淺析西安地鐵二號線車輛空調系統

都榮興

摘要：介紹了西安地鐵二號線車輛空調系統的主要特點、技術參數及空調系統的通風、空調機組、自動控制系統等結構，并且針對存在的不足，提出了改進意見。

關鍵詞：空調系統；通風系統；空調機組；

1.概述

西安地鐵二號線車輛空調系統是由長春軌道客車股份有限公司負責總體設計和整車試驗，而空調機組由石家莊國祥運輸設備有限公司制造。每輛車安裝兩個頂置式單元空調機組，共用一個主風道，在Mp、M、T車的一位端、二位側和Tc車二位端、二位側各設有一個空調控制柜，還有一些電氣部件在客室內，其中空調控制柜和電氣部件由長春研奧電器有限公司設計制造。此空調系統的設計考慮了地鐵車輛的實際運行條件，并且采用了一些新的技術，主要有以下特點：

（1）空調機組采用單冷型式、微機控制可通過列車總線網絡進行集中控制，而且還可以通過單節車的觸摸屏來單獨控制機組的運行。

（2）采用進口全封閉臥式渦旋壓縮機，噪音小、抗沖擊。

（3）采用新型環保制冷劑R407C。

（4）機組內設有電動回風調節裝置及新風調節裝置，能夠滿足不同工況條件下風量調節的需要。

（5）客室內設置幅流風機，促進了車廂內的空氣流通。

（6）司機室和客室通過設置電加熱器提供暖風和新鮮空氣，從而提高司機駕駛和乘客乘坐的舒適性。

（7）在列車三相380V、50Hz交流電源失效的情況下，由緊急通風逆變器為空調機組通風機供電，采取降頻降壓工作方式，保證45分鐘的緊急通風。

2.通風系統

為了實現整列車送風均勻，采用靜壓風道。其工作原理是空調機組下部送出的風進入車內主風道，并沿主風道在推進過程中進入靜壓箱，進行靜壓平衡調節，使得在主風道的不同截面上，具有不同靜壓的空氣在靜壓箱中得到平衡，并形成一定的靜壓值，空氣通過在靜壓箱上的開口將靜壓轉換成一定的動壓噴射出去，從而達到均勻送風的目的。

送風道的布置如圖1：

圖1 送風道的布置圖

2.1車內氣流組織形式

送風

在離心風機作用下，新風從空調機組的新風口吸入，與客室內回風在蒸發器前混合，混合氣流經過冷卻后，通過風道和風口均勻地向客室吹出。司機室送風單元通過風道從相鄰的空調機組中吸入已經處理過的冷空氣，再將其送入司機室，可以調節送風量及送風方向。

新風

空調機組自帶新風口，新風口設有性能好、阻力小的過濾裝置，可防止風沙雨雪滲入車輛，新風入口密封嚴密，所有新風均經過空氣過濾器。同時設有自動風量調節閥根據空調系統控制的要求按照制冷、通風、緊急通風等不同的工作狀態控制新風風量。

回風

客室內的部分空氣通過車頂的回風口進行循環，回風與新風在蒸發器前混合，混合空氣經過蒸發器完成降溫除濕的制冷過程，并由通風機經過風道向車輛均勻地送風?；仫L口設有自動風量調節閥根據空調系統控制的要求按照制冷、通風、緊急通風等不同的工作狀態控制回風風量。

排風

司機室利用司機室增壓單元產生的正壓，通過設于司機室間壁門和兩側電器柜下部的回風口向客室內回風，其中一部分與客室內的空氣通過安裝在客室車頂的排風裝置排出車外。

整個空調系統的車內氣流組織形式采用的是下送風下回風方式。如下圖2所示：

圖2 車內氣流組織圖

2.2離心風機

離心風機是通風系統的動力裝置，其作用是吸入車外新風和客室回風，并將處理后空氣加壓，通過主風道等送入客室。此風機為多葉片式離心風機，具有高效、低能耗和低噪聲的特點。風機的電機為交流電機，供電電源為3PH/AC380V/50Hz，同時該風機可降頻降壓運行以滿足緊急通風功能的實現。

2.3幅流風機

根據空調系統整體布置的要求及室內氣流組織的需要，在TC（頭車）安裝了2個雙軸幅流風機，1個單軸幅流風機，中間車安裝了4個雙軸幅流風機，利用葉輪在電機的驅動下高速旋轉，產生流場，介質在葉道內流動，在葉片的作用下，獲得能量，將機械能轉化為動能，達到通風換氣的目的，促進車廂內空氣對流，以提高制冷效果，為乘客提供舒適的服務。

