（车辆工程专业论文）空调客车的变风量调节与plc控制.pdf

论文题目：空调客车的变风量调节与p l c 控制 专业：铁道车辆 硕士生：张玲 指导教师：杨美传副教授 摘要 签名： 签名： 随着经济的发展，客车空调装置被越来越多地采用，但我国目前空调 客车装置仍处于初级阶段，只能满足客室温度的调节，而对室内空气品质 的监测与控制还没有得到重视，但室内空气品质恶化的矛盾却已凸显，针 对这种情况本文作了如下研究： 首先，再充分分析了国内外空调暖通新技术的基础上，分析了我国客 车空调装置的现状、存在的主要问题，即新风量不足是目前我国客车空调 系统存在的主要问题。 其次，系统地研究了变风量空调系统，从其基本概念、主要形式、特 点及典型系统的应用作了具体的分析和研究，并系统分板了p l c 控制的基 本原理、方法，找到了变风量系统和p l c 控制技术与客车空调系统地结合 点，为客车空调系统的改良打下了理论基础。 最后，在理论分析的基础上，提出了具体的解决方案，在客车空调装 置中不仅实现了温度调节，同时将新风量、室内压力作为调节对象，实现 在不同客流状态下的变风量调节，提高了客室内的空气质量，在试验中取 得了良好的效果。 但由于元器件的限制和现场应用的限制，系统还不甚完善，有待于继 续改进，但对变风量系统在空调客车上的应用进行了有益的探讨。 【关键词】变风量系统p l c 控制客车空调系统 【论文类型】应用基础 t i t l e ： r e g u l a t i o no f v a r i a b l ea i rv o l u m ea n dp l c c o n t r o lo na j r - c o n d i t i o n e dc o a c h e s s p e c i a l t y ：r a i h v a y s v e h i c l e s m a s t e rs t u d e n t ：z h a n gl i n g s i g n a t u r e ： t u t o r ：y a n gm e i e h a a n ，p i o f e s s o rs i g n a t u r e a b s t r a c t m o r ea n dn l o l ea i r c o n d i t i o n e dj n s t a l l a t i o n so nc o a c h e sa r eb e i n ga d o p t e d i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y ，b u tt h ep r e s e n ta i r c o n d i t i o n e di n s t a l l a t i o n so nc o a c h e s i no u r c o u n t r y a r es t i l la tt h e e l e m e n t a r ys t a g e ，w h i c h c a n o n l y f i t i nw i t ht h e r e g u l a t i o no f i n d o o r c o a c ht e m p e r a t u r e ，b u tm u c ha t t e n t i o nh a sn o ty e tb e e np a i dt ot h e s u p e r i s i o n a n dc o n t r o lo v e rt h e a i r q u a l i t y w i t h i n s l e e p i n g c a r s a n dt h e c o n t r a d i c t i o n so fn o r s c n i n ga i rq u a l i t yi n i n d o o rs l e e p i n gc a r sa r ec l e a r l p r o t r u d i n g a p a i n s tv d l i c ht h er 0 1 l o w i n gr e s e a r c hh a sb e e nd o n ej nt h i sa r t i c l e f i r s to fa l lo nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ef l e wt e c h n o l o g yo fw a mv e n t i l a t i o no n a i r 。