列车空调送风系统设计方法研究
青岛理工大学 胡松涛 曹瑜 郑小锋 谭鲁志
1 引言
高速列车车内环境应考虑多方面因素的共同作用，一般包括：车内空气环境、车内声环境以及车内光环境。车内空气环境主要由热环境、湿环境和空气品质等部分构成。热环境的好坏由空气温度的高低来判定；湿环境的优劣由空气的干湿度来表征；空气品质则由新风（新鲜空气）量的多少或空气的洁净度来区别[[i]]。
当列车以高速运行时，如果车厢密闭不严或开启车窗，则车内会产生强烈的紊流和噪声，因此高速列车与常速列车的区别之一就是它的车厢在列车运行时几乎为密闭空间。列车工作条件的特殊性造成它的内部环境与普通建筑空调的室内环境有许多不同之处，具体表现在以下诸多方面[[ii]][[iii]][[iv]][[v]]：
（1）列车内的人员密度大，二氧化碳及人体异味排放量大。
（2）车厢空间相对狭小，车内设施布置紧密，因此不利于空气流通，难以达到合理的气流组织。
(3)各种健康状况的人员在相对较长的时间内保持近距离接触，易于发生病菌传播。
(4)列车单位空间的外表面积大，与外界的热交换量大，近车厢壁面处空气的温度梯度较大，所以车厢内不易形成均匀的温度场。
(5)车窗所占比例相对较大，易受阳光直射，因此由辐射热引起的空调负荷较大。
因此，若要使车内环境达到温度、湿度适宜，空气洁净的要求，在车内空调系统设计中，必须充分考虑上述特点。
2 建筑空调设计方法简述
我国建筑空调设计经过多年的发展，已经逐步形成了一套较为完善和成熟的理论，现在广泛应用于民用建筑业[[vi]]。现对其归纳和总结如图1所示。
图1 民用建筑空调系统方案设计原理图
（1）负荷的计算
空调房间冷（热）、湿负荷的计算是确定空调系统送风量和空调设备容量的基本依据[[vii]]。其中冷负荷包括建筑围护结构传入室内热量（太阳辐射进入的热量和室内外空气温差经围护结构传入的热量）形成的冷负荷，人体散热形成的冷负荷，灯光照明散热形成的冷负荷，以及其他设备散热形成的冷负荷。
（2）空调方案的确定
由空调房间的冷负荷、室内空气状态点，根据焓湿图计算得出夏季空调总送风量；按照设计要求和实际情况选取空调系统形式和冷热源方案，风系统（水系统）的设计，都是空调方案确定的重要内容。
（3）设备选型
在确定了空调方案之后，对设备的选型是一个支管重要的环节，它直接关系着此系统的初投资和运行费用。
（4）水力计算
风系统（水系统）在确定之后，需要对其进行水力计算，从而确定管道尺寸。
（5）冷热源设计
冷热源方案再经过审核之后，需要对其进行计算和选型。
（6）其他设计
消声减震，防腐保温因为关系到系统的运行寿命等参数，也是空调设计过程中比较重要的环节。
3 高速列车空调设计方法综述
翻开世界高速铁路发展的历史，高速铁路技术与各个国家的国情紧密相关，中国铁路的实际情况与西方发达国家有很大区别，因此，要在短时间跨越西方国家高速铁路半个世纪的发展历程，成为世界高速铁路大国，并成为世界高速铁路的强国，就必须充分吸收人类文明进步的成果，站在世界高速铁路技术发展的前沿，坚持自主创新，创造中国高速铁路的自主品牌[1]。
高速列车的环境与建筑空调的室内环境不同，它对空调通风系统的要求更高，不能简单将民用建筑空调设计的相关理论直接应用于列车空调系统之中。本文参照民用建筑空调设计的基本理论，结合我国国情和列车自身的特点，总结出一套适合此类列车空调通风系统的设计方法，如图2所示[[viii]][[ix]][[x]][[xi]]。
图2 列车空调设计原理图
对列车负荷进行计算时，列车与实际建筑的不同之处在于其运行期间不固定，太阳辐射强度和高度角等因素随着地点的改变而发生变化。
与民用建筑空调设计不同的是：列车负荷计算完成之后，不是由室内设计参数确定送风量，而是按照每人40-60m3/h的原则送风量确定。因为列车是个密闭的空间，其内部环境与建筑环境不同，充足的风量是保证车内舒适的前提。因此在送风量确定之后，根据负荷计算结果，参照焓湿图计算送风状态点的参数。
列车送风系统方案的选择应根据实车具体条件而定，风道和空调机组主要安装在车顶或车底。送风方式选定之后，需要对设备选型和相应的水力计算（包括风管和水管），因大部分高速列车送风系统是全空气系统，故只需对风管的进行水力计算即可。
待系统空调送风方案、管道尺寸和送风参数等确定之后可借助SolidWorks、AIRPACK、FLUENT、PHOENICS等计算机辅助软件建模，包括客室内气流组织的仿真模型和送风系统的仿真模型两部分。二者各自独立又相互联系，满足列车气流组织的要求是前提，送风均匀性是保证，送风均匀性的好坏关系着气流组织和优劣，二者是相互作用的，只有兼顾二者，才能做到设计合理、高效。
实验是检验空调送风系统是否满足实际要求的一个重要标准，也是模型优化的一个重要依据。由于模型边界条件的设置与实际过程中存在一定的误差，故应对模型做进一步的修正。模型的好坏直接关系着实验的工作量，参照模型计算结果进行实验不仅省时省力，而且效率较高。可见模型仿真和实验是不可分割的，需要相互配合才能体现二者的最优效果。
空调送风系统经过实验验证之后，方可进行防腐保温和消声减震等设计。