高鐵車廂氣體環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)調(diào)控策略

李修嶺 楊 楠 張海東

(中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 蘭州 730070)

0 引言

如今,世界處于新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革時(shí)期,大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)等在軌道交通的應(yīng)用不斷深化[1]。隨著鐵路客運(yùn)量的增長(zhǎng)與智能交通的發(fā)展,用戶對(duì)乘坐過(guò)程中的空氣品質(zhì)的要求逐漸提高,這對(duì)列車空調(diào)系統(tǒng)也提出了更高的要求。法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)分別于2015年、2016年、2018年制定了各自的數(shù)字化鐵路戰(zhàn)略,旨在提高運(yùn)輸安全和效率,以及滿足旅客乘坐舒適性,形成以客戶為中心的服務(wù)體系[2]。通過(guò)傳感器等設(shè)備對(duì)列車空氣信息進(jìn)行采集,利用大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析等技術(shù),對(duì)車廂內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià),為提高車廂內(nèi)空氣品質(zhì)提供依據(jù)[3]。

高鐵車廂空調(diào)系統(tǒng),又稱車內(nèi)空氣環(huán)境控制系統(tǒng),主要功能是通過(guò)人工制冷、采暖及應(yīng)急通風(fēng)等方式,控制列車內(nèi)的空氣溫濕度、氣流速度,使車內(nèi)空氣不受環(huán)境和氣候的影響,保持理想的狀態(tài),為旅客提供舒適的乘坐環(huán)境[4]。目前已有研究主要集中在列車運(yùn)行車廂內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià),對(duì)高鐵列車空調(diào)運(yùn)行模式及調(diào)控策略研究較少。研究將從空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成以及氣體監(jiān)測(cè)環(huán)境對(duì)動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)控制模式進(jìn)行全面的說(shuō)明,并以CRH_3型動(dòng)車組為例說(shuō)明列車空調(diào)系統(tǒng)調(diào)控策略,為以后高鐵動(dòng)車組車廂內(nèi)空氣質(zhì)量改善和智能控制技術(shù)升級(jí),提高乘客舒適度提供參考。

1 空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成

空調(diào)系統(tǒng)通常由空調(diào)機(jī)組和空調(diào)控制系統(tǒng)組成,具備輸送和過(guò)濾新風(fēng)、分配冷熱風(fēng)、應(yīng)急通風(fēng)、排放廢氣、控制運(yùn)行模式等功能,具體可分為通風(fēng)、制冷、供暖及控制四大系統(tǒng)[5]。

高鐵列車通風(fēng)系統(tǒng)最主要的功能是輸送新風(fēng)和排放廢氣,通常由通風(fēng)機(jī)組、進(jìn)排風(fēng)裝置、空氣凈化設(shè)備等組成[6]。通風(fēng)系統(tǒng)將車廂內(nèi)外空氣進(jìn)行混合,過(guò)濾出灰塵和雜質(zhì)后,再將過(guò)濾后的優(yōu)質(zhì)空氣分配給各車廂;同時(shí)排出車內(nèi)空氣污染物濃度較高的廢氣,以保持車內(nèi)空氣環(huán)境的清新度。

制冷與供暖系統(tǒng)是動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分。當(dāng)啟動(dòng)制冷、供暖模式時(shí),系統(tǒng)通過(guò)回風(fēng)道采集車廂內(nèi)空氣,與通風(fēng)系統(tǒng)輸送的新鮮空氣進(jìn)行混合,經(jīng)過(guò)濾后,進(jìn)行熱交換形成冷熱風(fēng),再輸送到各個(gè)車廂,以此控制車廂內(nèi)的空氣流動(dòng)速度、空氣溫濕度[7]。送風(fēng)過(guò)程如圖1所示,冷熱風(fēng)形成過(guò)程如圖2所示。

圖1 高鐵車廂內(nèi)供暖(制冷)工況下送風(fēng)過(guò)程

圖2 高鐵車廂冷熱風(fēng)形成過(guò)程

控制系統(tǒng)由多種空氣參數(shù)調(diào)控設(shè)備組成,其作用是控制其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作,同時(shí)調(diào)節(jié)列車空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式,使車內(nèi)的空氣參數(shù)達(dá)標(biāo)。

2 高鐵車廂氣體環(huán)境

車廂氣體環(huán)境監(jiān)測(cè)主要通過(guò)傳感器等設(shè)備對(duì)列車空氣信息進(jìn)行采集,對(duì)車廂內(nèi)空氣進(jìn)行監(jiān)測(cè),運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析等技術(shù),對(duì)車廂內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià),為提高車廂內(nèi)空氣質(zhì)量提供參考。高鐵動(dòng)車組車廂內(nèi)的空氣污染物有CO2、CO、可吸入顆粒物、甲醛等。由國(guó)家鐵路局發(fā)布TB/T 1932—2014《旅客列車衛(wèi)生及監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定》,其中對(duì)列車空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 TB/T 1932—2014《旅客列車衛(wèi)生及監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定》

