一種新型地鐵空調(diào)機(jī)組的研究與開(kāi)發(fā)

劉加春 范凌云(珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070)

1 前言

我國(guó)地鐵空調(diào)技術(shù)二十紀(jì)九十年代中后期源自歐美、日本，當(dāng)時(shí)這些技術(shù)較好地滿足改善乘車環(huán)境的需要，但隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)度，一些技術(shù)弊端逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。如不能根據(jù)負(fù)荷大小自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷能力，機(jī)組重量重等，造成能量浪費(fèi)；采用非環(huán)保制冷劑，不利于環(huán)保，采用氣動(dòng)控制新風(fēng)、回風(fēng)閥，易造成空氣污染等。

為適應(yīng)市場(chǎng)需要，我們?cè)诘罔F空調(diào)上進(jìn)行了研究，成功開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，節(jié)能、環(huán)保、可靠性高的地鐵空機(jī)組GDL40。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)及有效制冷量計(jì)算

目前我國(guó)尚無(wú)地鐵空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，我們主要依據(jù)GB/T 19842-2005《軌道車輛空調(diào)機(jī)組》和TB/T 1804-2009《鐵道客車空調(diào)機(jī)組》進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。GB/T 19842-2005《軌道車輛空調(diào)機(jī)組》中名義工況下的能效比（性能系數(shù)）要求見(jiàn)表1［1］。

地鐵空調(diào)機(jī)組的有效制冷量是用來(lái)平衡列車使用中車內(nèi)熱負(fù)荷及新風(fēng)熱負(fù)荷。其計(jì)算公式為：

Q y = Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6+ Q7

式中：Q1—車體隔熱壁傳熱負(fù)荷；Q2—太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷；Q3—乘客散出的顯熱負(fù)荷；Q4—乘客散出的潛熱負(fù)荷；Q5—車內(nèi)機(jī)電設(shè)備、照明器具等散發(fā)的熱負(fù)荷；Q6—新風(fēng)帶來(lái)的顯熱負(fù)荷；Q7—新風(fēng)帶來(lái)的潛熱負(fù)荷。

從上式看出，在地鐵車輛結(jié)構(gòu)和車廂室內(nèi)空氣參數(shù)、車內(nèi)定員確定情況下，所需的有效制冷量大小主要取決于外氣參數(shù)。而外氣參數(shù)取決于各城市所處的地理位置。本次開(kāi)發(fā)對(duì)象為廣州市所需地鐵，因此取廣州市氣象資料為設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)。廣州基本氣象情況見(jiàn)表2，可以看出廣州市年間極端最高溫度是38.1℃,因此本次開(kāi)發(fā)T1氣候類型的地鐵空調(diào)機(jī)組。

2.2 系統(tǒng)工作原理

地鐵空調(diào)機(jī)組是城市地鐵車輛上使用的單冷型舒適性空氣調(diào)節(jié)裝置，用于處理車廂內(nèi)空氣，使之達(dá)到除濕、降溫的目的，給乘客創(chuàng)造一個(gè)舒適的乘車環(huán)境。

GDL40地鐵車輛空調(diào)機(jī)組的工作原理：本地鐵車輛空調(diào)機(jī)組是由2個(gè)渦旋壓縮機(jī)、2個(gè)冷凝器、2個(gè)蒸發(fā)器和節(jié)流裝置及必要的輔助設(shè)備所組成的裝置。機(jī)組工作時(shí)，壓縮機(jī)將由吸氣口吸入的低壓制冷劑蒸汽壓縮成高溫高壓氣體，高溫高壓的制冷劑氣體由壓縮機(jī)排出后進(jìn)入冷凝器進(jìn)行降溫，冷凝成制冷劑液體，制冷劑液體經(jīng)過(guò)干燥過(guò)濾器進(jìn)入節(jié)流裝置節(jié)流后，進(jìn)入蒸發(fā)器,吸收流過(guò)蒸發(fā)器的空氣熱量,蒸發(fā)成低溫低壓氣體,回到壓縮機(jī),完成一個(gè)制冷循環(huán)。如此周而復(fù)始,達(dá)到連續(xù)制冷的效果。液管電磁閥、氣旁通電磁閥、卸荷閥則對(duì)系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

表1 名義工況下的能效比（性能系數(shù)）

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能和確保可靠性，本機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)成完全獨(dú)立的二個(gè)子系統(tǒng)。它可以根據(jù)實(shí)際空調(diào)負(fù)荷自動(dòng)選擇一個(gè)或二個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)，提高機(jī)組運(yùn)行可靠性。

