利用无叶风扇改善地铁车厢环境问题的研究_樊永霞.pdf

第期 年月 研究开发文章编号：（）利用无叶风扇改善地铁车厢环境问题的研究樊永霞，蔡浩，韩成利，乔松（北京中车长客二七轨道装备有限公司，北京 ）摘要：本文利用无叶风扇的性能优势，根据既有地铁车辆的结构特点及相关轨道车辆标准，对无叶风扇进行改进，设计出一种利用改进后的无叶风扇对地铁车厢环境问题改善的方案。该方案在地铁车辆上实施改制后，在无载客情况下进行温度及风速实时监测，分析监测数据得出：该设计方案提高了客室热舒适度，增强了空气流通，解决了车厢闷热问题。夏季在载客情况下进行温度及风速实时监测，乘客热舒适效果更佳。同时，该方案安装简便，采用网络系统集中控制风扇的开关及调速，因此改造工作量少，成本低，具有可行性。关键词：无叶风扇；车厢环境；温度监测；空气流通；热舒适度中图分类号：文献标志码：，（，）：，：；收稿日期：第一作者：樊永霞（），女，高级工程师。近些年，北京交通拥堵现象日益严重，政府采取了限行措施、车牌摇号等方式控制私家车出行数量，以减缓交通压力。因此人们更多的选择公共交通作为出行方式，然而公交车载客能力有限，加之地面交通拥堵等原因，迫使更多的人选择地铁作为主要的交通工具。然而早晚高峰时间地铁车厢内人群密度大，使得乘客处于拥挤、空气不流通或流通不畅的环境中。夏季环境温度过高时，车厢内闷热现象更加严重，乘客容易产生暴躁、焦虑等不良情绪，影响人们的身心健康。在早期建设的线路上，上述现象更为严重。为改善上述的乘车环境，本文设计了一种利用无叶风扇改善既有运营车辆车厢环境的方案。无叶风扇的增加促使空气流通加速，并将风道内冷空气强输出至客室内，解决车厢闷热问题。该设备安装简便，和既有车辆适配性强，采用网络系统集中控制，不需要在司机台上设置按钮，改造工作量少，同时成本较低。本文将详细论述无叶风扇在既有线路上的改造方案及应用效果。无叶风扇工作原理及优势无叶风扇的组成有两大部分：基座和环形出风框。基座中设置涡轮和电机，空气的进入与卷吸情况如图所示，通过座体小孔抽吸外部环境的气体（），气流经基座内涡轮的静导叶一次加速后，涌至上部出风框的环形空腔，从位于出风框空腔后部的环形狭缝第 卷第期 年月中挤出，气体得以二次加速而向前方高速喷射。喷射出的高速气流附着在出风框内环的翼面，形成附壁射流，翼面的凸起形状使得气流得以第三次加速。科恩达效应：位于一个表面附近的流体具有偏离原流动方向而跟随该表面运动的趋势，或称附壁作用。该效应使出风框气流通道形成较低的负压区，强烈抽吸框后（）的空气跟随向前；射流脱离出风框后，发展为环形自由剪切淹没射流，继续卷吸并抽吸沿流向的周围气体（），出口环形缝隙射流的剪切层不断沿流向增厚，达到空气倍增效果，使得无叶风扇周围形成了微可压缩亚声速流场。图无叶风扇空气流通图相较于传统风扇依靠被驱动的叶片进行风力传递，无叶风扇利用下部涡轮吸风和上部环形缝隙射流吹风的机制，达到了“空气倍增”的吹风效果，实现了节能高效，同时具备更好的安全性，有效地避免了扇叶所产生的部分噪音。传统风扇会令人感受到阶段性的“切割”刺激，而无叶风扇吹风稳定，无剧烈的拍打感。基于无叶风扇改善既有地铁车辆车厢通风系统设计安装方案根据既有地铁车辆结构及地铁车辆的相关标准，将无叶风扇进行改进。首先需要将基座内涡轮和电机增加防尘、绝缘等保护措施，让其满足风道内的工作环境要求后，将其置于风道内，使风机吸进的空气是经过空调处理后的干净冷空气；其次将环形出风框设计为可嵌入式安装结构，嵌入车厢内装顶板，这样安装后，不会影响车辆外观，同时防止乘客在拥挤时拽拉环形出风框。改进后的无叶风扇安装方案如图所示。图无叶风扇在车厢内安装示意图每节地铁车厢根据需求，可安装个或个无叶风扇。车辆如果有地上运行路段，在站台开门上下客时，车内外空气进行交换后，车门附近温度升高快，加之车门处人流密集，因此选择在车门处安装风扇，加快风道内冷空气进入车厢，减少车厢闷热现象。无叶风扇电气控制根据既有列车的供电特性，涡流风机采用交流 电源，在交流配电柜内用断路器和接触器作为供电电源的保护元件，当电机出现短路等过电流现象时，可以迅速切断电源，以防止车辆电源损坏及发生火灾危险。每个风扇的功率为 ，如果安装个风扇，每节车厢将增加 的交流负载，不会影响列车原有辅助逆变器裕量。