高铁车厢气体环境监测数据驱动的空调系统调控策略

李修岭 杨 楠 张海东

(中国铁路兰州局集团有限公司 兰州 730070)

0 引言

如今,世界处于新一轮科技革命与产业变革时期,大数据与人工智能技术等在轨道交通的应用不断深化[1]。随着铁路客运量的增长与智能交通的发展,用户对乘坐过程中的空气品质的要求逐渐提高,这对列车空调系统也提出了更高的要求。法国、德国、英国分别于2015年、2016年、2018年制定了各自的数字化铁路战略,旨在提高运输安全和效率,以及满足旅客乘坐舒适性,形成以客户为中心的服务体系[2]。通过传感器等设备对列车空气信息进行采集,利用大数据监测与分析等技术,对车厢内空气质量进行监测与评价,为提高车厢内空气品质提供依据[3]。

高铁车厢空调系统,又称车内空气环境控制系统,主要功能是通过人工制冷、采暖及应急通风等方式,控制列车内的空气温湿度、气流速度,使车内空气不受环境和气候的影响,保持理想的状态,为旅客提供舒适的乘坐环境[4]。目前已有研究主要集中在列车运行车厢内空气质量的监测与评价,对高铁列车空调运行模式及调控策略研究较少。研究将从空调系统构成以及气体监测环境对动车组空调系统控制模式进行全面的说明,并以CRH_3型动车组为例说明列车空调系统调控策略,为以后高铁动车组车厢内空气质量改善和智能控制技术升级,提高乘客舒适度提供参考。

1 空调系统构成

空调系统通常由空调机组和空调控制系统组成,具备输送和过滤新风、分配冷热风、应急通风、排放废气、控制运行模式等功能,具体可分为通风、制冷、供暖及控制四大系统[5]。

高铁列车通风系统最主要的功能是输送新风和排放废气,通常由通风机组、进排风装置、空气净化设备等组成[6]。通风系统将车厢内外空气进行混合,过滤出灰尘和杂质后,再将过滤后的优质空气分配给各车厢;同时排出车内空气污染物浓度较高的废气,以保持车内空气环境的清新度。

制冷与供暖系统是动车组空调系统的重要组成部分。当启动制冷、供暖模式时,系统通过回风道采集车厢内空气,与通风系统输送的新鲜空气进行混合,经过滤后,进行热交换形成冷热风,再输送到各个车厢,以此控制车厢内的空气流动速度、空气温湿度[7]。送风过程如图1所示,冷热风形成过程如图2所示。

图1 高铁车厢内供暖(制冷)工况下送风过程

图2 高铁车厢冷热风形成过程

控制系统由多种空气参数调控设备组成,其作用是控制其他系统协调工作,同时调节列车空调系统运行模式,使车内的空气参数达标。

2 高铁车厢气体环境

车厢气体环境监测主要通过传感器等设备对列车空气信息进行采集,对车厢内空气进行监测,运用大数据分析等技术,对车厢内空气质量进行监测与评价,为提高车厢内空气质量提供参考。高铁动车组车厢内的空气污染物有CO2、CO、可吸入颗粒物、甲醛等。由国家铁路局发布TB/T 1932—2014《旅客列车卫生及监测技术规定》,其中对列车空气质量标准如表1所示。

表1 TB/T 1932—2014《旅客列车卫生及监测技术规定》

高铁车厢气体环境主要有人员、新风量、 列车空调系统性能以及装修材料等影响因素。CO2是高铁车厢内主要空气污染物,其主要来源为车厢内乘客的呼吸作用,其含量与载客率呈正相关。在空气质量各项指标中,CO2合格率最低[8]。在客运高峰期,列车超员现象严重,人员密度过大,列车空气质量恶化,车厢内CO2超标率高达58.3%～75.0%[9]。高铁列车车厢全程禁烟且禁用明火,没有燃料的燃烧以及烟雾的产生,故总体上车厢内CO浓度较低[10]。

车厢内可吸入颗粒物的主要来源为由通风系统进入车厢内的新风所含的颗粒物以及附着在乘客及随身行李物品上的颗粒物, 与列车开通时间、空调系统的过滤作用和车厢密闭性有关。兰新高铁由于开通时间短,车厢内PM10的达标率是100%,最高浓度为56μg/m3[11]。列车内的甲醛主要来源于车厢装饰材料或修用油漆,而高铁车厢内使用采用环保的装饰材料,在装饰完成后即列车运行前对车厢进行持续的循环通风,释放车厢内含有的甲醛,降低列车甲醛含量。

气体环境还受列车运行环境影响。以高原高寒地区为例,空气密度随着海拔高度的增加,氧气含量下降。在高原低气压环境下,空气相对湿度低。当舱室处于海拔5000m时,允许的最小相对湿度≥30%。此外,列车受太阳辐射影响,车厢内壁面存在温度差异,影响车厢内空气温度。

3 CRH_3型动车组空调系统调控策略

CRH_3型动车组是我国最先投入使用的运行速度高达350km/h的高铁列车,由德国和中国共同设计和生产,是投入到我国首条高速铁路上使用的动车组之一,并且先后运营于武广、京沪等多条线路上[12]。随着轨道交通技术的不断发展,CRH_3型动车组列车空调系统根据环境不同,运行不同模式,为用户提供舒适的车内环境。运行模式如图3所示,具体控制过程如表2所示。

图3 空调系统模式图

4 结语

动车组空调系统具有输送新风、排放废气、调节车厢内外气压等功能。人员、新风量、列车空调系统性能、装修材料以及列车运行环境等因素影响车厢气体环境。高铁动车组车厢内的空气污染物有CO2、CO、可吸入颗粒物、甲醛等,其中CO2是主要空气污染物且达标率最低。空调系统运行模式随着列车运行状态不同进行调控。当列车进入隧道或交会时,运行隧道模式;列车供电故障时,运行应急通风模式;根据车厢内空气温度高低,运行制冷或供暖模式;根据车外温度运行强制制冷或强制加热模式;在发生紧急情况时,列车运行紧急关闭模式;正常运行中,列车运行整备模式;车厢内空气质量超标时,运行循环通风模式;洗车前列车运行清洗模式。本研究从空调系统的构成对其运行模式及调控策略进行探究,未对除湿系统进行介绍和说明,今后可对除湿系统相关方面进行研究,使内容更加全面。