道

0 引言

随着我国地铁列车的迅速发展，地铁车辆已成为大中城市的重要交通运输工具，为乘客提供舒适的内部乘车环境是对地铁车辆的基本要求和重要指标。空调送风系统是当前地铁车辆重要的子系统，研究表明，送风是否均匀直接影响车内乘客的舒适性，送风道结构是保证送风均匀的重要研究内容。

由于地铁列车所处的环境特殊[1]，系统中风道的主要特点及要求为：风道截面尺寸小，送风口送风速小，车内微风速大，送风应更均匀，送风噪声应更小。目前国内地铁车辆常采用主风道为变截面的送风风道，但是相关资料报道的很少。相比之下，报道较多的是已建成地铁车辆上使用的送风风道，主要包括三种：条缝式静压送风风道、大截面准静压送风风道、圆管式车辆空调送风风道[2]。

本文结合均匀送风原理，对以上几种送风道进行介绍分析。

1 均匀送风

风道均匀送风原理[3]：空气在通风管内流动时，由于垂直于管壁的静压作用，此时沿风管侧壁开成排孔口或短管，内外侧产生静压差，空气从孔口或短管出流。

实现均匀送风的条件是：满足每个送风口的风量相等，同时保证各个出口气流要尽量垂直于侧壁，否则即使风量相同，也不能保证送风均匀。

由静压产生的流速vj：

(1-1)

管内流速vd：

(1-2)

其中，ρ为空气密度，kg/m3；Pj为风管内空气静压，Pa；Pd为风管内空气动压，Pa；

空气实际出流流速v：

(1-3)

孔口出流角α：

(1-4)

通过侧孔风量L0：

(1-5)

式中：ρ—空气密度，kg/m3；

Pj—风管内空气静压，Pa；

Pd—风管内空气动压，Pa；

μ—孔口流量系数；

f—孔口在气流垂直方向的投影面积，m2；

f0-孔口面积，m2。

由伯努利方程，对任意两个孔口均有：

(1-6)

通过以上分析，均匀送风道可以按照以下形式进行设计[4]：

(1)改变风道的截面积，保持送风条缝宽度或侧孔面积f0不变。

(2)改变送风条缝宽度或孔口面积，保持风道的截面积不变。

(3)风道截面积、送风条缝宽度或孔口面积都不变。

(4)同时改变风道截面积和侧孔面积。

国内的地铁的空调送风道就是根据以上几种形式进行设计的，下面就国内地铁列车上常见的四种送风道进行介绍。

2 均匀送风道形式

2.1 条缝式静压均匀送风风道

2.1.1 基本结构

该风道由主风道、静压风道、主风道内挡板、静压风道内隔板等组成。处理过的空气送入主风道，通过主风道送风口送入静压风道，在静压风道内稳压后送到客室，如图1所示[5]。

2.1.2 送风道特点

条缝式静压均匀送风风道通常都会在主风道起始段加设隔板来减小主风道起始段的动压，增加静压，来改善风道阻力的变化规律，提高送风均匀性。

1-静压箱内隔板 2-静压箱内隔板上的通风孔 3-主风道和静压风道间隔板 4-主风道内的挡板 5-连接短管 6-主风道 7-条缝送风口图1 条缝式静压均匀送风风道截面示意图

1-风道 2-支风道和支风道间的隔板 3-支风道图2 大截面准静压送风道截面示意图

静压风道的作用是稳压，从而实现更好的均匀送风效果。静压风道的稳压原理是：送入静压风道的空气由于气流方向的变化，风速大大下降，故静压风道内空气的动压可以忽略不计，同时不同断面上的空气在静压箱内进行压力平衡，实现的静压相等，最后在送风口将等量的风送出，达到均匀送风的目的[7]。条缝式静压送风的形式可以是主风道在中间，静压箱在两侧；也可以采用主风道在两侧，静压箱在中间的形式。当主风道在两侧，静压箱在中间时，末端可以采用孔板送风，这样有利于稳压层的形成，提高均匀程度[8][9]。