2.3 功能模式

本機(jī)組功能模式有：預(yù)制冷模式、制冷運(yùn)行模式、通風(fēng)模式、緊急通風(fēng)模式、TEST模式、停機(jī)模式。

預(yù)制冷模式一般指車輛從檢修段準(zhǔn)備開(kāi)往站臺(tái)，整車剛得電的時(shí)候，空調(diào)機(jī)組為了將車內(nèi)溫度迅速處理到設(shè)定溫度而采取的制冷模式。

制冷模式是機(jī)組進(jìn)行制冷運(yùn)行，使車廂內(nèi)空氣降溫的模式。

通風(fēng)模式是不制冷僅引入室外新風(fēng)的模式。

緊急通風(fēng)模式是主回路電源無(wú)電故障或者輔助逆變器故障或者主回路電源缺逆相保護(hù)時(shí)，進(jìn)行緊急通風(fēng)的安全模式。

TEST模式是安裝、維修調(diào)試時(shí)用以檢測(cè)各功能元器件動(dòng)作是否正常的一種模式。

停機(jī)模式是控制器得到司機(jī)室空調(diào)關(guān)機(jī)信號(hào)，或者本車控制柜將旋鈕開(kāi)關(guān)打到“OFF”位置時(shí)，使機(jī)組停機(jī)的模式。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)行地鐵空調(diào)結(jié)構(gòu)狀況

現(xiàn)行地鐵空調(diào)殼體一般采用一、二位端對(duì)稱、左右側(cè)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)二端送風(fēng)、底部單孔或雙孔回風(fēng)。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)組體積大、管程長(zhǎng)、重量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求高。下面以國(guó)內(nèi)、國(guó)外二款代表機(jī)型簡(jiǎn)單說(shuō)明一下。表3為國(guó)內(nèi)某廠家的地鐵空調(diào)參數(shù)，表4為國(guó)外某廠家的輕軌空調(diào)參數(shù)，圖2為國(guó)外某廠家輕軌空調(diào)外形?？梢钥闯鰴C(jī)組長(zhǎng)度長(zhǎng)，重量重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求高。

3.2 新型地鐵空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除滿足TB/T 1804-2009《鐵道客車空調(diào)機(jī)組》中對(duì)零部件、材料、裝配要求

表2 廣州基本氣候情況（據(jù)1997-2000年資料統(tǒng)計(jì)）

表3 國(guó)內(nèi)某廠家地鐵空調(diào)參數(shù)

表4 國(guó)外某廠家輕軌空調(diào)參數(shù)

外，還需考慮：結(jié)構(gòu)緊湊，輕量，管程短，剛性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗振能力強(qiáng)，可靠性高、抗腐蝕性能力強(qiáng)，機(jī)組重心設(shè)計(jì)合理，機(jī)組吊裝時(shí)底平面呈水平狀；成本低，工藝性好；環(huán)保；便于安裝維修。除上述外，與現(xiàn)行地鐵空調(diào)結(jié)構(gòu)相比，新型地鐵空調(diào)結(jié)構(gòu)減少一個(gè)送風(fēng)腔、送風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)腔，原材料消耗少；節(jié)能：重量輕，減少地鐵車輛運(yùn)行能耗，能效比高。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

殼體由以下構(gòu)件組成：前側(cè)板組件、后側(cè)板組件、左側(cè)板組件、右側(cè)板組件、左隔

板組件、右隔板組件、前隔板組件、后隔板組件、橫梁組件2、橫梁組件1、橫梁1、底板組件。上述構(gòu)件通過(guò)焊接或鉚接或螺栓聯(lián)接構(gòu)成殼體，形成回風(fēng)腔2個(gè)、混合腔2個(gè)、送風(fēng)腔1個(gè)、蒸發(fā)腔1個(gè)、冷凝腔1個(gè)?？傮w上殼體沿縱軸截面成對(duì)稱狀。

為確保防腐性能，各零件材料均采用不銹鋼。為確保殼體強(qiáng)度、剛性，同時(shí)減輕重量，各組件采用筋板結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)筋采用U、Z、V、幾字形結(jié)構(gòu)。

為防止雨水滲入、雨水與冷凝水混合，冷凝水飛濺，避免送風(fēng)帶水，設(shè)計(jì)獨(dú)特的存泄水結(jié)構(gòu)、擋水結(jié)構(gòu)。各腔獨(dú)立隔開(kāi)，各腔水路不通，但各腔空氣流道相通。

