城市轨道交通车辆空调系统

城市轨道交通车辆空调系统

摘要：我国城市轨道交通车辆空调发展主要经历了定速空调、变频空调、智能化变频空调几个主要阶段，不同阶段代表着城市轨道交通车辆空调系统技术的提升与发展。利用大数据技术、监测及分析技术、大容量车－地传输技术等为用户提供关键零部件的健康评估、故障状态预警预测、关键故障精确定位、检修建议策略高效推送、备品备件库存智能建议及更换提醒、列车健康状态及全面监控，提高车辆安全性和检修效率、降低维修成本，满足动车组全生命周期管理需求，实现列车服役性能由阈值管理向状态管理的提升。

关键词：轨道交通车辆；智能控制；空调系统；故障诊断

１空调系统结构及原理

动车组的每节车厢配置的空调系统。空调系统具备如下功能：供应新风与排放废气、采暖和制冷、气流的输送和分配、新风过滤或与回风混合后过滤、应急通风、调节和控制等。客室内设废排风道，废气通过废排单元排出车外。卫生间内的废气不得参与回风。采暖方式采用电加热装置。强制对流电加热装置设有可恢复和不可恢复两级超温保护。动车组每节车厢均设置应急通风功能。应急通风设备由车载蓄电池供电。应急通风量不得少于１０ｍ３／（ｈ·人），时间不小于９０ｍｉｎ。新风口应设在无污染气体区，新风或混合过滤网便于清洁。客室内回风口和废排风口的设置保证车内气流和温度分布的均匀性，不受客室门打开或关闭的影响。空调系统每车设置一台车顶单元式空调机组、一套风道系统，车下设置一台废排装置，车内设置一台空制柜，头车设置一台分体式司机室空调。空调系统制冷、制热时，由回风道吸入车厢内空气，与新风混合，通过空调过滤器，与热交换器或电加热器进行热交换，形成冷、热风送入客室，用于调节客室内的空气温度、湿度、气流速度、空气清洁度，保证客室内舒适度。在此基础上，结合高速动车组技术发展

方向，本研究通过对列车状态、运行环境信息广泛感知、融合处理，在智能行车、智能运维和智能服务等方面提升智能化水平，对系统进行优化提升。

２硬件设计

２.１变频控制空调机组

变频技术通过控制压缩机工作频率控制制冷量的输出，在提升车辆乘坐舒适性及增大定员等要求的同时，避免压缩机频繁启动，节约能耗。空调机组通过变频压缩机、机组内增加２台变频器，每台变频器各控制１台压缩机、电子膨胀阀实现客室内温度的精细化控制。在结构布局方面，将变频器等电子部件放于回风口，利用回风降温，保证电子部件散热良好，同时避免受雨水等外界因素影响。对空调机组内主要部件压缩机等进行冗余设计。机组设有２个压缩机变频器，若１个变频器或１台压缩机发生故障，另一台压缩机将进入超频工作模式，以最大限度保持制冷能力（约７０％）；如空制器发生故障，机组可通过硬线控制实现手动全冷／半冷、全暖／半暖。变频压缩机设７级制冷，可实现制冷量的精确输出，能耗降低，实现节能。

２.２空气净化装置

本研究在空调机组内增加空气净化装置，用于处理室外空气中含有的甲醛、ＴＶＯＣ、ＰＭ２.５等有害物质。空气净化装置利用特殊波长的光等离子管发出的超低频率电能，产生大量的高能量光等离子团，这些离子可以有效地破坏污染物，并将有机物等进行分解，从而起到净化空气的作用。空制器提供空气净化控制装置信号，控制空气净化装置工作或停机；空气净化控制装置可将空气净化装置的故障信息反馈给空制器，便于故障查询。采用等离子体空气净化技术，降低客室内甲醛及ＴＶＯＣ含量。空气净化装置采用

光等离子管结构。

２.３车内压力保护控制系统

智能控制动车组空调系统采用被动式车内压力保护系统。列车高速进入隧道或会车时，安装在头车的压力波传感器检测到车外的压力波动信号后传递给压力波控制器，压力波控制器发出压力保护动作指令，从而起到压力保护作用。主要由压力波传感器、压力保护装置监控单元、压力保护阀等组成。压力波传感器头尾车近司机室两侧各一个，压力保护装置监控单元安装于车辆配电柜内，空调机组中设新风压力保护阀和废排压力保护阀。压力保护阀是压力保护系统中的执行机构。当车外压力变化超过设定要求时，压力保护装置监控单元驱动压力保护阀动作，在压力波产生影响的瞬间将车内外空气通路关闭，从而保证客室内气压的相对稳定。为实现客室及司机室内的压力控制，每辆端车安装１台压力波控制装置，用于检测压力波动，并发出压力波保护信号，控制新风口及废排风口的压力波阀关闭。

２.４风道系统

风道系统结包括送风道、回风道以及废排风道。车顶送风采用侧顶式送风；回风口设在车窗上部，通过回风风道与机组回风口相连；废排通过侧墙下部排风道送入车下废排装置、卫生间废气通过废排风道直接排至车外。当空调机组运转时，外部新风通过机组两侧新风口吸入，与来自客室的回风在空调混合箱内混合后送入空调机组内，经空调处理后，通过送风风机送入送风道，并通过送风口送到客室内，通过台处由送风支风道提供送风。客室回风通过各回风口收集并经过回风道被吸入到空调混合箱内，混合箱将回风与新风混合后送入到空调机组进行处理，从而实现对车内温度、湿度等环境参数的控制。

２.５客室内温湿度控制

为提高车内环境舒适度，本研究增加客室湿度传感器，控制客室内温湿度在适宜范围内。在压缩机启动时开启电加热，从而将客室内湿度控制在６５％以下。空调制冷工作时，车厢内的温度和湿度超过设定值时，开启压缩机进行除湿；当客室内温度达到设定目标温度后，压缩机会停机，当车外湿度较大，将导致车厢内湿度超标。空调增加除湿功能后，空制器可根据客室内湿度传感器采集的湿度值自动与目标湿度值进行比较，当车厢内的湿度超过设定值（温度达到或低于设定值），则开启压缩机和电加热进行除湿模式运行，蒸发风机低速运转，使用电加热补偿客室内的热量，直至湿度达到设定值后退出除湿模式。

进入除湿模式时，电加热器和压缩机同时工作，蒸发风机以低速运转。电加热器的投入工作是为了提升制冷运行档位，以便提高机组的除湿能力。蒸发风机低速运行是为了使循环风能降到更低温度，以便能析出更多的水分，提高机组的除湿能力。此时机组的部分制冷量用于平衡潜热，即使空气中水蒸气凝结成水后排出；部分用于平衡显热，显热包括车内降温需求和电热的制热量。在除湿模式下，为了保证整机能耗不超出车辆供给侧的允许范围，电加热器最高仅允许其中一组工作，此时每台机组的２台压缩机最高将仅允许单台压缩机满载工作，或２台压缩机均运行在较低的频率下。

结束语

在轨道交通空调系统综合分析基础上，对高速列车空调系统智能控制技术硬件设计、测试验证进行了详细论述。结果表明，空调系统智能控制在综合经济性、环境舒适性及检修方便等均有提升。满足对轨道交通车辆设备的智能化发展推动的需求。

参考文献：

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