2.1.3 性能分析及应用

该风道结构利用了静压箱来平衡压力，能显著地提高送风均匀性。但是静压箱的几何特征值L/H(长高比)是影响静压分布的重要因素，静压均匀性随着L/H的增加而下降，所以在设计时要合理选择静压箱尺寸，可以通过增加稳压层高度来提高静压的均匀性[10]。在国产A型车中，也有采用将主风道送风口设计成圆孔对静压箱进行送风的，这种送风方式能提高静压箱内静压的均匀性[11]。

总之，这类风道的设计相对简单，尺寸较小，且风道阻力小，风机能耗低，基本能保证客室内温度的均匀性。广泛应用于长春、大连、天津的轻轨车，北京地铁八通线等车辆上[7]。

2.2 大截面准静压送风道

2.2.1 基本结构

该风道通常由主风道、支风道、多孔整流板组成，如图2所示。处理过的空气在主风道内流动，通过两侧支风道上进风圆孔进入支风道，然后通过支风道下面的送风格栅送到客室内[12]。

2.2.2 送风道特点

大截面准静压送风道利用了静压均匀送风原理，为了能够有效地减小主风道内动压，增加主风道内静压，必须加大主风道的横截面积。

由于主风道动压与风速的平方成正比，而主风道风速又与主风道截面积成反比，若想减小动压，就必须增大主风道截面积。同时圆孔前出风静压为小孔的出流动压和局部阻力之和，二者都与风速的平方成正比，所以小孔面积越小，风速越大，主风道内送风静压越大，越接近均匀送风。但是小孔出流速度太大会导致送风噪音太大，故小孔的面积不能过小。综合以上两个因素，设计时，在主风道静压足够大的前提下，应尽量增加支风道进风圆孔的面积，以减小送风风速以免增加送风噪声[7]。

2.2.3 性能分析及应用

该风道适合于车顶空间较大的车辆，在设计时要尽量利用车顶的空间，增大主风道面积。然而在地铁车辆中，由于尺寸的限制，主风道截面尺寸不可能太大，从而很大程度上限制了该送风道在地铁列车上的使用，通常在A型车上有所应用，不在B、C型车上使用[12]。

为了在主风道内形成层流，风道内设置了多孔整流板，但是同时增加了风道阻力，提高了风机压头，增加了噪声。该风道或者类似结构的送风风道在广州地铁1、2号线和上海地铁2号线上得以应用[7]。

2.3 圆管式车辆空调送风

2.3.1 基本结构

该送风道主要由主送风和二级送风道组成，二级送风道通过螺旋风管安装于主送风道的两侧，末端通常采用散流器进行送风，如图3所示[12]。处理过的空气在一级风道内流动，由于静压的作用，空气通过送风软管送到末端散流器，送入客室。

图3 圆管式送风道截面示意图

2.3.2 送风道特点

圆管式车辆空调送风道利用外接二级软管送风道加末端散流器送风的方式，可以根据送风区域的特点来调整送风软管的数量和长度。由于二级软管的增加，主风道出风口的阻力特性发生了变化，由原本单一的孔口出流变成了三通局部阻力系数。而且对于管径不同的风管并联在主风道上，阻力不同将直接导致送风量的不同，所以在风道的设计过程中，为了能够使送风均匀，风道阻力必须根据车辆的实际情况逐段进行详细计算。对于阻力大的管段，必须通过增加管径或者减小该段送风区域长度的方法来达到均匀送风[13]。

2.3.3 性能分析及应用

圆管式车辆空调送风道在车顶部分的占用空间不大，结构相对简单。由于二级送风道采用铝合金圆形软管制作，可以根据实际情况在安装空间内进行弯曲，所以方便安装固定。但是由于要对每段管路都进行详细计算，所以它的设计过程繁繁琐，制造麻烦，并且计算的准确度通常保证不了所要求的送风量，难以实现完全的均匀送风。该风道在B型车上应用较多，比如维也纳地铁、墨尔本地铁，广州地铁三号线、上海明珠线二期也采用了这种送风风道结构[12]。