為改善生產(chǎn)工藝、確保連接強(qiáng)度，安裝腳與側(cè)板采用特種鉚釘鉚接，并輔助焊接。

為避免采用特殊寬幅不銹鋼帶來(lái)的成本增加、周期延長(zhǎng)，同時(shí)一定程度上增加強(qiáng)度、剛性，底板組件采用多盒點(diǎn)焊拼接結(jié)構(gòu)形式。

為美化電氣走線，避免電線接近水，采用沿側(cè)壁、橫梁等走線的幾字形固線鉤結(jié)構(gòu)。

各零部件組裝在一個(gè)由不銹鋼板（材料SUS304）焊接、鉚接成的箱體內(nèi)，加蓋后形成一個(gè)整體?？照{(diào)機(jī)組的主要部件包括全封閉渦旋式壓縮機(jī)2臺(tái)，冷凝器2臺(tái)，熱力膨脹閥2個(gè)，蒸發(fā)器2臺(tái)（二獨(dú)立系統(tǒng)），干燥過(guò)濾器2個(gè)，離心式風(fēng)機(jī)1臺(tái)，軸流式風(fēng)機(jī)2臺(tái)、壓力控制開(kāi)關(guān)4個(gè)，壓力傳感器4個(gè)，組成相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)制冷系統(tǒng)。箱體分為室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)兩部分。壓縮機(jī)、離心式風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器等安裝在室內(nèi)側(cè)；軸流式風(fēng)機(jī)和冷凝器等安裝在室外側(cè)?？照{(diào)機(jī)組的箱體和上蓋全部采用不銹鋼板制成。組成制冷系統(tǒng)的部件及配管全部用銀釬焊連接，構(gòu)成全密封的制冷循環(huán)系統(tǒng)，制冷劑R407C封閉在制冷系統(tǒng)內(nèi)?？照{(diào)機(jī)組的冷風(fēng)出口在機(jī)組的前端部，回風(fēng)口在機(jī)組的前端部，新風(fēng)口在機(jī)組蒸發(fā)腔兩側(cè)，新風(fēng)量以電動(dòng)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，帶位置反饋?；仫L(fēng)口處裝有回風(fēng)調(diào)節(jié)器。新風(fēng)過(guò)濾網(wǎng)及回風(fēng)過(guò)濾網(wǎng)可開(kāi)蓋拆裝。

機(jī)組與車頂連接固定，并設(shè)有減震裝置。GDL40機(jī)組外形見(jiàn)圖3。

4 實(shí)測(cè)制冷量計(jì)算［2］

地鐵空調(diào)機(jī)組制冷量試驗(yàn)參照TB/T 1804-2009《鐵道客車空調(diào)機(jī)組》進(jìn)行，利用空氣焓差法測(cè)量，制冷量通過(guò)測(cè)量空調(diào)機(jī)組室內(nèi)側(cè)進(jìn)、出口的空氣干、濕球溫度和空氣流量確定。計(jì)算用數(shù)據(jù)采用工況穩(wěn)定后測(cè)試的4組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

基于室內(nèi)側(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算制冷量時(shí)，其計(jì)算公式如下。

表5 額定制冷試驗(yàn)工況 單位℃

式中，Q0—制冷量（室內(nèi)側(cè)數(shù)據(jù)），單位為瓦（W）；L0—室內(nèi)側(cè)空氣流量測(cè)量值，單位為立方米每秒（m3/s）；hc—室內(nèi)側(cè)送風(fēng)空氣焓值，單位為焦每千克干空氣（J/kg干空氣）；hn—室內(nèi)側(cè)回風(fēng)空氣焓值，單位為焦每千克干空氣（J/kg干空氣）；Vp—噴嘴處空氣比容，單位為立方米每千克（m3/ kg）；Xp—噴嘴處空氣含濕量，單位為千克每千克干空氣（m3/ kg）

本機(jī)組額定制冷試驗(yàn)工況見(jiàn)表5，額定制冷試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。表中測(cè)試數(shù)據(jù)表明達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 開(kāi)發(fā)中面臨的問(wèn)題及解決措施

地鐵空調(diào)開(kāi)發(fā)面臨的問(wèn)題很多，如：如何確保名義制冷量？如何確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行？如何確保二系統(tǒng)的均衡性？如何確保最大制冷運(yùn)行？如何解決送風(fēng)帶水？如何提高焊接質(zhì)量？如何確保抗振性能等。為分析這些問(wèn)題產(chǎn)生的原因，尋求解決問(wèn)題的方法，我們作出極大的努力，并最終將所有的問(wèn)題解決掉。下面著重就送風(fēng)帶水的原因和解決措施進(jìn)行闡述。