3.空調機組

3.1空調機組的主要技術參數

型號 KG29H

型式 車頂單元式

電源 主 回 路：三相交流 380V50Hz

控制回路：DC24V 電磁閥AC220V，50HZ

制 冷 量 29.1kW

通 風 量 4000 m3/h

新 風 量（可調） 最大為1270m3/h

應急通風量 2000m3/h

制 冷 劑 R407C

輸入功率 約14 kW

重量 約600kg

外形尺寸

（長×寬×高） 3300×1600×300mm

(注：外形尺寸為不含安裝座尺寸)

3.2空調機組主要部件功能

3.2.1壓縮機

制冷壓縮機為全封閉臥式壓縮機，是將電動機、壓縮機構及供油系統組裝在同一個密封的機殼內，其主要作用是將來自蒸發器的低溫低壓的 R407C氣體壓縮成高溫高壓的氣體，并送往冷凝器。

3.2.2軸流風機（冷凝風機）

軸流風機為直聯軸流式風機，風機的葉輪安裝在立式電機上，并采取防水結構，主要用于強化冷媒在冷凝器中的凝結放熱過程。

3.2.3蒸發器

蒸發器為銅管套鋁肋片的直接蒸發式空氣冷卻器，主要將液態制冷劑R407C蒸發成低溫低壓的氣體，與此同時吸收車內循環空氣和新鮮空氣的熱量，達到降溫的目的。

3.2.4冷凝器

其結構型式與蒸發器相同。

高溫高壓的R407C氣體，通過冷凝器時，在外界空氣的強制冷卻下，變成低溫高壓的冷媒液體。

3.2.5毛細管

毛細管是一組內徑極小的細長銅管，當高壓液體冷媒流經這組高阻力管時，起到節流降壓的作用。

3.2.6干燥過濾器

干燥過濾器將濾網固定在容器內，并封入干燥劑，過濾冷媒中的殘余雜質并吸取冷媒中的殘留水份。

3.2.7高、低壓壓力開關

當制冷系統的壓力異常高或低時，高、低壓開關動作，停止壓縮機的運轉，保護制冷系統。高、低壓開關的復位方式為自動復位。

3.2.8旁通電磁閥

該電磁閥設置在壓縮機排氣管與氣液分離器前吸氣管之間，為保證壓縮機在長時間停止后以及溫度較低情況下啟動時的軸承潤滑，與壓縮機同時啟動，30秒后斷電。

3.2.9容量控制電磁閥

此電磁閥配合壓縮機內能量調節機構可以控制壓縮機的容量，與壓縮機同時啟動，40秒后斷電。通過2個電磁閥的開閉及每臺機組兩臺壓縮機工作狀態組合，進行全運轉以及控制容量運轉（約70%）的切換，可實現空調機組多級能量調節，制冷能力實現100%、70%、50%共三檔。當打開高壓側電磁閥，關閉低壓側電磁閥時，為全運轉狀態。當打開低壓側電磁閥，關閉高壓側電磁閥時為容量控制運轉狀態。

3.2.10液管電磁閥

此電磁閥設置在冷凝器出口，與壓縮機同時啟動同時停止，防止壓縮機停止時冷媒液倒流入壓縮機側，防止造成再次啟動時潤滑不良。

4.電加熱系統（采暖系統）

考慮到地鐵車輛實際運行區域的氣候條件，西安地鐵車輛空調系統專門設置了電加熱系統。

4.1客室電熱器

客室電熱器安裝在座椅底下的安裝座上。每組電熱器內設兩支電熱管，兩支電熱管分兩路，可分別或同時工作、停止。電熱器設“全暖”、“半暖”兩個控制位，由司機控制。

4.2司機室電熱器

為提高司機室冬季采暖的舒適性，在司機室設帶風機的強迫通風電熱裝置。設半暖、全暖位，由司機手動操作。每個電熱器內設一臺小型貫流風機，兩支電熱管。司機室電熱裝置安裝在司機臺下。司機室電熱裝置內風機與電加熱器設置連鎖，風機啟動后電熱裝置投入運行，電熱裝置設熱繼電器進行超溫保護，當由于風機故障等原因使電熱器溫度超過設定值時，自動停止工作。