2.4 新型变截面静压送风风道

2.4.1 基本结构

与以上三种传统的风道设计不同，变截面静压送风风道是一种新型的风道，采用截面积变化的送风风道，其基本结构如图4所示[14]。

图4 变截面送风道示意图

2.4.2 送风道特点

变截面送风道同样利用了静压均匀送风的原理，通过改变主风道的截面积，使送风道内的动压降变化等于空气的沿程阻力，从而保证风道全长上的静压保持不变。

变截面送风道的送风形式多样[15]，图4给出了一个最基本送风结构形式，直接在主风道侧面开孔进行送风。现有车辆有将圆管式车辆送风道和变截面风道结合在一起，在主风道上外接螺旋风管进行送风[16]；也有在主风道底部用孔板加静压箱的方式来实现进一步的稳压，再进行送风[17]；还有在变截面风道内加导流板直接保证均匀送风条件[18]。在变截面送风道的设计应用中，结合了上面三种传统送风道的很多优点，所以在现在地铁车辆中得到了广泛的使用。

2.4.3 性能分析及应用

变截面风管能在一定程度上保证管内气流分布均匀，并保持条形风口的静压各处相等，但受管内流速影响较大。有试验表明，给定的变截面送风道中，在合理的速度范围内，送风速度越大越能保证送风的均匀性；送风速度过小，会在送风管道末端形成速度死区；送风速度过大，易产生噪音等一系列问题[14]。而且变截面送风管路制造工艺复杂，设计时并不是完全按照静压不变的原理进行设计的，车内空间的限制使得很多时候无法按照理想的均匀送风道理论进行主风道的截面设计。

3 均匀性计算

以条缝式静压均匀送风风道为例，对比主风道送风口分别采用连续条缝和孔口送风两种情况下，列车的送风均匀性。

3.1 物理模型

风道由主风道和静压箱组成，主风道在中间，静压风道在两侧。进风采用单端进风的方式，风量为5500m3/h；出风口设在静压风道底部，每侧布置10个连续的出风口，尺寸均为2000×14(mm)。最靠近进风处的送风口编号为1，顺着风道方向依次编号，最远端的送风口编号为10。

模型一的主风道送风口采用连续条缝进行送风，为避免主风道送风口风速过大引起过大的噪声，经计算得条缝送风口的尺寸为20000×12(mm)。模型结构如图5。

模型二的主风道送风口采用孔口进行送风，利用第一章中均匀送风的计算方法，计算出主风道和静压箱之间隔板上每个孔口送风的尺寸如表1所示，模型结构如图6所示

3.2 模拟计算

通过fluent计算，得到两种送风方式下每个出风口的风量情况如表2所示。

图5 主风道和静压箱之间采用连续条缝的风道模型示意图

表1 主风道送风口各孔口尺寸单位：(mm)

孔口编号123456尺寸100×233100×228100×219100×210100×203100×195孔口编号7891011尺寸100×189100×183100×179100×176100×174

图6 主风道和静压箱之间采用孔口送风的风道模型示意图

表2 两种主风道送风方式的出风量对比

主风道送风口采用连续条缝 主风道送风口采用孔口送风出风口编号出风量(m3/h)与平均出风量的偏差(%)出风量(m3/h)与平均出风量的偏差(%)11776-0931768-035220496-02522781-017324456-01124927-009427245-00127043-00152969300728150026319460162874400473373022292160068349680272993400893557902831558014103543802934886026

对比两种送风方式下每个风口的送风量，发现靠近进风口的送风口风量小，这是因为在靠近送风口处主风道内的动压很大，静压很小的缘故导致的。而远离送风口处的动压小，静压大，所以此处的出风量多。

