第五节空调客车装置送风量及制冷量的确定

第五节空调客车装置送风量及制冷量的确定第五节空调客车装置送风量及制冷量的确定摘要:制冷量是指空调进行制冷运行时，单位时间内从密闭空间、房间或区域内去除的热量总和。送风量包括新风量和回风量。客车搭载的空调系统通过对送风量及制冷量的控制与调节为乘客提供温度适宜空气清新的环境。为了实现这一点，送风量与制冷量的确定尤为重要。关键词：送风量制冷量总风量新风量回风量车内温度旅客的旅行质量直接与客车车内的环境相关。随着铁路事业的飞速发展,对车内生活环境的要求也越来越高,提高客室舒适性日益重要。就舒适性而言,除去车辆振动、照明、客室内夏季制冷和冬季采暖效果等影响因素外,客室内微风速、风速场的均匀性、室内气流组织状态、高速车车内外压力变化幅度、通风系统噪声等也是至关重要的参数,而这些参数主要取决于客车空调的空气调节。本文着重讲述送风量及制冷量的确定。一．送风量在客车空调装置的通风系统中，送风量是指每小时进入车内的空气量。出于经济方面的考虑，现代列车送风量中通常采用部分再循环的空气。故，送风量由新鲜空气和再循环空气两部分组成，即新风量与回风量。1.新风量对新风量的调查研究，西方国家早在20世纪90年代初就已开始，从对加拿大、美国、西欧、南美85栋IAQ（即室内空气质量）较差的建筑的调查结果看，在导致IAQ较差的所有原因中，新风量不足排在第一位，占57%，其次是室内污染源增多。美国职业安全与卫生研究所的调查也表明，室内空气影响人体健康的几大因素中，通风不良占48%，国际室内空气协会成员，《室内空气》期刊主编Sundeu教授对瑞典160栋建筑进行研究，发现新风量越大，发生建筑病综合症的风险就越小。在列车上，随着呼吸产生二氧化碳使房间中氧气减少，二氧化碳增加。当二氧化碳浓度达到一定程度时，乘客便会感觉到不适，影响健康。不仅如此，旅客携带的各种物品，有气味的食物，以及其他各种气味都会是空气不断恶化。因此客车空调系统需要不断地供给一定的新鲜空气，使二氧化碳的含量控制在国家规定允许的浓度范围内。但新风量的多少直接影响着空调系统的能耗，在能源日益紧张的今天，怎样保证人的舒适和生产正常进行的前提下，在不同的季节，不同的场合采用不同的新风运行模式，使系统的能耗最低已经成了空调设计人首先要完成的任务。常见空调系统的基本结构保证车内二氧化碳含量不超过规定值所需的空气量，即新风量Vh可按下式确定：Vh=nV1/（V3-V2）其中，n------旅客定员数；V1------每人排出的二氧化碳量，m³/h；V2------车外新鲜空气中二氧化碳的含量；V3------车内允许的二氧化碳含量；从改善室内空气品质角度来说，新风量越多越好，但是送入室内的新风都要经过热湿处理，消耗一定的能源，因此从能耗角度来说新风量越合理越接近最小值最好。因此，在保证人的舒适和生产正常进行的前提下，我们要确定一个最小的新风量MO1，下面给出几个确定最小新风量的方法，第一种方法是根据所需控制的二氧化碳的质量平衡方程来求，即：其中：X——室内CO2发生量，mg/hC1——室内允许的CO2浓度，mg/m3Co——室外新风的CO2浓度，mg/m3，方法二是根据不同场所规范所规定的必需的最小新风量Rp（m3/h·人）来计算，计算公式为：MO1=n×Rp其中n为室内总人数。在工程设计中通常会用第二种方法来计算新风量。常见场所新风量推荐值与最小值以上两种方法都是仅仅考虑人员所需的新风量，而没有考虑其他材料散发的污染物对新风量的要求。鉴于围护结构和室内装饰发出的挥发性有机物（VOC）等污染物需要新风来稀释，所以确定房间最小新风量时，除了考虑人员密度外，还要充分考虑跟围护结构和装饰相关的室内面积，即采用第三种方法：MO1=n×Rp+RbAb，[1]其中Rb----每平方米地板所需最小新风量（m3/h·m2）Ab----地板面积，m2。综上所述低污染的建筑可采用第一或第二种方法。高污染的建筑则需采用第三种方法计算MO1。