c o n d i t i o n e dc o a c h e sb o t ha th o m ea n da b r o a da n da n a l y z i n gt h em a i ne x i s t i n g p r o b l e m sc o n c e r n i n ga i r c o n d i t i o n e di n s t a l l a t i o n so np a s s e n g e rc a r si n o u rc o u n t r y 、t h e c h i e fp r o b l e m a tp r c s e n , i st h ei n s u f f i c i e n ti na 1 1v o h m l ei na i r c o n d i t i o ns js t 2 1 no n p a s s e n g e rc a r si no u rc o u n t r y s e c o n d l y , a i r c o n d i t i o ns y s t e m o f a i r - c h a n g e v o l u m eh a sb e e n s y s t e m a t i c a l l y r e s e a r c h e da n dd e t a i l e da n a l y s i so fr e s e a r c hh a sb e e nd o n ec o n c e r n i n gt h ea p p l i c a t i o n s o r t y p i c a ls y s t e m s b a s i cc o n c e p t i o n s ，m a i np a t c e r n sa sw e l la st r a i t s a tt h es a m et i m e t h eb a s i cp l i n c i p l e sa n dm e t h o d so fp l cc o n t r o lh a v eb e e ns y s t e m a t i c a l f ) a n a l z e ds o a st of i n do u it h ej u n c t i o no ft h ea ir - c h a n g es y ，s t e i na n dt h em c h n i q h eo ip l cc o n t r o l 1 nc o m b i n a t i o nw i t ht h ea i r c o n d i t i o ns y s t e mo np a s s e n g e rc a r sa n df i n et h e o r e t i c a l b a s i sh a sb e e nl a i df o rt h ea i r c o n d i t i o ns y s t e mo np a s s e n g e rc a r s f i n a l l y b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，d e t a i l e ds o l u t i o n sh a v eb e e np u tf o r w a r d t h u s t h et c m p c l a t u r er e g u l a t i o ni na i r c o n d i t i d n e di n s t a l l a t i o n so np a s s e n g e rc a r sh a 5 n o to n l yb e e np u ti n t op r a c t i c e ，b u tm e a n w h i l e ，f r e s ha i rv o l u m ea n di n d o o rp r e s s u r e h a v eb e e nr e g u l a t e da st h eo b j e c ts ot h a tt h er e g u l a t i o no fv a r i a b l ea i rv o l u m eo f t h e a i r c o n d i t i o ni n s t a l l a t i o n so np a s s e n g e rc a r su n d e rd i f f e r e n tp a s s e n g e r f l o wc