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轨道车辆空调舒适性标准的对比研究

发表日期:2020/10/28 10:37:11 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

我国的城市轨道交通包括:地铁、轻轨、单轨、有轨电车、磁悬浮和市域快轨等类型。截至2018年年底,我国(不含港澳台)共有35个城市开通城市轨道交通运营线路185条,运营线路总长度5 761.4 km。拥有4条及以上运营线路,且换乘站3座及以上,实现网络化运营的城市有16个,地铁运营线路4 354.3公里。随着我国现代轨道交通的迅速发展, 载客量同时增大,这也将改变人们日常的出行方式,车内乘客乘车舒适性也受到越来越广泛的关注。本文通过分析目前行业内现有国内外舒适性标准,结合我国轨道交通实际运营状况,分析轨道车辆空调舒适度具体参数,提出优化及温湿度设定方向,旨在提升我国轨道交通车辆乘客舒适性、提高轨道交通列车运营质量。

1  标准概述

欧洲地区轨道交通行业相对于我国发展较早,在行业中标准制定起源相对国内较早开始。在1922年欧洲一些国家就联合成立了国际铁路联盟(UIC),逐步制定了铁路行业内的各类标准,其中包括UIC—553《客车车厢的通风、供暖和空调》。

目前,针对轨道车辆国内外直接相关的空调舒适性参数标准共有6个,其中,欧洲标准3个,包括EN 13129—1—2002 《轨道应用干线轨道车辆空调第1部分舒适度参数》、EN 14750—1《铁路应用城市和郊区铁路车辆用空调第1部分:舒适度参数》和UIC 553—2003《客车车厢的通风、供暖和空调》。我国根据轨道行业实际需求制定了3个,包括CJT 354—2010《城市轨道交通车辆空调、采暖及通风装置技术条件》、GB/T 33193.1—2016《铁道车辆空调 第1部分:舒适度参数》和GB/T 12817—2004 《铁道客车通用技术条件》。本文在介绍乘客舒适性需求时参考国家标准GB/T 27963—2011 《人居环境气候舒适度评价》对车辆空调中的舒适度参数进行了定量分析。

2  车厢内舒适度参数

轨道行业内主要从温度、湿度、微风速、新风量4个方面全面分析轨道客车车辆舒适性参数。针对4个参数,不同舒适性标准都有不同的范围要求,在车辆空调设计过程中没有特定要求的条件下,需要保证车厢内舒适性参数满足其中至少一个标准限值。

2.1  车厢温度

目前,我国轨道交通车辆车厢内温度设定值多数采用UIC 553《客车车厢的通风、供暖和空调》1990版,文中规定的温度设定公式:

式(1)中:Tin为客室内设定温度(℃);Tout为环境温度(℃);但是该公式在2003年标准版本更新时取消了,夏季制冷变成了一个温度设定区间,这也说明了外部环境相同时,客室内温度设定的不唯一性。

从图1中可以看出,在环境温度19 ℃~40 ℃时的室内设定温度区间为20 ℃~29 ℃之间,而公式中完全采用算术平均值的方法直接求得设定,而忽略了其他影响乘客舒适度的一些因素,如:人员密度,风速,空气湿度等。为满足更宽范围的地区使用,后续标准进行了更新,取消了公式计算方法。

图1  UIC 553—2003室外温度与室内设定温度范围对应关系

UIC553标准主要针对铁路干线车辆空调制定,其中对预热以及预冷功能进行了规定。预热要求室外0 ℃时,车厢内温度达到18 ℃,或则最长预热时间70 min,制热时,车厢内温度要达到22 ℃;预冷时最长时间100 min ,且要求在对应环境温度下车厢内预冷温度达到设定温度2 ℃稳定不变。在车厢距地面1.1 m和1.7 m之间的温差≤2 K。在空调制冷或预冷时空调出风口温度不能低于5 ℃,在预热时出风温度不能超过65 ℃,制热时出风口温度要小于35 ℃。

根据相关的投诉分析来看各因素对乘客的舒适性体验带来的影响,上海某地铁运营部在一年内所接到关于地铁车厢环境3 306条投诉,结合投诉的内容进行分析,分析结果如表1所示。

