陳 光

(常州長青交通科技股份有限公司 技術(shù)中心，江蘇 常州 213125)

一種地鐵車輛通風系統(tǒng)設計中的壓力問題探討

陳 光

(常州長青交通科技股份有限公司 技術(shù)中心，江蘇 常州 213125)

為解決地鐵車輛因排風帽設計不合理導致出現(xiàn)內(nèi)壓較大(80Pa～90Pa)，以致客室車門無法正常關閉的問題，通過改進排放廢氣的風道部件結(jié)構(gòu)，合理布置監(jiān)測點，優(yōu)化了客室內(nèi)壓控制，改善了車輛乘坐環(huán)境，提高了乘客滿意度。

地鐵車輛；通風系統(tǒng)；壓力分析

地鐵車輛通風系統(tǒng)是地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分?？照{(diào)系統(tǒng)一般包括空調(diào)機組、通風系統(tǒng)(送風系統(tǒng)、排風系統(tǒng))、控制系統(tǒng)和緊急逆變電源。在每節(jié)車廂至少設置一套空調(diào)機組，空調(diào)機組包括室內(nèi)機和室外機，室內(nèi)機和室外機之間通過冷媒管路連接形成制冷循環(huán)回路，室內(nèi)機安裝于車內(nèi)頂板上方，室外機安裝于車底。室內(nèi)機的出風口和進風口分別通過送風風道和回風風道與位于車內(nèi)的送風口和回風口連通。在實際應用中，曾有地鐵車輛因排風帽設計不合理，以致發(fā)生客室內(nèi)壓較大的情況。如深圳地鐵一號線和南京地鐵一號線客室正壓過高(80Pa～90Pa)，導致客室車門無法正常關閉。后來采取的補救措施是：深圳地鐵一號線在門下加一排出氣孔；南京地鐵一號線在側(cè)墻增加排風口數(shù)量。這種措施雖然能降低內(nèi)壓，卻會導致車廂不封閉[1]。因此，應通過合理地改進排放廢氣的風道部件(以下簡稱廢排)的結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化監(jiān)測點布置，將客室內(nèi)壓控制在合理范圍內(nèi)，以解決車門難以關閉的問題，同時改善車廂封閉情況。

1 風道結(jié)構(gòu)及其安裝布置

風道截面通常為矩形和圓形，本風道截面為矩形，材料為1mm厚的AL 5052-H22鋁合金。該材料抗拉強度高(據(jù)GBT3880.2-2006一般工業(yè)用鋁及鋁合金板材的力學性能，達210MPa～260MPa)，質(zhì)量輕(密度約2.7g/cm3)，表面陽極氧化15μm～20μm，抗腐蝕性良好。

圖1中上圖為仰視圖，下圖為水平正視圖。該圖面板已透明化處理，可以看見內(nèi)部風擋和圓弧過渡導流板，風道兩邊安裝支架。風道D出風口帶有連接管與圓形風管連接通向司機室，分配箱進風口連接空調(diào)機組出風口。序號為1，3，4，5，6的送風道進風口與分配箱出風口連接，送風道出風口與出風格柵(又叫散流器)的上平面連接，空調(diào)風則被送入客室。

1—風道D;2—分配箱;3—風道B;4—扁風道2;5—扁風道1;6—風道A ;7—出風口

圖2中，出風格柵在頂板的兩側(cè)，側(cè)邊與側(cè)頂連接成為一體，上平面安裝送風道；回風格柵位于中頂板中間的開孔處，回風格柵上平面安裝回風道?？褪铱諝饨?jīng)回風格柵至回風道，其中部分空氣進入空調(diào)機組與吸入的新風混合經(jīng)冷卻過濾被離心風機送入送風道，在客室內(nèi)形成循環(huán)，達到調(diào)節(jié)溫度、濕度的目的。新舊風量的混合比例由調(diào)節(jié)閥門控制。其余的空氣經(jīng)廢排出口排到車外。

圖3所示為廢排的下側(cè)面外觀圖，廢排安裝在車頂，廢排外罩噴漆以預防腐蝕，而且此部件更換方便、成本低廉。圖4所示為空氣壓力示意圖，外部為廢排外罩，內(nèi)側(cè)為廢排內(nèi)罩。

1—中頂板；2—出風柵格；3—回風柵格

圖3 廢排底面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 廢排截面空氣壓力示意圖

2 雙風機系統(tǒng)