o n d i t i o n s h a sb e e nm a d e ，a n da sar e s u l t ，t h ea i rq u a l i t yw i t h i ns l e e p i n gc a r sh a sb e e ni m p r o v e d t h e r e f o r e ，v e r yg o o dr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e d i nt e s t s b u t o w i n g t ot h er e s t ：i c f i o no f c o m p o n e n t s a n d p ta c t i c a la p p l i c a t i o n s ，t h e a b 0 、，e m e n t i o n e ds y s t e mi sn o lxe r yw e l lp e r f e c t e da n di m p r o v e m e n t sr e m a i nt om a d e ， a n y h o w , au s e f u ls t u d yh a sb e e nm a d eo nt h ea p p l i c a t i o no f t h es y s t e mo f v a r i a b l ea i r v o l u m eo na i r c o n d i t i o n e d p a s s e n g e rc a r s 【k e yw o r d s 1 v a v s y s t e m ，p l cc o n t r o la i r _ c o n d i t i o n e d i n s t a l l a t i o n so n p a s s e n g e r c a r s 【t 、p eo ft h e s i s 1 a p p l i e db a s i s 国外空调媛通技术发展现状 引言 随着经济的发展，空气调节装置成为人们生活中不可缺少的电气 装置。无论家庭、办公室乃至运行中的车辆都在或已经装备了空调装 置，以提高人们生活、工作、旅行环境的舒适性。 近年来，家用空调装置、中央空调系统在国内发展异常迅猛，新 技术不断出现，产品的更新换代也非常迅速。业界对空调的节能、风 速场的分布、新风量控制的研究也在进一步深入，变频技术在空调暖 通业也已得到广泛的应用，产品的设计更为人性化。 我国自1 9 9 3 年将2 5 型客车定型为主型客车，并将第一批2 5 a 型 空调客车投入运营，铁路空调客车走上了历史舞台。随着2 5 型系列产 品的研制生产和投入运用，客车空调装置也在不断地发生着变化，但 其发展速度远远不及民用空调的发展，很多新技术的运用较为滞后， 而控制的标准基本上仅以满足温度调节为目的，对于风速、风量控制、 新风量的控制至今未能提到一个较高的高度。空调客车作为一个活动 着的载体，乘客对于乘坐的舒适性也提出了更高的要求，加上航空运 输业及公路运输业不断加大竞争力度，铁路运输业受到前所未有的威 胁，为了维护铁路运输市场，占领运输市场份额及夺回已失去的客源， 提高设备质量、改善旅客的乘坐环境也是一项非常紧迫的任务。 针对这种状况，本文以空调客车为研究对象，重点解决空调客车 的新风调节及p l c 智能控制方面的问题，希望能对空调客车的改进及 实际应用起到一定的指导作用。 1 、国外空调暖通技术发展现状 1 1 变风量调节 二十世纪八十年代以前，对于空调系统的要求是能否有效地实现 室内温度的调节。八十年代以后，“病态建筑症侯”在美国成为有空气 调节建筑的主要问题之一后，美国空调行业开始注重室内空气品质。 自1 9 9 0 年1 1 月1 5 日美国国会通过空气净化法以后，提高空气品 西南交通的学硕士学位论文 质成为空调设计、运行和研究的主要目标之一。 影响室内空气品质的主要原因是空气中含有污染物，例如：尘埃、 二氧化氮、挥发性有机化合物、尼古丁、氮气等。要使室内空气被污 染的程度降低到对人体无害的程度，比较经济有效的措施是用污染浓 度很低、较清新的室外空气去冲淡它。因此，世界各国都在研究如何 合理地运用新风来提高室内空气品质。在美国，a n s i a s h r a e 标准中， 为了达到“可接受室内空气品质”的要求，规定了两种措施：提供 符合品质要求规定的新风量给空调区域；将室内空气中各种污染物 控制在规定浓度下。在1 9 7 1 年到1 9 8 7 年间，美国职业安全卫生署主 持的3 4 6 个现场测试中，发现造成“病态建筑”或“室内空气品质恶 劣”的建筑，新风不足、通风不良、温湿度调节失常占了5 2 。