表1  投诉汇总

通过投诉可以得出,UIC553标准针对上海地区地铁车辆空调温度设定的不适用性。针对我国这类人口大国,地铁所建城市多为大型发达城市,人口多,客流密集,与欧盟地广人稀的国家自然环境存在很大差异。

EN 13129—1—2002《轨道应用干线轨道车辆空调第1部分舒适度参数》该标准是欧洲铁路干线标准,在城市轨道交通中可参考使用,其中各类参数规定基本与UIC 553相一致,例如,预热后车厢温度需要不低于18 ℃,预冷后,车厢内温度不能大于设定温度2 ℃。其中主要差异点是预冷和预热时都需要操控员控制时间。

EN 13129—1—2002附录A中明确规定了车厢内15 ℃~40 ℃之间的设定温度范围为22 ℃~27 ℃。相对于UIC 553 温度设定最高值降低了3 ℃,且温度控制并不是单一的线性关系(图2)。

图2  EN 13129—1室外温度与室内设定温度范围对应关系

EN 14750—1《铁路应用城市和郊区铁路车辆用空调第1部分:舒适度参数》该标准在参数设定过程中首先对车辆进行了分类(表2)。

表2  车辆分类依据


市域车是按照A类标准进行,其余有轨电车,地铁,悬挂式列车等都是B类。如果平均旅途时间超过1h后,则属于主线车辆,需要按照EN 13129—1标准。此次对车辆的分类,也对车厢内的舒适性参数进行了细化,提高了乘客舒适度。

EN 14750—1规定了制热条件下车厢内最低温度:A类车15 ℃,B类车10 ℃。在预冷预热状态除外时,空调送风温度有了不同的规定,制热出风温度不能大于45 ℃,制冷出风温度不能低于12 ℃。若是车厢内电加热,电加热表面框架温度不能超过65 ℃。可以看出制冷出风温度有了提高,提高出风口出风温度可以减少人体头部冷风感,提高乘客舒适度。

EN 14750—1附录A中对A、B车型的车厢内设定温度进行规定。其中,A类车在环境温度不高于15 ℃时,设定温度为21 ℃,环境温度高于15 ℃时,车厢内设定温度最高为28 ℃;在外环温15 ℃~40 ℃时,设定温度公式Tic=0.28×Tout+16.8。B类车,在环境温度≤10 ℃时,车厢内设定温度为19 ℃,环境温度>10 ℃时,车厢内设定温度最高为31 ℃;在外环温10 ℃~40 ℃时,设定温度公式Tic=0.4×Tout+15。可以看出较UIC 553相比车厢内设定温度有提升。

CJT 354—2010《城市轨道交通车辆空调、采暖及通风装置技术条件》是我国多家轨道交通装备公司联合四方车辆研究所共同起草的关于空调设备的一版国家标准。其主要规定了轨道车辆空调采暖及通风装置的使用环境、车辆空调、采暖性能、空调机组、新风及排气、紧急通风、裁断装置、控制及保护系统的测试及其他要求。

CJT 354—2010中规定了在环境温度33 ℃时,车辆空调的制冷能力应保证定员条件下车内温度不高于28 ℃±1 ℃,相对湿度不超过65%。这也是国内各主机厂对空调厂家的一项成熟的技术要求。在采暖时,司机室不能低于14 ℃,客室内达到的温度需要主机厂与空调供应商协商制定。

GB/T 33193.1—2016《铁道车辆空调 第1部分:舒适度参数》标准规定适用于除市郊、地铁、有轨电车和司机室以外的客运干线铁道车辆及动车组。标准规定预热结束时车厢内平均温度应≥18 ℃,预热时间70 min,或双方协商;制热时车厢内温度应≥20 ℃,高寒地区应>16 ℃。预冷结束时车厢内平均温度应不大于设定温度2 ℃以上,预冷时间70 min,或双方协商。图3中规定了车厢内设定温度与环境温度的对应关系,在冬季制热时,车厢内固定温度为20 ℃,夏季制冷时,车厢内设定温度在20 ℃~27 ℃之间与EN14750和UIC553标准中规定的22 ℃降低了2 ℃,这与我国轨道车辆载客量和运营环境有关。

