有軌電車空調送風系統(tǒng)設計與性能分析

袁二娜

(上海軌道交通設備發(fā)展有限公司 上海 201100)

0 引言

有軌電車作為城市軌道交通車輛的一種形式，因其低成本和高安全系數，在我國多個城市建造，成為當地的主要交通工具之一[1-2]。與地鐵相比，有軌電車列車長度短，整列車總風量需求也較小，調節(jié)客室空氣的空調機組并非每輛車上都有，如5模塊編組的列車會在其中2個模塊車輛上安裝空調機組。這種布置特點為連接空調機組與客室內空氣的送風系統(tǒng)提出了一些特殊的設計要求和更高的送風性能要求。如何有效地將空調機組產生的風輸送到所有車輛客室，保證每輛車客室的總風量合格且送風均勻，是有軌電車送風系統(tǒng)設計的關鍵[3]，也是影響整列車客室的空氣質量以及乘客乘坐舒適性的關鍵。

1 空調布置特點

現代有軌電車采用多模塊編組，運營中的有3模塊編組[4]、4模塊編組和5模塊編組，其中，5模塊編組有軌電車在多省軌道交通中應用，如上海、武漢[5]、三亞、嘉興等多城市中都有運營或在造的此類有軌電車。5模塊編組有軌電車司機室是單獨的一套空調和送風系統(tǒng)，客室總共有2臺空調機組作為整列車客室的供風單元。以嘉興有軌電車為例，它是由MC1模塊、F1模塊、TP模塊、F2模塊和MC2模塊組成的5模塊編組列車，2臺空調機組沿列車長度方向對稱布置于F1模塊和F2模塊的車頂上，如圖1所示；MC1模塊、MC2模塊和TP模塊無供風單元-空調機組；車廢排采用散回方式，廢排風機裝在MC1模塊和MC2模塊上。每臺空調機組設計了2個送風口和1個回風口，送風口對稱位于機組的一二位側，使所產生的風從車頂一二位側進入車內；回風口位于機組中心位置。

圖1 列車空調機組和風道布置圖

基于空調機組這種布置特點，送風系統(tǒng)不僅要輸送空調機組產生的風給對應客室，還需要跨模塊送風，確保無供風單元的模塊客室有足量所需的風。所以整列車的送風道必須是貫通且低阻力的。

2 送風系統(tǒng)設計

2.1 設計原則

送風系統(tǒng)是空調機組與車內空氣的連接通道，是為了有效、均勻地把空調機組產生的風輸送到車內，調節(jié)車內氣流分布，提高乘客乘坐舒適性。送風系統(tǒng)的設計是基于空調機組結構、布置特點和車內空氣要求等因素而定[6]。

對于車頂式空調機組，有軌電車的送風系統(tǒng)多數布置在空調機組正下方的車頂板內，根據空調機組的送回風口位置確定送風系統(tǒng)的送風道和回風道布置。當送風系統(tǒng)布置在有軌電車的車頂板內時，其風道多采用上部多點吊掛的方式固定在車頂滑槽上，下部通過面接觸的方式被內裝件支撐，氣流最終通過內裝格柵或孔板進入車內或回到回風道內。

2.2 設計方案

根據嘉興有軌電車空調機組結構和布置特點，整列車送風系統(tǒng)沿列車縱向和橫向中心線對稱布置于車頂板內。每個模塊的送風道對稱布置于車體一、二位側側頂板內，長度從一位端端墻一直到二位端端墻處，其中僅F1模塊和F2模塊的送風道設有與空調機組相連通的進風口，用于將空調機組產生的風輸送入風道內。送風道主體結構設計了送風腔、靜壓腔和擾流板(見圖2)，用于調節(jié)氣流流速、流向和壓力[7]；在送風道的上部兩側設計了若干吊座，用于將送風道安裝到車內頂部滑槽上?；仫L道僅布置在F1模塊和F2模塊中頂板內，一端與空調機組回風口相連通，一端與客室相連通，作為客室空氣回流的入口。