在6 0 年代，我国也发生过“恒温室病”，其主要原因也是新风不足。目前美 国空调系统设计中绝大多数都参照标准6 2 - 1 9 8 9 规定的最小新风量， 在6 2 - 1 9 8 9 标准中，将系统提供的每人最小新风量规定为不低于7 5 l s 几种典型场所每人最小新风量见表1 一l ，新风量的增加必然会增大空调 系统的负荷，因此合理地、经济地运用新风、节约能源是空调业需解 决的大问题。 表1 一l几种典型场所最小新风量l s p 场所新风量场所新风量l 会议室 l o 体育馆 7 5 1 办公室 1 0 教室 7 5 f 餐厅 1 0 病房 1 2 5 l 目前，能很好地解决这一问题的办法是采用变风量调节系统，变 风量系统是通过改变送风量而不是送风温度来调节和控制某一空调区 域温度的一种空调系统，简单地说就是进入空气调节区域的新风量是 根据需求而定，而非定量控制。这样，就可根据室内空气质量的好坏 调节送入的新风量，来改善室内空气品质。同时，变风量空调系统在 部分负荷的情况下，能有效地降低风机的能耗，符合当今提出的环保 性要求。 国外空调暖通技术发展现状 变风量空调系统即v a v ( v a r i a b l ea i rv o l u m e ) 空调系统具有舒 适、节能等特性，在曰、美等国或由境外设计的我国国内建筑中大量 采用，并取得了良好的运行效果。 1 2 自动控制系统 空调系统的设计、运行定要结合自动控制。空调暖通系统的计 算机控制分为三种类型即单片机控制、分布式中央控制、智能控制。 单片计算机控制器自7 0 年代末出现以来，2 0 多年来持续高速发展， 性能不断提高，价格持续下降，应用日益广泛。目前，房间空调器、 电冰箱、洗衣机等家电产品中已广泛应用了这类单片计算机构成的控 制器。单片计算机控制器有三部分组成：单片计算机本身、传感器与 执行器、用户接口。单片计算机是控制器的核心部分，具有多路开关 量和模拟量输入、输出通道与外电路相连，以实现测量控制管理的目 的，它内部有数据和程序存储器，可以通过软件实现各种分析计算功 能。 单片计算机由于不能够根据用户的实际状况自主编程、控制器的 输入、输出接口灵活性和通用型较差等缺点，使得它在一些大型的暖 通系统中不能得到很好的应用，暖通空调领域一般需要一种可由用户 编程的计算机控制器构成的计算机监测控制系统。计算机技术发展中 最重要的成果是数字通讯技术。利用计算机的数字通讯技术，从8 0 年 代开始，暖通空调领域就逐渐开始使用由多个计算机控制器和数字通 讯网构成的分布式计算机监测控制系统。分布式系统的结构设计、任 务分解、通讯方式等成为计算机控制系统设计中的主要内容。根据控 制和管理要求，实际通讯网可分为若干级，通讯介质也可以是光缆、 同轴电缆、双绞线或借用电话线及无线电通讯。系统跨越的范围远不 止一座建筑物，目前已可以在一个建筑小区内，一个城市乃至几个城 市间实现长距离的通讯和综合的控制管理。目前数字通讯已作为一个 专门的重要领域飞速发展，成为信息革命的支柱技术。分布式控制系 统的通讯网与高速信息通讯网搭接，使控制系统所涉及的暖通空调及 西南交通的学硕士学位论文 建筑管理信息成为高速信息网所管理的信息的一部分，按照同样的方 式来传递和管理这些信息，已成为目前的发展趋势。 数字通信技术的不断完善，计算机硬件成本的不断降低及软件成 本的不断提高，导致新一代控制系统智能传感器、智能执行器的 出现。智能传感器是将单片计算机与传感器、变送器做在一起，直接 通过数字通讯方式发送所测出的物理参数。智能执行器则是将计算机 与执行器的机械装置、驱动控制及保护装置做在一起，可使其直接接 受数字通讯方式发来的命令，同时还可将执行结果及故障状况以数字 通讯方式发出。采用这种智能装置，可直接通过通讯网与控制器连接。 控制器不再需要任何输入、输出接口，只需要与各智能传感器、执行 器通讯，与其它控制器通讯，并进行计算分析，以发送控制命令。 在空调系统的自动控制方面，单片计算机、空调数码程控、网络 控制、人工智能控制都得到了应用，其中尤以数码程控应用最为广泛。 数码程控系统是应用微处理器( 电脑) 来控制、调节建筑物中的空调、 照明系统，以节约能量消耗。 二十世纪九十年代的大、中型商业建筑中的空调自动控制系统， 大多采用数码程控。数码程控系统和过去应用模拟量的电动，气动自 控系统相比，它主要是应用既有硬件，又有软件的多功能微处理器， 即p l c 控制，用电脑指令控制空调的运行，大大改善了自动控制的功 能、控制逻辑和精度。现代很多高层建筑空调程控节能系统的功能很 复杂，要求也高。