图3  GB/T 33193.1室外温度与室内设定温度范围对应关系

GB/T 12817—2004《铁道客车通用技术条件》此标准主要是对主干线车辆的关键部件进行规定,(车体、车门车窗、车钩、转向架、制动、空调采暖装置、给排水装置,材料防火等要求进行规定)。其中空调部分,规定了在北京以南干线车辆在冬季环境温度低于-14 ℃时,车厢内温度不能低于16 ℃,外界环境温度35 ℃以内时采用公式计算设定温度:

 

式(2)中:Tin为客室内平均气温(℃);Tout为车外环境温度(℃)。

这也是我国轨道车辆标准中唯一一个有公式描述车厢内设定温度的标准。综合通过对比以上标准,整合车厢内标准规定的设定温度得出图4。

图4  国内外标准规定设定温度模型

可以看出,在UIC 553曲线中温度区间从22 ℃到27 ℃范围相对较小,考虑欧洲地区人居密度较适合人口密度小的地区使用;EN 14750标准中B类车制冷时整体设定温度比UIC 553标准在相同的环境温度条件下,设定温度平均提高1 ℃以上,也说明了在欧洲地区温度设定与人口密度及乘客乘车密度相关,且欧洲地区多属于地中海及温带海洋性气候,温度适宜,设定温度一般偏高。但是从我国唯一一个具有温度设定规定的标准GB/T 12817标准中可以看出,在室外环境温度小于32 ℃时,温度设定低于其他两项欧洲标准1~2 ℃,在环境温度大于32 ℃时,设定温度随环境温度升高逐渐接近其他两个标准的设定值。这也是我们在高外环温条件下做节能的一个方向,在节能和舒适性方面需要有一定的取舍。在低外环温时,结合我国国情,若是早晚高峰时乘车人口密度达到极限,车厢设定温度设定需要保证比欧盟国家设定温度低2 ℃左右,这样可弥补乘客密度大引起的乘车不舒适性,这也是近年来,行业内一直在研究的载客量与设定温度的对应关系。

2.2  车厢风速

在不同车厢设定温度下,风速对乘客乘车舒适度的性影响也不同,但是风速设定跟送风风口面积和车厢设定载客量有关,在夏季制冷时,最理想的风速状态是“有凉感,无风感”这样可以避免风速过大,影响人体头部不舒适感,但是风速又不至于过小对车厢内气流分布均匀造成影响。

UIC 553《客车车厢的通风、供暖和空调》2003年版本规定车厢内微风速要≥0.05 m/s,最大时不能超过0.9 m/s,风速与温度成正向关系,在温度较高时,通过提高风速弥补温度不舒适感。整体风速区间如图5所示。

图5  UIC553 风速与室内温度对应范围

EN 13129—1—2002中规定车厢内温度在18 ℃~30 ℃之间时,风速范围为0.05~0.9 m/s,与UIC 553风速区间一致。

EN 14750—1规定在车厢内温度小于27 ℃时,车厢内风速值最大为1.1 m/s,最小为0.8 m/s。微风速明显较其他标准大大提升,估计是通过微风速的提高,弥补车厢内温度较高带来的投诉风险,同时又达到了节约能源的目的。

CJT 354—2010中规定空调系统运行时,客室内气流速度应大于0.07 m/s,在测试时,最大气流速度应≤0.9 m/s。

GB/T 33193.1—2016中规定了空调运行时最大微风速和最小微风速的限值,如图6所示,其中在22 ℃以上时,车厢内最大微风速为一定值0.6 m/s。

图6  GB/T 33193.1风速与室内温度对应范围

GB/T 12817—2004标准中对车辆内部温度和风速按照冬季和夏季进行区分,这样充分考虑了人体穿衣热阻的不同对风速感官温度不同的特点。在夏季车厢内平均气温24 ℃~28 ℃之间,车厢内平均微风速小于等于0.35 m/s;在冬季,由于我国地域差异,标准中将车辆分为运营在北京以南和其他非限定区域,在北京以南区域车厢内设定平均温度和平均微风速设定相同,温度控制在18 ℃~20 ℃之间,微风速小于等于0.2 m/s,两则不同点是新风量的要求,在北京以南地区供给每个旅客的新鲜空气量为15~20 m3/h,其他非限定区域为10 m3/h。这也是考虑了整体室外环境温度对新风负荷的影响。