送風(fēng)帶水是地鐵空調(diào)開(kāi)發(fā)中易出現(xiàn)的問(wèn)題，在本次開(kāi)發(fā)中也碰到了這個(gè)問(wèn)題。我們分析認(rèn)為：由于蒸發(fā)器分液頭布置不合理，加上擋水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)欠妥，分液頭、分流管及蒸發(fā)器表面上冷凝產(chǎn)生的水珠，在通風(fēng)腔負(fù)壓的作用下，被氣流帶到通風(fēng)機(jī)葉輪，吹向送風(fēng)口（見(jiàn)圖4）。

解決措施：如圖5，將蒸發(fā)器分流頭及分流管更換一個(gè)方向，這樣風(fēng)速較小的部位不容易將凝露水滴吹掉，即使吹掉，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)路徑，在路途中滴落在中間水盤，再由水盤排水孔排出。同時(shí)將靠近風(fēng)機(jī)的前隔板底部增加三處擋水結(jié)構(gòu)，防止蒸發(fā)器底部水珠被吸引。試驗(yàn)表明能有效解決凝露水飛出問(wèn)題。

6 機(jī)組技術(shù)參數(shù)及機(jī)組特點(diǎn)

6.1 機(jī)組技術(shù)參數(shù)

通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算和多次試驗(yàn)，最終確定GDL40機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)如表7。

GDL40機(jī)組不同工況下的制冷量曲線圖見(jiàn)圖6。

6.2 機(jī)組特點(diǎn)

6.2.1 節(jié)能

當(dāng)人群高峰期時(shí)，地鐵空調(diào)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，確保車廂內(nèi)溫度和濕度達(dá)到要求；當(dāng)人群低峰期時(shí)，地鐵空調(diào)機(jī)組回風(fēng)溫度傳感器檢測(cè)到車廂內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度，機(jī)組將自動(dòng)實(shí)現(xiàn)減半運(yùn)行或通風(fēng)運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能目的。本機(jī)組通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，與現(xiàn)行地鐵空調(diào)相比，新型地鐵空調(diào)減少一個(gè)送風(fēng)腔、送風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)腔，原材料消耗少；能效比高，重量輕，減少地鐵車輛運(yùn)行能耗，節(jié)能。

表6 額定制冷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6.2.2 環(huán)保

采用環(huán)保型制冷劑R407C，對(duì)臭氧層零破壞。機(jī)組采用無(wú)鉛注塑件及多種可維修型材料，更利于環(huán)境保護(hù)。

表7 地鐵車輛空調(diào)主要技術(shù)參數(shù)表

6.2.3 運(yùn)行可靠

雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際空調(diào)負(fù)荷自動(dòng)選擇一個(gè)或二個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。機(jī)組采用熱力膨脹閥節(jié)流確保機(jī)組運(yùn)行時(shí)不回液；機(jī)組設(shè)有液管電磁閥，確保機(jī)組不回液，從而確保壓縮機(jī)任何時(shí)候都是可靠的，有效延長(zhǎng)壓縮機(jī)使用壽命。機(jī)組設(shè)有高壓開(kāi)關(guān)、低壓開(kāi)關(guān)，低壓旁通閥等確保運(yùn)行中一切都在控制范圍內(nèi)；選用國(guó)際著名廠家的元器件，確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

6.2.4 維修方便

機(jī)組內(nèi)部布置合理，過(guò)濾網(wǎng)拆卸方便，兩器沖洗方便；蓋板采用鐵路通用壓縮式門鎖固定，開(kāi)啟和關(guān)閉都佷方便。

6.2.5 更強(qiáng)防銹

機(jī)組殼體由不銹鋼板SUS304 2B 焊接和鉚接而成，所有緊固件均采用不銹鋼材質(zhì)，具有超強(qiáng)的抗腐防銹能力，確保機(jī)組殼體使用壽命。

7 結(jié)論

針對(duì)本機(jī)組的開(kāi)發(fā)，公司專門制定了企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，盡管該標(biāo)準(zhǔn)比GB/T 19842-2005《軌道車輛空調(diào)機(jī)組》嚴(yán)格得多，但該機(jī)組通過(guò)了包括長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)在內(nèi)的所有型式試驗(yàn)，證明完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求和企標(biāo)要求。該機(jī)組性能良好，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，節(jié)能，環(huán)保，運(yùn)行可靠，維修方便，更強(qiáng)防銹，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[1] GB/T 19842-2005 軌道車輛空調(diào)機(jī)組［S］ 2005

[2] TB//T 1804-2009 鐵道客車空調(diào)機(jī)組［S］ 2009.11[3] 劉加春 專利ZL201020630219.7 空調(diào)［P］ 2010.11