例如：送风系统中空调机组出风温度的控制，往往 是由新风量控制、新回风混合温度控制、冷盘管冷水量控制、热盘管 热水量控制、新风冷却控制等多个控制环路组成，它们之间互有影响， 再加上负荷和室外气候的变化，很难由气动、或电动调节器提供又有 效、有节能的控制过程。 1 3 测量方式的改进 八十年以前，新风量的测定大部分采用风速传感器来进行，如采 用超声波涡旋法、叶轮转子法、皮托管法、半导体法等等。采用风速 国外空调暖通技术发展现状 传感器来进行测量的方法为直接测量法，通过对新风风速或动压进行 测量而得到风量，这在理论上是最简单的办法，但在实际运用中存在 很大困难，有时甚至无法做到，一方面是因为新风管道的风速往往比 较低，对应的动压也很低，且新风温度不断波动，使用速度传感器或 皮托管无法准确测量新风，另一方面，在很多情况下，很难找到满足 测量条件的平直管段，因而造成新风量的测量困难。从八十年代开始， 美国以室内空气中二氧化碳的浓度作为新风量调节对象，它与用风速 测量方法相比有着不可比拟的优点，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 二氧化碳是一种人体呼出的气体，c o 。浓度可以表明人体散发有 害气体的冲淡程度。送足够的新风到空调区域的主要目的就是为冲淡 人、建筑物等散发的有害气体。在主要是人散发有害气体的空调区域， 按二氧化碳浓度对新风量进行调节是比较直接、合理的办法。 ( 2 ) 应用二氧化碳浓度作为调节对象，才能进行需求控制。应用风 量为调节参数，一般只能进行定量控制。 ( 3 ) 以二氧化碳浓度为调节对象，不单包括了空调机组吸入的新风 量，同时也计入空调区域从围护结构直接渗入的新风量，比较切实合 理，而且能节省更多的电能。 ( 4 ) 测量二氧化碳浓度要比测量风量精确一些，方便一些。经验表 明，空调区域内c 0 2 浓度的惰性比较大，改变较慢，c o 。敏感元件的灵 敏度要高一些，要防震、防湿度变化：而以混合气体作为调节对象时， 敏感元件要相对便宜，而且保养工作减少很多。随着应用的增加，c 0 2 敏感元件的些缺点也已得到了很大改善，并且应用起来也更为简便。 ( 5 ) 利用c o z 敏感元件来测量c o ：浓度，安装非常简便，对管段没有 特殊要求，可以布置在管段的任何位置。 测量方式的改进，改变了以往的控制方式，利用敏感元件来测量 c o z 浓度，使得控制c o z 浓度从而控制室内空气质量成为可能。这种空 调系统可以将c o ：浓度作为调节对象，进行新风系统的需求控制，新风 量按照需求而调节，使空调区域的c 0 。浓度不超过整定值。这种系统已 在国外建筑空调暖通业得到了广泛的应用。 西南交通大学硕士学位论文 2 、我国客车空调装置现状、存在的问题 1 9 8 9 年我国利用日元贷款生产了由r w 2 5 a 、y w 2 5 a 、y z 2 5 a 、 c a 2 5 a 、t z 2 五种车型组成的，2 0 辆编组的整列空调客车，被视为2 5 5 m 新型集中供电空调列车生产发展的里程碑。该批空调客车是由长春客 车厂、唐山机车车辆厂和浦镇车辆厂联合设计、制造的新型旅客列车， 由于第一次批量生产的车辆总和为1 6 8 辆，所以又有“1 6 8 ”车之称。 该批2 5 型空调客车已于1 9 9 0 年9 月起陆续投入4 7 4 8 次，4 1 4 2 次， 3 7 3 8 次运行。运用效果良好，受到运用部门及旅客的好评。 在此基础上，1 9 9 1 年我国又生产了1 4 0 辆2 5 g 型集中供电空调列 车，设计技术条件基本与2 5 a 相同，在保证质量及性能的前提下，材 料档次稍作调整，以降低成本。 到目前为止，我国2 5 型客车已拥有了2 5 a 、2 5 b 、2 5 g 、2 5 d 、2 5 k 等系列车型，基本满足旅客的多种层次的需求。 2 1 客车用空调装置 我国铁路客车空调装置的结构形式主要分为：分装式和车顶单元 集中式两种类型。 分装式空调机组通常是将压缩机、冷凝器、冷凝风机和储液罐安 装在车下，而将通风机、蒸发器、膨胀阀和空气预热器等置于车顶的 一端。 这些机组的形式主要有k k 一3 0 和k k 一5 0 型。目前除了由西德进口 的客车仍采用这些类型外，国产客车的空调机组已逐步被车顶单元集 中式所取代。分装式机组的主要缺点是体积大，拆装困难和检修不方 便，同时由于制冷设备管路较长，接头较多，容易产生泄漏。 车顶单元集中式空调机组是将压缩机、冷凝风机、气液分离器、 干燥过滤器、毛细管( 或膨胀阀) 、通风机、蒸发器和空气预热器等集 中在一个箱体里组成一个完整的单元，安装在车体的一端或两端，有 的置于车体的中部。 