雙風機系統(tǒng)是指同時設置有送風機和回風機的空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的壓力損失由送風機和回風機共同承擔。雙風機空調(diào)系統(tǒng)風管內(nèi)全壓分布如圖5所示。圖6所示為氣流圖，對于雙風機系統(tǒng)來說，排風必須處于回風機的正壓段，而新風和回風必須處于送風機的負壓段?？梢钥闯隹諝庠陲L管內(nèi)的流動規(guī)律為：(1)風機的壓頭等于風機進、出口的全壓差，或者說等于該風機所負擔的風管系統(tǒng)沿程壓力損失和局部壓力損失之和。(2)風機吸入段的全壓和靜壓均為負值，在風機入口處負壓值最大；風機壓出段的全壓和靜壓一般情況下均為正值，在風機出口處正壓值最大。(3)在風機的壓出段，如果動壓值大于全壓值時，則該處的靜壓會出現(xiàn)負值。(4)設計時應注意各并聯(lián)支路的阻力平衡。

圖5 雙風機空調(diào)系統(tǒng)風管內(nèi)壓力分布圖

圖6 空調(diào)系統(tǒng)氣流圖

3 調(diào)壓原理

排氣一般是對應新風的，如果車輛客室只引入新風，那么這個車輛客室就是正壓，客室前中后分別安裝氧分壓傳感器和氣壓傳感器，測控車輛客室氧氣含量和氣壓。根據(jù)氣態(tài)方程：

PV=nRT

式中：P為壓強；V為體積；n為物質(zhì)的量；R為普適氣體常量；T為絕對溫度，K。當P，V，n，T的單位分別采用Pa，m3，mol，K時，R的數(shù)值為8.31。該方程嚴格意義上來說只適用于理想氣體，但近似可用于非極端情況(低溫或高壓)的真實氣體(包括常溫常壓)。

(1)

式中：V0為客室內(nèi)部空間體積；P3為客室內(nèi)部氣壓。

從式(1)可以看出V0，R，T為定值時，不管新風量增加，氧氣含量增加，還是回風量增加，只要總風量增加，車內(nèi)氣壓就增大，即n(物質(zhì)的量)增加，則客室壓力P3增大。這里假設客室內(nèi)部溫度恒定常溫。根據(jù)通風系統(tǒng)壓力分布可得：

(2)

式中：P2為廢排進口氣壓；Ps為回風格柵回風道壓力損失；Pz為回風機的增壓。

排氣門處于恰好關閉的平衡狀態(tài)時，由圖4可知：

(3)

由式(2)、(3)可得：

式中：α為排氣門與鉛直方向的夾角；P1為廢排出口氣壓；G為排氣門的自重；S為排氣門出風口的面積。

當客室氣壓P3增大，且Ps，P1，S，Pz為定值時，排風量增大。當式(4)成立時，廢排氣門打開，向車外排氣，降低氣壓。

(4)

由于乘客呼吸，導致氧氣含量降低，氧分壓傳感器發(fā)送氧分壓低于限定值的信號至控制器，控制器處理信號后發(fā)送指令調(diào)節(jié)閥門增大新風量和回風量混合比，控制送風機增速，從而維持客室氧分壓平衡。當客室壓力較大時，壓力傳感器發(fā)送信號至控制器，控制器處理信號后發(fā)出指令，控制調(diào)節(jié)閥，減小回風比例；控制送風機降速，回風機增速，減少的回風量經(jīng)廢排排到車外，降低客室氣壓，從而維持客室氣壓平衡。

當P3+Pz≤Gsinα時，排氣門關閉，停止排氣。

由公式(4)可知，當排氣門傾角α增大或者排氣門的自重G增加時，增大Pz或者減小P1(車輛運行時，產(chǎn)生渦流形成負壓區(qū)所致)，至排氣門內(nèi)外的壓差P2-P1>Gsinα/S時，才能打開排氣門。因此，設計排氣門應考慮排氣門的大小、自重、傾斜角度以及排氣口的面積。排氣口大，排風量大，需要引入的新風量也大，會增加空調(diào)負荷；排風口小，排風量小，會導致車內(nèi)壓力過高，車門關閉困難。

4 壓力計算

某地鐵車輛廢排的排氣門的材料為1mm厚的AL5052-H22鋁合金，初始傾角α=18°，排氣門的成型尺寸為430mm×86mm×0.8mm，加上咬邊，展開寬度為96mm，自重約0.09kg，G=0.882N，出風口尺寸為410mm×62mm，面積S=0.025 42m2，回風道長度l=0.106 5m。

廢排排氣門在初始角處于平衡時，則有：

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

客室氣壓為：

(5)

回風道壓力損失Ps為：

(6)

a.回風道沿程壓力損失。

(7)

(8)

式中：△py為單位管長沿程壓力損失，也稱為單位管長摩擦阻力損失，Pa/m；ρ為空氣密度，標準狀況下ρ=1.2kg/m3；υ為風管內(nèi)空氣的平均流速，m/s；de為矩形風管的當量直徑，m。