2.3  车厢湿度

在不同车厢设定温度下,相对湿度同时也影响乘客的乘车舒适性,根据气候环境的不同,我国冬季相对干燥对车厢内湿度要求较小,而在夏季高温高湿的环境中,车厢内相对湿度需要严格控制,湿度较大乘客会产生较明显的闷热感,目前很多轨道车辆空调厂家已经单独设置了空调除湿功能,提高车厢内湿度控制精度,达到不同标准对车厢内湿度的要求。

UIC—553《客车车厢的通风、供暖和空调》2003版本规定车厢内温度为20 ℃~29 ℃之间时的相对湿度要求。最大相对湿度为65%,在车厢温度29 ℃时,相对湿度要小于45%来弥补温度过高带来的不舒适感。

图7  EN 13129—1车厢内相对湿度与设定温度范围对应关系

从图7中看出,EN 13129—1—2002中规定车厢内温度在20 ℃~29 ℃之间时,车厢内相对湿度≤65%,且温度越高相对湿度越低,与UIC 553风速区间一致。

EN 14750—1对车厢内相对湿度同样进行范围规定,其中A类车车厢内相对湿度与环境温度的关系如图8,B类车车厢内相对湿度与环境温度的关系如图9,相对于其他标准,湿度控制范围也较为宽泛。在车厢温度18 ℃左右时,相对湿度可达到90%左右。

图8  EN 14750—1A类车车厢内相对湿度与设定温度范围对应关系

图9  EN 14750—1B类车车厢内相对湿度与设定温度范围对应关系

GB/T 33193.1—2016中规定的车厢内相对湿度的限值与EN 13129—1—2002标准中规定的相对湿度不大于65%要求一致(图10)。

图10  GB/T 33193.1车厢内相对湿度与设定温度范围对应关系

GB/T 12817—2004标准中规定在夏季时车厢平均相对湿度为40%~70%,较其他标准相对比,增加了冬季车厢内室内要求。在冬季时车厢平均相对数湿度范围需要大于等于30%。

2.4  车厢新风量

车厢内新风量的要求与车体额定载客量设计成正比例关系,新风量的大小主要影响乘客对新鲜空气的需求,新风量较小时,会导致CO2浓度的过大,引起乘客头晕、困乏等不舒适感,较大的新风量还可以将车厢内污浊的空气进行置换,保证一个干净卫生的乘车空间。但是新风量不能盲目偏大,其最终会导致空调制冷或制热时新风负荷过大,造成能源浪费。

UIC 553《客车车厢的通风、供暖和空调》中规定带空调的车厢内新风量与室外环境温度相关,最大限值在-5 ℃~26 ℃之间,除去极端(高温、低温)工况可以对节能有很大的优势,相当于在春秋季节最大的利用了新风控制车厢内热湿负荷。

表3  新风量和室外温度的关系外部环境温度


EN 13129—1—2002 中规定车厢内新风量与车外环境温度对应成一定关系,此关系与UIC 553规定的新风量取值一致。由于标准实施较早,城市轨道交通当时发展缓慢,所以这两个标准较适用于干线铁路要求。

EN 14750—1附录G中规定了新风量的要求:A类车,不小于15 m3/人 ,若在制冷和制热都满足要求的条件下可以放宽到10  m3/人;B类车,不小于10 m3/人 ,若在制冷和制热都满足要求的条件下可以放宽到8 m3/人。在满足乘客需求的前提下,对于新风量要求明显降低,这样可以减少新风负荷,大幅减少空调能源浪费。目前,国内轨道车辆多采用此新风量要求选定空调设计参数。