维持正压及补充排风需要的最小新风量MO2如图所示，以空调机组和空调房间为一个研究对象，可以得到一个空气平衡方程式：MO2=MP+M㈩其中：MP——排风量，m3/hM㈩——维持正压所需风量，m3/hMp可由工艺专业提出或根据有害物散发量的空气平衡来确定。M㈩的多少是由房间的密封性能所决定的，即M㈩=3600μAc（ΔP）n，其中μ——流量系数，可取0.39～0.64；Ac——门窗缝隙面积，㎡吸烟程度房间名称新风量推荐值最小值非常多交易场所8551新闻编辑室8551会议室8551多酒吧、酒楼5142.5一般办公室25.517饭店25.520少商场、百货商店25.517无剧场25.517医院3425.5ΔP——房间内正压值；n——流动指数0.5～1一般可取0.65，很显然按这种方法计算比较繁琐，而且在工程设计时，尚无确定的缝隙资料。因此工程中常按换气次数估算，即采用下面这种方法，对于一般舒适性空调，有外窗的房间M㈩可按1～2次/h换气次数确定；无窗和无外门房间可取0.5次/h～0.75次/h。对于洁净空调系统，由于其对正压要求严格，对于维持10Pa正压建议取3～5次/h，密封性好取下限，反之则取上限。对于维持5Pa正压值建议取1～3次/h，同样密封性好取下限，差则取上限。而在铁道运输行业中，铁路列车空调采用固定新风量的新风供给方法。如果新风量不变，车内CO2浓度的变化主要由乘客人数的变化引起的，因为新风中CO2浓度远低于车内CO2浓度，所以新风量调节能改变CO2浓度。新风量与乘客人数存在如下关系式：(CN-CW)×L1=L2×Y式中CN--车内CO2浓度，%；CW--新风CO2浓度，%；L1--新风量，m3/h；L2--单位时间内每位乘客产生的CO2，m3/h；Y--乘客人数，人。车内CO2浓度允许值为0.15%[2]，室外新风CO2浓度为0.03%，车内乘客为静坐，CO2发生量为0.0144m3/h[3]。依据公式（1）得：新风量L1=12Ym3/h。列车乘客的流动性大，经常出现超员或减员的情况，从而车内CO2浓度也是变化的，为使CO2浓度控制在允许值内，需要根据车内CO2浓度进行新风量调节。需要指出的是，根据文献[4]，在列车空调运行的过渡季节，当外气温度高于不进行空气加热时的外气温度T1而低于夏季室内设计温度TNX(T1TWTNX)时，为了节能，采用全新风（新风量为6000m3/h，根据公式，可满足500个乘客的需要），能够保证车内CO2浓度不超标。不进行空气加热时的外气温度T1计算公式参见文献[5]。2.回风量客车空调系统送风时，出于经济方面的考虑会将新风与回风即循环风以一定的比例混合，从而达到清新空气的目的。一次回风系统就属于为了实现这一目的而产生的出现最早、最基本、最典型的空调系统。主要特征为：回风与新风在热湿处理设备前混合，适用于送风温差可取较大值时或室内散湿量较大时。一次回风系统的有着设备简单，寿命长，可采取有效的消声隔震措施并且可以严格控制室内温度的优点。同时通风换气可以较为彻底的进行，保证了室内卫生环境的优良。不过一次回风系统的缺点也同样是明显的：机房面积大，风道断面大，占用建筑空间多；风管系统复杂，布置困难；一个系统供给多个区域，当区域负荷变化不一样时，无法进行精确调节；空调房间之间有风管连通，使各房间相互污染；设备与风管安装量较大，周期较长；难于同时保证室内相对湿度在一定范围内。面对优缺点同样鲜明的一次回风系统，经过优化后产生了二次回风系统。一次回风系统中在集中处理空气过程中，室内回风和室外新风混合后，经过表冷器冷却降湿后，直接送入空调房间或者加热后再送入空调房间称为一次回风，而二次回风是指经过表冷器的处理后，把加热段的功能由二次回风来代替的系统。就一次回风系统与二次回风系统来说,在夏季工况下二次回风系统要比一次回风系统节约能耗[6],这在空调界没有异议。下面就对冬季时一二次回风系统工作情况进行对比，作为兴趣了解。就一次回风系统而言，冬季工况下，空调机组表冷器停用,空气的整个处理过程为：按i-d图上空气混合的比例关系,混合点H的位置就确定了。