圖2 送風道橫斷面圖

為使所需空氣能送到無空調機組的模塊客室內，在連接各模塊的貫通道內設置軟風道，與貫通道相接的所有送風道端部都有氣流出口設計，以便空氣流入貫通道內，進入相鄰模塊的送風道。這樣通過送風道與貫通道相連通的方式，將整列車的送風路徑連通，確保每組模塊客室都有所需的風送達。

2.3 送風原理

當空調機組啟動后，混合空氣由空調機組送風口進入F1車和F2車的送風道，經由靜壓腔、送風孔板、內裝格柵后進入到客室內；同時部分風經貫通道進入到相鄰模塊車輛的送風道內，然后從其靜壓腔出口流出，經過內裝格柵進入到相應的客室內?？褪覂瓤諝馔ㄟ^F1模塊和F2模塊中頂區(qū)格柵進入回風道，然后從與空調機組回風口相連的出口流出，進入空調機組，重新與新風混合，然后進行下輪送風循環(huán)。

3 輕量化選材

設備輕量化是現代軌道車輛的實車需求和要求[8]。送風系統(tǒng)負責輸送空氣，是非載重設備，因此在滿足功能和穩(wěn)定性前提下，以輕質材料為主。

送風道和回風道的主體結構選用輕質的鋁箔復合板材料。鋁箔復合板密度遠小于鋁或鋼的密度，它不僅重量輕，保溫、隔熱、隔音、防火效果也非常好[9]，都能滿足相關標準要求。與傳統(tǒng)金屬材質的風道相比，還有一個顯著的優(yōu)勢是易加工整改。在生產加工中，可以將其他金屬小件牢靠地鉚接在風道主體上，比如安裝吊耳鉚接、擾流板鉚接等。在試驗和裝車階段，通過切、割、補等工序就可完成現場整改，耗材很少。

安裝吊耳是主要承力結構，它須將送風道和回風道牢靠地吊掛在車頂上。因風道主體結構是輕質鋁箔復合板材料，且橫向跨度小，所以吊耳選擇鋁板材料，即可滿足強度和剛度要求。實際裝配中也驗證了鋁板吊耳足夠牢靠，滿足設計要求。其他非承重零件，如擾流板、靜壓隔板、出風口的沖孔板等也選用鋁板材料。

4 送風性能分析

送風道的送風均勻性和風道阻力是送風系統(tǒng)設計的關鍵參數，決定了送風系統(tǒng)設計的合理性。在實車試驗之前的設計階段，借助低成本的仿真手段對其送風性能進行分析，驗證設計的合理性，以便及時更改，降低后續(xù)成本損失。送風系統(tǒng)性能仿真分析是以流體力學理論為基礎[10]，借助CFD計算軟件，對設計模型進行離散和仿真計算[11]，從而得到送風道內氣流分布、流速、流量和壓力等值，然后進行性能分析，評估風道阻力和送風均勻性[12-13]。

4.1 分析建模

嘉興有軌電車列車送風系統(tǒng)為雙對稱軸結構，所以取整列車1/4風道數模來建模，即取MC1模塊一半送風道數模、F1模塊一半送風道和回風道數模和TP模塊1/4送風道數模。在對模型進行離散之前，以不影響整體氣流分配為基本原則簡化設計數模，去掉影響計算過程但不影響計算結果的小件[8]，如螺栓、墊片、法蘭、密封條等。劃分網格時既要保證網格質量也要控制好網格數量，對特征部位和流動性影響大的區(qū)域進行網格加密處理，比如進風口和出風口區(qū)域；對于流動特性影響不大的區(qū)域，適當放大網格尺寸[14-15]。

為方便結果分析，按送風道出風口結構對出風口進行分段定義。將MC1模塊的送風道出風口劃分成4段，定義為MC1-1至MC1-4；將F1模塊的送風道出風口劃分成4段，定義為F1-1至F1-4，將TP模塊的送風道出風口劃分成2段，定義為TP-1和TP-2，如圖3所示。