5.自動控制系統

5.1供電

從接觸網下來的DC1 500 V直流電經過列車靜止逆變器（SIV）轉換成AC380 V、50 Hz三相交流電后，供給空調機組的壓縮機、冷凝風機等交流負載。

空調系統的控制電路使用DC110 V直流電。從接觸網下來的DC1 500 V直流電經過列車輔助供電系統的整流裝置變換成DC110 V后供給控制電路。

當交流供電失效的情況下時，由Tc車的蓄電池供電，將DC110 V直流電經緊急通風逆變器轉換成三相交流電，驅動機組內的兩個通風機工作45分鐘。

5.2空調控制柜

在Mp、M、T車的一位端、二位側和Tc車二位端、二位側各設有一個空調控制柜。此控制柜與客室內的空調裝置一起為司機與乘客提供空調控制?？照{控制柜控制單元由PLC主機單元 、溫度擴展模塊、信息顯示操作屏組成。

5.2.1PLC功能

PLC是可編程邏輯控制器的縮寫，對整個空調機組進行自動控制，實時檢測運行過程中的參數，對出現的故障自動處理，通過顯示操作屏實現人機對話，響應顯示操作屏輸入的命令、參數、將故障信息、運行狀態通過顯示操作屏顯示等。

5.2.2顯示操作屏

顯示操作屏是一種微型可編程終端，采用全中文液晶顯示操作屏（帶背光），具有字符類型和圖像類型顯示，由通訊接口和PLC的外設接口進行通訊。主要功能是空調機組的運行工況的控制，運行工況參數的顯示，實時顯示各功能的運行狀態及故障現象。

5.3運作模式

（1）通風狀態：兩個機組的送風機全部運行，而且新風閥、回風閥全部打開。

（2）弱冷狀態：兩個機組的送風機全部運行，冷凝風機也全部運行，每個機組的壓縮機只有累計運行時間少的壓縮機運行，即一半的壓縮機啟動。

（3）強冷狀態：兩個機組的送風機全部運行，冷凝風機全部運行，每個機組壓縮機全部運行，即所有的壓縮機啟動。

（4）自動狀態：列控（網絡）給定自動冷溫度T值及指令，當室溫t0≥T+3.5 oC，雙機制冷：送風機運行→延時5秒→冷凝風機運行→延時30秒→累計運行時間少的壓縮機運行→延時5秒→另一臺壓縮機運行→降溫至室溫t0≤T +2oC→運作時間多的壓縮機先停機→當室溫t0≤T oC時→延時3秒→另一臺壓縮機停機→延時30秒→冷凝風機停機→送風機繼續運行→如果需要停送風機延時5S→可以停送風機。

（5）停機狀態：所有的通風機、冷凝風機、壓縮機均停止運行。

以上幾種運作模式可以通過單節車的顯示操作屏來控制單節車機組的運行，也可以通過司機室的觸摸顯示屏選擇運作模式，其指令通過列車的中央控制單元、終端控制端元、總線、空調網關傳送給每節車空調控制柜內的PLC主機單元，從而實現對整列車的空調機組進行集中控制。

6.結束語

總之，西安地鐵二號線車輛空調系統整體性能不錯。但也存在一些不足，還需從以下幾個方面加強：

（1）空調機組的外蓋板材質太薄，在實際運營過程中蓋板極易變形給檢修工作帶來不便，建議空調機組外蓋板應該采用2.5-3mm的不銹鋼蓋板較為合理。

（2）空調機組的排水槽里面容易形成積水，建議將排水槽槽底設計成帶斜度的，可將積水排干凈。

（3）客室內溫度不均勻，建議廠家在設計風道時嚴格控制主風道內最大風速不高于8 m/s ，而且在充分考慮風道阻力及噪聲的前提下，應該將主風道送風條縫和靜壓風道送風條縫的寬度尺寸設計成越小越好。

（4）空調噪音偏大，降低了乘客乘坐的舒適性，建議空調通風機和風道內選用低噪聲和多葉片的離心風機和消聲風道，冷凝風機選用低噪聲、低轉速、大流量的軸流風機，而且要嚴格控制空調機組各設備的安裝工藝，盡可能降低噪聲。

參考文獻

[1] 長春軌道客車股份有限責任公司 西安地鐵二號線車輛維修手冊2010

[2] 曹越，鄧景山國內鐵路空調與地鐵空調之比較 2001

[3] 龍靜，王書傲地鐵車輛空調設計問題的探討 2003

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。