空气经过加热达到R点,再经过干蒸汽加湿处理后达到S点[7]。一次回风系统空气参数变化图(冬)一次回风系统空气参数变化表（冬）（表中带*的为已知量）对于二次回风系统，冬季工况下,表冷器停用,室外新风与一次回风混合后再与二次回风混合,从冬季空气处理的过程来看,本例中二次回风系统实际结果与一次回风系统类似。二次回风系统空气状态点变化图（冬）二次回风方案空气参数变化表（冬）（表中带*为已知量）根据一次回风系统与二次回风系统两种设计方案之间空气处理机组的热力计算、机内阻力计算及设备选型计算的比较,二次回风方案的优势显而易见：二次回风方案中经过表冷器降温、除湿的风量比一次回风少,而在表冷后与回风再混合一次的办法代替了部分再热量,因而与一次回风系统比,冷量和再热量均减少,因而说二次回风比一次回风系统节能。另外,由于冷量的减少,表冷器的表冷面积降低许多,所配置的电机功率降低,空调机组的初投资大大减少。冷冻水量、热水量的减少,机组耗电量减少,空调的运行成本均相应降低。但是,从空气状态点变化图上可以看出,二次回风系统要达到送风要求,对回风、新风比例要求较严格。机器露点温度比一次回风方案的低。综上所述,二次回风系统与一次回风系统相比各有优缺点。二次回风系统的节能效果是较为明显的,根据空调机组的使用特点,合理选择对初投资增加不多的情况下,而机组使用运行时间较长的,选用二次回风系统以发挥其节能的优势而对初投资增加较多,或需要机组运行简单可靠的,使用时间较短的选用一次回风系统。二．总风量与制冷量空调客车静止试验中,除测定空调索统在设计工况下的降温效果一空车降温速度与额定负荷下车内可达的最低温度之外,还需确定空调系统的总风量G及制冷量Q0。在以往的试验中,一般均在正式试验之前,先在车内主风道中取一测量截面,测定该截面的面积及平均风速,从而算出总风量G。然后由正式试验中所测定的蒸发器前后空气晗差（ic-id）来计算制冷量Q0。式中ic，id-----蒸发器前后空气焓值(kJ/kg)。然而实践证明,要在现车上测定总风量相当困难,而且测量误差甚大,在某些车型中,甚至无法测定。再者,蒸发器前后的空气恰值也难以测准,尤其是进风侧,由于新风与回风棍合不均匀,直接影响了进风(即混合风)恰值的测量精度。由于上述原因而一导致以上式所算得的制冷量很不可靠。为改进测试方法及提高计算精度,采用如下的测试及计算方法。1.测试系统示意图被测车辆置于温、湿度均稳定在规定值的环境中,车内均匀布置若干个电加热及电加湿装置,以模拟满员状态下的旅客热、湿负荷及太阳辐射热。测试系统示意图1一蒸发器,2一风机,3一电加热、加湿装置。在新风口A、回风口B及第一送风日F等位置布置干、湿球温度测量仪表,以测定各点的空气检值或含湿量。在蒸发器出风口D处布置干球温度测点。以测定出风温度;如有可能,在进风侧C处可布置若干个干球温度测点,测出进风的平均温度,以供校核用。2.总风量G的计算对应于上图空气系统的湿空气状态变化过程如下图所示。由热平衡关系得知:式中Q—车内全热负荷(kj/h);ib—B点(回风)晗值(kj/kg)。即总风量为:由上式可知,试验中若能测准Q、ib以及id，3个参数,则G的计算结果是可靠的。B点的回风参数ib,一般说在测量上无甚困难,只是D点需设法解决。因现车条件所限,在蒸发器出口处布置湿球温度计确有困难。为此,我们可只测定D点的干球温度td,而在离风机出口最近的第一个送风日F处,布置一对干、湿球温度测点,以计算F处送风的含湿量d[8]。最后根据等湿变化过程的原则,以tp，d两参数可求得D处出风焓值id。3.全热负荷Q的测定式中Q——车内全热负荷(kJ/h);N——电加热、加湿装置的总功率(kw);N0——车内照明、风机等的总功率(kw);K——车体传热系数(W/㎡·K);F——车体传热面积(㎡);ta、tb——车外、车内的平均温度(℃)。上中之N、Nc、ta，tb等参数,试验中均能测准