CJT 354—2010规定了轨道车辆客室内新风量人均不应少于10 m3/h,司机室内人均新风量不应少于30 m3/h,国内各空调厂家设计参数大多数与本标准要求相对应。其中,此标准中还提到了紧急通风量的要求,在紧急通风状态下紧急通风量不应低于超员载荷下每人8 m3/h。紧急通风为全新风状态。

GB/T 33193.1—2016标准中明确规定了紧急通风量的风量和时间要求,其中紧急通风量要求不少于10 m3/人,且通风时间不能低于30 min,在城市地铁车辆运营时也是按照此要求进行设计。

GB/T 33193.1—2016标准新风量要求借鉴UIC553标准规定,根据室外环境温度确定新风量大小。具体要求如表4,针对我国夏季高温特点,增加了一条室外环境温度大于40 ℃的具体要求。

表4  GB/T 33193.1新风量与室外环境温度的对应关系外部环境温度

GB/T 12817—2004标准中按照地域差异对北京以南和其他非限定区域进行划分,在北京以南地区供给每个旅客的新鲜空气量为15~20 m3/h,其他非限定区域为10 m3/h。通过这种地域划分,能够在参数指定时更加符合我国地域辽阔的特点,大幅减少室外环境温度对新风负荷的影响。

3  结束语

通过对以上国内外标准的对比分析,在温度、湿度、微风速、新风量控制要求中,各个标准在温湿度和风速、新风量要求中都各不相同,说明人体感官基本因地域差异而不同;但是所有标准中指数整体范围是一致的,说明了人类对于舒适度区间的感官范围是相近的。通过类比,编者找出一个国内具有代表性的标准进行对舒适度区间量化。GBT 27963—2011《人居环境气候舒适度评价》中的舒适性等级划分指标要求,在标准中将人居环境舒适度分为5类。通过标准借鉴可以对一个环境区间进行大致判定是否符合大部分人员的舒适度需求。

表5  人居环境舒适度等级划分感觉程度

其中,温湿指数计算方法 :

式(3)中:I 温湿指数,保留1位小数;T评价时间段的平均温度( ℃);RH评价时间段的平均空气相对湿度。

其中,标准中规定在制冷季采用温湿指数,在制热季采用风效指数,其中风效指数为环境气候,且风速大于3m/s时适用,车内基本不适用。所以在此标准对应条件下可以基本判定在夏季车厢设定温湿度是否符合当前环境下旅客乘车舒适度要求。

通过对国内城市轨道交通的乘客乘车舒适度研究,在后续进行温度设定时,编者认为可以从以下几个方面进行考虑。

1) 增加环境温度判定对新风量的影响,在极端环境下保证人体需求后可以减少新风量的供给,如,高温、低温环境条件,另外增加车厢内载客量的判定,根据载客量调整新风量的大小,避免过度供给新风量,造成能源浪费。此方法可以提高空调的节能效果。

2) 增加各地区基础设定温度的变化,例如在广州、上海、北京三个代表城市进行基础设定温度的限制满足地域差异带来的乘客需求温度的不同,这样也避免了在同一室外环境温度下设定温度各地区一致的特点,因需设定车厢内实际温度,考虑人文差异。

3) 增加车辆运行线路不同带来的温度波动,比如高架线路和隧道交替线路,需要考虑室外环境温度补偿,弥补车厢内温度短时间内波动对乘客舒适度的影响,单一的根据环境温度设定车厢温度不能满足人体舒适度需求。

4) 车厢内湿度要求需要根据车厢内实际温度进行匹配,在高温高湿季节,过渡除湿造成能源浪费,通过降低设定温度来弥补湿度过大对人体舒适度的影响。EN ISO7730—2005 《热环境下的人体工程学分析与测定标准》规定不同湿度下的体感温度关系:湿度每上升10%,体感温度会上升0.3 ℃。

人口密度大,乘车时间集中,南北温度跨度大是我国轨道空调行业发展与其他国家轨道交通行业的主要不同特点,要得出符合我国轨道空调全方位的适用标准需要行业内专家学者及空调厂家有针对性的对不同地区和季节下的乘客舒适度进行深入研究。




本文选自《制冷与空调》2020年9月刊11-17页;作者:朱洪磊   高利华 李敬恩 佘凯;未经许可,不得转载


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