圖3 送風道出口定義示意圖

4.2 送風均勻性分析

通過仿真計算出各出風口的氣流流量，并與理論值進行對比，量化評估送風道送風均勻性。圖4為TP模塊、F1模塊和MC1模塊送風速度云圖，從中可以看出風從F1模塊的空調機組流入送風道后，通過風量分配器流向送風道一、二位端，在送風道進風口區(qū)域流速較高，隨著主風道內空間變大，空氣的流速逐漸下降。由于主風道內導流板的作用，空氣速度從垂直方向轉向水平方向，速度方向有90°轉變，導致該局部位置形成渦流，空氣流速降低?？諝鈴闹黠L道流經靜壓腔隔板，截面變小，流速變大，到靜壓腔中，空間再變大，速度方向轉變90°，再流出送風道。在靜壓腔內出現局部渦流低速區(qū)域，但因靜壓腔內孔板、擋板和靜壓腔隔板上孔板對氣流的擴散[9]和調速作用，風道內和出風口整體氣流較均勻。MC1模塊和TP模塊的送風道內整體氣流也較均勻。

圖4 送風道速度云圖

提取定義的10個出風口的風速，根據風口截面面積計算出各出風口的體積流量，并與理論體積流量進行量化對比，進一步分析送風道送風均勻性。圖5給出了10個出風口的計算流量和理論流量柱狀對比圖以及差值曲線圖。從圖5中可以看出MC1-1、MC1-2、MC1-3、F1-1、F1-2、TP1-1風口的均勻性絕對值都小于10%，出風均勻性很好；其余4個風口的均勻性絕對值較大，但最大值不超過23%，在可接受范圍內。從整體上看，整列車客室送風道的出風均勻性均值為12.11%，整體出風均勻性較好。

4.3 風道阻力分析

風道阻力既影響風道的風速，也影響送風均勻性[15]。通過計算送風道進出風口的靜壓差，量化評估風道阻力大小，靜壓差越小，風道阻力越小，能量損失就越少，輸送到客室的總風量就越充足。提取10個出風口的靜壓值，計算與進風口靜壓19.4 Pa的差值，以此量化表征各段風道阻力，以最大差值表征整列車的風道阻力。表1給出了送風道10個出風口的靜壓力值，其中MC1-4出風口的靜壓最小為-39.7 Pa，與進風口壓差59.2 Pa，因此整列風道阻力為59.2 Pa，此值相對較小，滿足相關標準要求。

表1 送風道進出口靜壓值

5 試驗測試

對所設計的送風系統(tǒng)，在空調性能匹配試驗中進行性能測試，包含送風均勻性、噪音、風道阻力等。根據風量罩尺寸，將實物風道沿車長方向均分成若干段，用風量罩測量每段風量，并與理論值對比來檢查送風均勻性。實測數據如表2所示，各送風口實測風量偏差均小于20%，送風均勻性良好，滿足要求。使用智能數字微壓計測量風道阻力，其值為107 Pa，滿足要求。在正常通風模式和強風模式下，按照試驗要求測量客室內噪音，實測值均小于70 dB，也滿足要求。實車測試客室總風量為10 398 m3/h，滿足客室總風量不小于10 000 m3/h要求。

表2 送風均勻性及送風量測試

6 結論

多模塊編組有軌電車的送風系統(tǒng)除了承載將空調機組產生的風輸送到所在客室的任務，還需要承載跨模塊送風的任務，所以送風系統(tǒng)設計需考慮沿車長方向送風貫通、送風均勻性好和風道阻力小。除此之外，從列車輕量化角度考慮，送風系統(tǒng)設計應盡量選擇輕型材質，如鋁箔復合板材質，既減重又能滿足功能要求。本文提供的輕量化且性能良好的有軌電車送風系統(tǒng)方案，已經應用在嘉興有軌電車中，實現了客室內無盲區(qū)送風，且溫度和風速場均勻，振動小，噪音低，為乘客提供了舒適的乘車環(huán)境，可為其他相似項目送風系統(tǒng)設計提供參考依據。