圓形風管的當量直徑de=d，d為風管直徑；矩形風管的當量直徑de=2ab/(a+b)，其中的a,b分別為矩形風管的兩個邊長。本例的回風道矩形邊長a=0.216m，b=0.195m，de=0.205m。

使用柯列勃洛克-懷特公式求λ值：

(9)

式中：λ為摩擦阻力系數(shù)；K為風管內(nèi)壁的當量絕對粗糙度；Re為雷諾數(shù)，Re=υde/ν，其中ν為空氣的運動粘度。標準狀況下，ν=15.06×10-6m2/s，Re=2.722×104?；仫L口位于客室上部時，客室凈高2.5～3.0m時吸風速度取υ=2m/s。

由于內(nèi)貼吸音板材(與石膏板相近)，查表1，得K=1。根據(jù)公式(9)可解得λ=25。

標準狀況損失壓差：

△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 各種材料的平均絕對粗糙度表[2]

上述是在標準狀況條件下求得的數(shù)值。海拔高度對氣壓的影響應予修正，以南京為例，由參考文獻[2]中表1-1室外氣象參數(shù)，查得南京海拔高度為8.9m。再由參考文獻[3]中圖18-3海拔高度和溫度對摩擦損失的修正系數(shù)，查得修正系數(shù)ε=0.999。

對標準狀況損失壓差海拔高度修正后，沿程壓力損失：

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

b.回風道局部阻力。

△Pj=ζυ2ρ/2

式中：ζ為局部阻力系數(shù)；回風道進氣口面積A1=0.051m2，回風道出氣口面積A0=0.032m2。

υ1/υ0=A0/A1=0.627

通過查閱參考文獻[2]可知ζ=0.25；υ為ζ與之對應的斷面流速。

△Pj=2×2×1.2×ζ/2=0.6(Pa)

c.回風道壓力損失。

Ps=△Py+△Pj=31.744(Pa)

則由式(5)可得：

P3+ Pz=42.466+P1

因為P1=Px+P0，所以

P3+Pz=42.466+Px+P0

(10)

式中：P0為標準大氣壓；Px為任意速度時的渦流產(chǎn)生的負壓值。

5 優(yōu)點分析

由于車輛運行有一定的速度，在排風帽附近形成氣流(如圖7所示)，則排風帽頂出口處出現(xiàn)渦流[4]，形成負壓區(qū)，有利于排風帽內(nèi)氣體流出，降低排風帽進口壓力。

圖7 排風帽氣流圖

若保持客室壓力P3≈P0(標準氣壓人感覺最舒適)且恒定：

a.當車速v為0時，Px=0Pa,由式(10)得出P3+Pz>42.466+P0。此條件下方可以排出廢氣。

必須回風機的增壓Pz>42.466Pa，即排氣門內(nèi)外壓差為正時，方可以排出廢氣。此時，回風機以較大負荷維持正壓。

b.當車速v=22.2m/s(80km/h)時，Px=Pmax，Pmax為最大車速時的負壓值(Pmax<0)，P142.466+Pmax+P0。

由前提條件P3≈P0可知：此時42.466≥Pz>42.466+Pmax，仍可以排出廢氣。此時，渦流產(chǎn)生的負壓差抵消了部分排氣門的自重影響，回風機以較小的負荷維持一定的正壓差，即可排氣。

當渦流產(chǎn)生的負壓差Pmax<-42.466Pa時，即便Pz為0，回風機停機，P3>42.466+Pmax+P0,客室相對于排氣口仍是正壓，可以排出廢氣，減小了回風機的功耗，節(jié)約了能源。需要注意的是，應根據(jù)實驗測得的Pmax值以及當?shù)氐哪昶骄L速和風向的影響，考慮廢排設計，避免渦流導致的負壓值過大，出現(xiàn)排氣過度，甚至引起客室負壓而導致通過提升送風機功率來維持氣壓的問題。

c.如果排氣門增加自重，或是α更大(甚至接近90°)，需要回風機輸出更大的功率，Pz增大到足以克服門更大的自重所產(chǎn)生的力矩，才可以打開排氣門排氣。

[1] 穆廣友，臧建彬．地鐵車車輛空調(diào)設計要點分析[J]．城市軌道交通研究，2008,11(11):29-32.

[2] 孫一堅．簡明通風設計手冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997：12-242.

[3] 陸耀慶．供暖通風設計手冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987：815.

[4] 王芳，臧建彬，程熠．運行速度對地鐵車輛排風風帽排風特性影響的研究[C]//中國制冷學會2009年學術(shù)年會論文集．北京：同方知網(wǎng)數(shù)字出版技術(shù)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

陳光(1974—)，男，江蘇邳州人，在常州長青交通科技股份有限公司主要從事地鐵與高鐵內(nèi)部構(gòu)件方面的技術(shù)工作。

TH122

B

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