高鐵車廂氣體環(huán)境主要有人員、新風(fēng)量、 列車空調(diào)系統(tǒng)性能以及裝修材料等影響因素。CO2是高鐵車廂內(nèi)主要空氣污染物,其主要來(lái)源為車廂內(nèi)乘客的呼吸作用,其含量與載客率呈正相關(guān)。在空氣質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)中,CO2合格率最低[8]。在客運(yùn)高峰期,列車超員現(xiàn)象嚴(yán)重,人員密度過(guò)大,列車空氣質(zhì)量惡化,車廂內(nèi)CO2超標(biāo)率高達(dá)58.3%～75.0%[9]。高鐵列車車廂全程禁煙且禁用明火,沒(méi)有燃料的燃燒以及煙霧的產(chǎn)生,故總體上車廂內(nèi)CO濃度較低[10]。

車廂內(nèi)可吸入顆粒物的主要來(lái)源為由通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入車廂內(nèi)的新風(fēng)所含的顆粒物以及附著在乘客及隨身行李物品上的顆粒物, 與列車開(kāi)通時(shí)間、空調(diào)系統(tǒng)的過(guò)濾作用和車廂密閉性有關(guān)。蘭新高鐵由于開(kāi)通時(shí)間短,車廂內(nèi)PM10的達(dá)標(biāo)率是100%,最高濃度為56μg/m3[11]。列車內(nèi)的甲醛主要來(lái)源于車廂裝飾材料或修用油漆,而高鐵車廂內(nèi)使用采用環(huán)保的裝飾材料,在裝飾完成后即列車運(yùn)行前對(duì)車廂進(jìn)行持續(xù)的循環(huán)通風(fēng),釋放車廂內(nèi)含有的甲醛,降低列車甲醛含量。

氣體環(huán)境還受列車運(yùn)行環(huán)境影響。以高原高寒地區(qū)為例,空氣密度隨著海拔高度的增加,氧氣含量下降。在高原低氣壓環(huán)境下,空氣相對(duì)濕度低。當(dāng)艙室處于海拔5000m時(shí),允許的最小相對(duì)濕度≥30%。此外,列車受太陽(yáng)輻射影響,車廂內(nèi)壁面存在溫度差異,影響車廂內(nèi)空氣溫度。

3 CRH_3型動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)調(diào)控策略

CRH_3型動(dòng)車組是我國(guó)最先投入使用的運(yùn)行速度高達(dá)350km/h的高鐵列車,由德國(guó)和中國(guó)共同設(shè)計(jì)和生產(chǎn),是投入到我國(guó)首條高速鐵路上使用的動(dòng)車組之一,并且先后運(yùn)營(yíng)于武廣、京滬等多條線路上[12]。隨著軌道交通技術(shù)的不斷發(fā)展,CRH_3型動(dòng)車組列車空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境不同,運(yùn)行不同模式,為用戶提供舒適的車內(nèi)環(huán)境。運(yùn)行模式如圖3所示,具體控制過(guò)程如表2所示。

圖3 空調(diào)系統(tǒng)模式圖

4 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)具有輸送新風(fēng)、排放廢氣、調(diào)節(jié)車廂內(nèi)外氣壓等功能。人員、新風(fēng)量、列車空調(diào)系統(tǒng)性能、裝修材料以及列車運(yùn)行環(huán)境等因素影響車廂氣體環(huán)境。高鐵動(dòng)車組車廂內(nèi)的空氣污染物有CO2、CO、可吸入顆粒物、甲醛等,其中CO2是主要空氣污染物且達(dá)標(biāo)率最低?？照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式隨著列車運(yùn)行狀態(tài)不同進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)列車進(jìn)入隧道或交會(huì)時(shí),運(yùn)行隧道模式;列車供電故障時(shí),運(yùn)行應(yīng)急通風(fēng)模式;根據(jù)車廂內(nèi)空氣溫度高低,運(yùn)行制冷或供暖模式;根據(jù)車外溫度運(yùn)行強(qiáng)制制冷或強(qiáng)制加熱模式;在發(fā)生緊急情況時(shí),列車運(yùn)行緊急關(guān)閉模式;正常運(yùn)行中,列車運(yùn)行整備模式;車廂內(nèi)空氣質(zhì)量超標(biāo)時(shí),運(yùn)行循環(huán)通風(fēng)模式;洗車前列車運(yùn)行清洗模式。本研究從空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成對(duì)其運(yùn)行模式及調(diào)控策略進(jìn)行探究,未對(duì)除濕系統(tǒng)進(jìn)行介紹和說(shuō)明,今后可對(duì)除濕系統(tǒng)相關(guān)方面進(jìn)行研究,使內(nèi)容更加全面。