目前这类空调机组有k l d 2 9 、k l d 4 0 、k l p 4 7 a 型等。 我国客车空调装置现状、存在的问题 集中式空调机组的优点是体积小、重量轻、结构紧凑，机组互换 性好和检修方便，同时，因空调机组安装与车上，还可与避免车体排 放的废水和脏物对冷凝器的腐蚀，延长机组的使用寿命。集中式空调 机组一体化以后，制冷设备管路大为缩短，不但可以节省大量的有色 金属，还可以减少泄漏。 客车空气调节装置的主要作用是：夏季对车外新鲜空气和车内再 循环空气进行除尘、冷却和减湿；冬季对车外新鲜空气和车内再循环 空气进行除尘、升温，并把处理后的空气以一定的流动速度送入客室， 同时将可室内污浊空气排出车外，使车内保持清新舒适的人造气候环 境。因此不论是分装式还是集中式空调装置，都有通风系统、空气冷 却系统、采暖系统和自动控制系统等组成。 客车空调装置的制冷系统中的制冷压缩机容量，基本上按客车定 员数的最大热负荷来选取，我国列车的天运行跨越的地区很大，每个 地区之间的温差变化很大，一天之内白天和晚上温差也很大，要保持 车内的温度稳定，压缩机的制冷量应与热负荷的变化相适应。 实际上，我国空调车所装配的单元集中式空调机组均采用全封闭 式制冷压缩机，能量调节采用停、开压缩机的办法来实现。以空调硬 座车为例，每台机组有两台制冷压缩机，每车共四台制冷压缩机，可 实现输气量的1 0 0 、7 5 、5 0 、2 5 、0 五档调节。但实际的运行过 程中，只能实现1 0 0 、5 0 、0 三档调节。输气量的调节也就是压缩 机的启动，由温度控制器启动其停机温度点，根据车内热负荷的变化 可以不开压缩机至全开压缩机来实现输气量调节。 在控制过程中，将温控器的内定值调到2 6 0 c ，当车内温度升到设 定的2 6 。c 时，其中两台制冷压缩机组启动制冷，温控器的动差为2 0 c ， 如果车内温度下降至2 4 0 c ，压缩机停止工作，如果车内温度。由2 6 0 c 升 到2 8 。c 时，四台制冷压缩机投入工作，这时制冷量为1 0 0 ，当房间 内温度下降至2 6 0 c 时，其中两台压缩机自动停止工作，恢复单机运行， 此时的能量调节为5 0 。这种运行方式使温度控制在2 4 0 c 到2 8 。c 之 间，从目前应用情况来看，现有的车辆空调装置在温度调节方面，基 西南交通大学硕士学位论文 本上满足使用要求。但目前的空调仅限于温度调节，而对室内空气品 质未作监控和处理。 2 2 客车的通风 在空气调节的基本参数中，氧气使人们生存所必需的，因此空调 装置中的通风系统在一年四季都处于工作状态。通风系统是最基本也 是最重要的部件。 通风系统主要由通风机、废排风扇，空气过滤网、送风道、回风 道和排风道组成。他的作用是将车内外的空气进行过滤后，以一定的 流速把空气均匀分配到客室。通风机的作用是吸入车外新鲜空气，并 与车内再循环空气混合，然后送入客室。废排风扇则将室内多余的污 浊空气排出车外。废排风扇的转速是固定不变的，而通风机则采用双 速电机，可提供两种风量，夏季可将通风机置于高速运转，冬季将通 风机置于低速运转。夜间行车时应将通风机置于低速，不但可以降低 噪音，还可以减少能耗。 随着经济的不断发展中国家和人民生活水平的不断提高，对车内 舒适度提出了更高的要求。对客车的舒适度而言，除去车辆的振动、 照明、客室内夏季制冷和冬季采暖效果等影响因素外。客车内微风速、 风速场的均匀性、高速车内外压力变化、通风系统噪声、室内空气品 质也是至关重要的参数。因此对客车通风提出了更高的要求。 改革开放以来，我国空调客车发展迅速。起初，人们主要重视空 调机组的质量和空调效果，只满足于空调机组能正常工作，客室内能 够升温和降温。现在随着上述问题的逐步解决，人们开始重视车内 舒适性，特别是我国已经开行的准高速客车及即将开行的高速客车， 当列车速度提高以后，在两车交汇或穿过隧道时，因气压变动，旅客 刺耳的感觉会更加明显，同时旅客也更加重视客室内的空气新鲜程度， 这些都需要通过良好的客车通风装置来解决。 另一方面，由于我国人口众多，旅客运输量随季节变化的变动量 较大，在春运期间，客流大幅度增加，客室内人员密集，因此空调装 我国客车空调装置现状、存在的问题 置的负荷大幅度增加，对新风量的需求也大幅度增加，但目前的空调 通风装置还不能满足在满员或超员情况下的新风量需求，造成客室内 空气质量极为恶劣，致使已经发生旅客窒息而亡的事故，因此，目前 的客车空调装置的性能亟待进一步改善。 