高鐵車廂氣體環境監測數據驅動的空調系統調控策略

李修嶺 楊 楠 張海東

(中國鐵路蘭州局集團有限公司 蘭州 730070)

0 引言

如今,世界處于新一輪科技革命與產業變革時期,大數據與人工智能技術等在軌道交通的應用不斷深化[1]。隨著鐵路客運量的增長與智能交通的發展,用戶對乘坐過程中的空氣品質的要求逐漸提高,這對列車空調系統也提出了更高的要求。法國、德國、英國分別于2015年、2016年、2018年制定了各自的數字化鐵路戰略,旨在提高運輸安全和效率,以及滿足旅客乘坐舒適性,形成以客戶為中心的服務體系[2]。通過傳感器等設備對列車空氣信息進行采集,利用大數據監測與分析等技術,對車廂內空氣質量進行監測與評價,為提高車廂內空氣品質提供依據[3]。

高鐵車廂空調系統,又稱車內空氣環境控制系統,主要功能是通過人工制冷、采暖及應急通風等方式,控制列車內的空氣溫濕度、氣流速度,使車內空氣不受環境和氣候的影響,保持理想的狀態,為旅客提供舒適的乘坐環境[4]。目前已有研究主要集中在列車運行車廂內空氣質量的監測與評價,對高鐵列車空調運行模式及調控策略研究較少。研究將從空調系統構成以及氣體監測環境對動車組空調系統控制模式進行全面的說明,并以CRH_3型動車組為例說明列車空調系統調控策略,為以后高鐵動車組車廂內空氣質量改善和智能控制技術升級,提高乘客舒適度提供參考。

1 空調系統構成

空調系統通常由空調機組和空調控制系統組成,具備輸送和過濾新風、分配冷熱風、應急通風、排放廢氣、控制運行模式等功能,具體可分為通風、制冷、供暖及控制四大系統[5]。

高鐵列車通風系統最主要的功能是輸送新風和排放廢氣,通常由通風機組、進排風裝置、空氣凈化設備等組成[6]。通風系統將車廂內外空氣進行混合,過濾出灰塵和雜質后,再將過濾后的優質空氣分配給各車廂;同時排出車內空氣污染物濃度較高的廢氣,以保持車內空氣環境的清新度。

制冷與供暖系統是動車組空調系統的重要組成部分。當啟動制冷、供暖模式時,系統通過回風道采集車廂內空氣,與通風系統輸送的新鮮空氣進行混合,經過濾后,進行熱交換形成冷熱風,再輸送到各個車廂,以此控制車廂內的空氣流動速度、空氣溫濕度[7]。送風過程如圖1所示,冷熱風形成過程如圖2所示。

圖1 高鐵車廂內供暖(制冷)工況下送風過程

圖2 高鐵車廂冷熱風形成過程

控制系統由多種空氣參數調控設備組成,其作用是控制其他系統協調工作,同時調節列車空調系統運行模式,使車內的空氣參數達標。

2 高鐵車廂氣體環境

車廂氣體環境監測主要通過傳感器等設備對列車空氣信息進行采集,對車廂內空氣進行監測,運用大數據分析等技術,對車廂內空氣質量進行監測與評價,為提高車廂內空氣質量提供參考。高鐵動車組車廂內的空氣污染物有CO2、CO、可吸入顆粒物、甲醛等。由國家鐵路局發布TB/T 1932—2014《旅客列車衛生及監測技術規定》,其中對列車空氣質量標準如表1所示。

表1 TB/T 1932—2014《旅客列車衛生及監測技術規定》

高鐵車廂氣體環境主要有人員、新風量、 列車空調系統性能以及裝修材料等影響因素。CO2是高鐵車廂內主要空氣污染物,其主要來源為車廂內乘客的呼吸作用,其含量與載客率呈正相關。在空氣質量各項指標中,CO2合格率最低[8]。在客運高峰期,列車超員現象嚴重,人員密度過大,列車空氣質量惡化,車廂內CO2超標率高達58.3%～75.0%[9]。高鐵列車車廂全程禁煙且禁用明火,沒有燃料的燃燒以及煙霧的產生,故總體上車廂內CO濃度較低[10]。

車廂內可吸入顆粒物的主要來源為由通風系統進入車廂內的新風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, 與列車開通時間、空調系統的過濾作用和車廂密閉性有關。蘭新高鐵由于開通時間短,車廂內PM10的達標率是100%,最高濃度為56μg/m3[11]。列車內的甲醛主要來源于車廂裝飾材料或修用油漆,而高鐵車廂內使用采用環保的裝飾材料,在裝飾完成后即列車運行前對車廂進行持續的循環通風,釋放車廂內含有的甲醛,降低列車甲醛含量。

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

3 CRH_3型動車組空調系統調控策略

CRH_3型動車組是我國最先投入使用的運行速度高達350km/h的高鐵列車,由德國和中國共同設計和生產,是投入到我國首條高速鐵路上使用的動車組之一,并且先后運營于武廣、京滬等多條線路上[12]。隨著軌道交通技術的不斷發展,CRH_3型動車組列車空調系統根據環境不同,運行不同模式,為用戶提供舒適的車內環境。運行模式如圖3所示,具體控制過程如表2所示。

圖3 空調系統模式圖

4 結語

動車組空調系統具有輸送新風、排放廢氣、調節車廂內外氣壓等功能。人員、新風量、列車空調系統性能、裝修材料以及列車運行環境等因素影響車廂氣體環境。高鐵動車組車廂內的空氣污染物有CO2、CO、可吸入顆粒物、甲醛等,其中CO2是主要空氣污染物且達標率最低?？照{系統運行模式隨著列車運行狀態不同進行調控。當列車進入隧道或交會時,運行隧道模式;列車供電故障時,運行應急通風模式;根據車廂內空氣溫度高低,運行制冷或供暖模式;根據車外溫度運行強制制冷或強制加熱模式;在發生緊急情況時,列車運行緊急關閉模式;正常運行中,列車運行整備模式;車廂內空氣質量超標時,運行循環通風模式;洗車前列車運行清洗模式。本研究從空調系統的構成對其運行模式及調控策略進行探究,未對除濕系統進行介紹和說明,今后可對除濕系統相關方面進行研究,使內容更加全面。