无叶风扇可由司机根据车厢温度，客流等情况进行集中控制，同时设置高、中、低三个档位。为减少改造工作量，不设置硬线开关，使用司机台上人机交互界面进行开 关及档位控制，通过网络系统将电源信号及档位信号发送至风扇相应的信号接口，控制风机分档运行。客室通风及温度调节数据分析温度监测点选取将一列车中的一台车按照设计方案进行改造后，在地铁车辆内选取个典型截面作为研究对象。截面：距离较远的两个风扇的中间截面；截面：距离较近的两个风扇之间的中间截面；截面：门中心截面。每个截面在车体纵向上选取距地 、和 ，共计个测温点进行测温，具体分布如图所示。图车厢测温点布置利用无叶风扇改善地铁车厢环境问题的研究樊永霞，蔡浩，韩成利，乔松截面选取主要是测量该处温度下降是否明显，是否符合车辆温度需求；截面选取是为了测量该处温度是否下降过多，影响乘车舒适度；截面选取是因为车门开启时会损失冷气，该处乘客也更密集，在车门开启后，测量该处温度是否回升过快，导致乘客感觉到闷热。不同工况下客室温度测试列车按照设计方案实施改造完成后，无载客情况下，对每个截面上的个测温点进行温度及风速测试，共选取种工况进行测试对比。工况：不开空调、不开风扇；工况：开空调、不开风扇，风扇漏风速度 ；工况：开空调、风扇开低档，即风扇出口风速 ；工况：开空调，风扇开中档，即风扇出口风速 ；工况：开空调、风扇开高档，即风扇出口风速。对每个截面上的个测温点温度做加权平均后，温度变化如表所示。以截面为例，不同工况下，各测点温度及风速变化如表所示。表不同工况下的温度变化工况截面平均温度平均风速（）截面平均温度平均风速（）截面平均温度平均风速（）工况 工况 工况 工况 工况 表截面各工况下各测温点温度及风速测量点工况一温度风速（）工况二温度风速（）工况三温度风速（）工况四温度风速（）工况五温度风速（）测试数据分析表对比了不同截面在不同工况下，客室温度及风速的变化，通过数据分析，可以得出以下结论：（）风扇开到档时监测发现，温度和速度分布与无风扇时相比，室内温度可降低 。若整列车全部改造后且车厢载客情况下，预计温度降低将更明显。这充分说明风扇的存在加强了车厢内空气与制冷空气的混合，有利于满足乘客热舒适的需求。（）风扇档位越高，风速相应会增加，但是不会直吹乘客头部，不影响乘客的乘车舒适性。表对比了同一截面在不同工况下，各个测温点的温度及风速变化，个测温点分布在车厢不同高度，通过数据分析，可以得出以下结论：（）无风扇时，车厢内温度在空间上冷热分层明显，呈上高下低（车厢顶部温度高，车厢底部温度低）分布。表明空调制冷空气未能充分混合，难以满足人员热舒适需求。（）打开风扇时，车厢内温度分层现象减弱，车厢内温度较为均匀。（）风扇速度越高，带动的气流扰动范围越大，可第 卷第期 年月带动近地面处的气流就越大，车厢内温度越低；反之，风扇速度越低，如一档，只对车厢上方区域，即高度大于 处空间影响较大，对近地面处影响较小。因此，在人员较多的情况下，风扇需要高档位运行。综上所述，在实际安装无叶风扇后能够有效降低客室温度，同时加速客室空气流通，可满足目标需求。结语本文首先分析了近年北京轨道交通的现状，以及早期线路上地铁车厢存在闷热，空气不流通的问题，进而提出利用无叶风扇改善这一现状的方案。该方案主要包括了无叶风扇的安装及电气控制方案，对地铁车辆中一节车厢进行改造后，选取三个车辆典型截面上个温度测试点，这个测试点处于不同高度，在无载客情况下进行温度测试，按照种工况，对各截面上的测温点进行数据采集及分析，通过数据分析得出本文设计的利用无叶风扇改进车厢环境的方案可行，对调节车厢内空气流通及提高热舒适性效果明显，并且改造工作量少，消耗工时短，不耽误列车正常运营，同时成本低，性价比高。参考文献：刘冰玉 地铁车厢环境空气质量研究 北京市市政工程研究院，：，（）：李镭低温送风系统在地铁空调中的应用研究广州大学，：李虹无叶风扇出口环形缝隙射流的实验研究与数值分析浙江理工大学，：董志勇 射流力学 北京：科学出版社，：张广星无叶风扇送风性能及流场特性的研究浙江理工大学，：，：孙威，扬小乐，狄华娟无叶风扇降噪技术的专利现状分析中国发明与专利，：，：余辅波 基于流场数值模拟的无叶风扇噪声的预测 杭州：浙江理工大学，：钟伟 无线遥控的无叶风扇控制系统设计 哈尔滨：哈尔滨工业大学，：