用风量不均匀系数η来描述风道送风的均匀性，即：

(3-1)

式中：ΔV—出风口流量最大差值；

Vmax—出风口最大出口流量；

Vmin—出风口最小出口流量。

计算得到主风道送风口采用连续条缝送风时的不均匀系数为122.4%，采用孔口送风时的不均匀系数为62.6%，发现后者的送风均匀性比前者提高了很多。

4 结论与展望

通过以上分析介绍，得出以上4种风道的对比情况[18]，如表3所示。

表3 地铁列车常用送风形式对比

风道形式优点缺点优化方案条缝式静压均匀送风风道结构简单，风道阻力小，送风均匀性较好，且对风量变化的适应性好。风道内有挡板，风道阻力大，且挡板之间区域的风速不均匀，导致沿长度方向风量有波动。(1)合理地选择静压箱尺寸。(2)主风道送风口用圆孔代替条缝出流，内部挡板穿孔[13]，并对圆孔的尺寸进行精细的计算。大截面准静压送风道结构简单，在主风道截面积大的情况下能较好地实现均匀送风。稳压效果受车顶空间影响大；风道内挡板阻力大，增加了风机压头、噪声；对风量变化的适应性差。(1)优化主风道和支风道之间隔板上进风圆孔的孔径和排数。(2)可采用网孔板作为该送风道的末端送风装置[8][19][20]。圆管式车辆空调送风风道重量轻，占用车顶空间少；软管数量和长度可调，灵活性强。设计烦琐，制造麻烦，难以实现送风的完全均匀。(1)在并联管路中阻力较小的管路上加设阻力部件，或减小阻力较大侧的管路阻力，使各管路的阻力平衡。(2)对二级送风管的尺寸形状、末端送风形式进行优化。新型变截面静压送风风道可以保证均匀送风，且沿着送风方向出风口的速度也相等。制作麻烦，制作工艺水平要求高；理想的设计尺寸会受到车内空间限制；送风均匀性受风速的影响大。将以上三种风道的特点结合到变截面送风道中。

除了用以上的方式进行均匀送风，通过第1部分的分析，还可以通过同时改变风道截面积和侧孔面积来实现均匀送风的目的，但这种设计会更加的复杂繁琐，尚未查到相关资料。

通过对第3部分的计算结果，发现在条缝式静压送风道中，当风道其它条件都相同的情况下，主风道采用孔口送风的送风均匀性优于连续条缝送风。

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OverviewonUniformAirSupplyDuctofRailTransitVehicleAirConditioning

CHEN Jianyun，ZANG Jianbin

( College of Mechanical Engineering Tongji University,Shanghai, 201804 )

Whether the air supply to rail transit vehicles is uniform or not will directly affect the thermal comfort condition of passages inside the car.To ensure the uniform air supply,we must chooseproper air ductsfor different types of rail transit vehicles.This article presents the introduction of uniform air supply system theory and four common air supply air ducts on the existing rail transit vehicles.Then,it analyzes the structure characteristic of these four air ducts,and the factors affecting the uniformity of air supply,and the reasons why they are restricted to be used.Then several uniform air supply ductsoptimization methods on the existing rail transit vehicles are briefly introduced,and the direction of uniform air supply ductsoptimization is put forward.Finally,it compares two methodsof air supply for the main air duct used inSlit type static pressure air supply duct,with the FLUENT method,and finds that when the main air duct use perforated plate to deliver air to the static pressure duct,the uniform air supply is better than using continuous slit.

Metro vehicles；Uniform air supply；Air supply duct

2016-

陈建云(1994.)，男，硕士研究生。研究方向：制冷与低温工程。E-mail：jianyunaa123@163.com

臧建彬。E-mail：98798@tongji.edu.cn

ISSN1005-9180(2017)04-053-07

TU831文献标示码B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.010