现有的客车空调系统组成如图2 1 所示，系统由两台空调机组，两 台送风机及风道组成，新风和室内回风进入新、回风混合箱，由通风 机通过主风道送入房间，在此系统中，新风的吸入靠送风时所产生的 静压差，使新风吸入混风箱，没有专门的新风风机，因此在客室满员 或超员的情况下，往往会产生新风量不足的现象，尤其在冬季，通风 量往往较小，这样吸入的新风量就远远不足，使室内空气恶化，在2 0 0 2 年春运期间，曾经发生因客室新风不足旅客窒息而死的事故。 荣务日赢 gj | 荤 图2 - 1客车空调系统示意图 2 2 1 通风系统的组成 ( 1 ) 通风机组。通风机组是通风系统的动力装置，其作用是吸入车 外新风和室内回风，并将处理后的混合空气加压，通过主风道送入客 室。 ( 2 ) 主风道、回风道和排风道。主风道的作用是将经过处理后的空 气输送到室内。主风道的截面积一般为矩形，有等截面风道和变截面 西南交通大学硕士学位论文 风道之分。等截面风道结构简单，易于制作，但空气愈流到尾部，流 速愈小，压力愈低，因而需在送风口设风量调节装置。变截面风道， 基本上可以作到等压送风，使风道气流速度不变，送风均匀。回风道 是用来抽取室内循环空气的，一般客车两端的走廊兼作回风道，包间 式客车走廊和小走廊均兼作回风道。排风道用以排除车内污浊空气， 即排风口与废排风扇或自然通风器间的通道。 ( 3 ) 新风口、送风口、回风口及废排装置，新风口即车外新鲜空气 的吸入口，新风口一般装有百叶窗以防止杂物进入车内。送风口是用 来向客室内分布空气的。送风口延着风道均匀布置，有百叶窗和多孔 顶板式两种。回风口是室内再循环空气的吸入口，一般设在内端墙两 侧下部或小走廊平顶板的检查门上。废排就是将客室内废气和多余的 空气排出车外，通常由自然通风器和排风扇来完成。 2 2 2 客车通风的主要内容 客车通风包括送风形式、送风道及送风的结构、尺寸、低阻力均 匀送风风道及送风口，送风口、送风速度、出口角度、车内微风速、 车内风速场的均匀性、车内气流组织状态、高速客车车内外无压差自 动控制装置及客车通风测试方法、测试装置等。 2 3 空调通风系统的控制 我国空调客车空调通风系统的自动调节采用单片机来进行控制， 系统的自动调节仅限空调系统的温度调节，用温控器来进行测量和比 较，从而发出指令实现压缩机的开、停。近两年，也有p l c 控制柜投 入试运行，但也仅仅实现了对客室温度的自动调节，在通风控制中一 般也设有手动通风和自动通风，在手动位时，靠人工控制旋钮实现通 风机的开、停，在通风位时可实现强通风和弱通风的转变：在自动位 时，只要空调机组工作通风装置就处于定风量送风状态下，通风量的 大小根据空调制冷量的大小有两档调节，虽然有这样的分档调节，在 部分负荷情况下，能量损失仍较大，浪费了保贵的电能，而在满负荷 情况下，室内空气质量住住较低，不能保证舒适度的要求。 我国客车空调装置现状、存在的问题 与建筑空调暖通业相比，我国空调客车的控制系统相对简单和落 后，难以适应目前旅客对车内部适度的要求，因此改进空调通风系统 以及实现其自动化控制，是摆在我们面前的重要课题。 西南交通大学硕士学位论文 3 、变风量空调系统及其控制 3 1变风量空调系统的概念 变风量空调系统( v a r i a b l ea i rv o l u m es y s t e m ) ，十世纪六十年代 诞生在美国，变风量技术的基本原理很简单，就是改变送入房间的风 量来满足室内变化的负荷。由于空调系统大部分时间在部分负荷下运 行，所以风量的减少带来了风机能耗的降低。变风量系统出现后并没 有得到迅速推广，当时美国占主要地位的仍是定风量末端再热和双风 道系统，西方7 0 年代爆发的燃油危机促使变风量系统得到广泛的应用， 并在其后的三十年中不断发展，已成为美国空调系统的主流。变风量 系统因为其节能性和其许多优点，在我国的建筑行业也得到了越来越 广泛的应用。 7 确切地说，变风量空调系统可根据空调负荷的变化及室内参数的 改变，自动调节空调送风量，以满足室内人员的舒适要求或其他工艺 要求。同时，根据实际送风量自动调节送风机的转速，最大限度减少 风机的动力，节约能量。 3 2 变风量( r a y ) 系统的特点 每一间空调房间或区间都安有变风量末端装置，因此可以进行 个别控制和分区控制； 由于变风量系统通过调节送入房间的风量来适应负荷的变化， 同时在确定系统总风量时还可以考虑一定的同时使用情况，所 以能够节约风机运行能耗和减少风机装机容量。 由于完全根据室内负荷的变化进行室温控制，使冷、热源设备 高效率工作； 部分负荷时，风机低速运行，节能效果明显： 系统的灵活性好，区间间隔发生变化或负荷在一定范围内增加 时，较易处理。 变风量空调系统及其控制 ( 6 )变风量系统在将c o ：浓度作为调节对象时，充分考虑了客室内实 际空气清洁度。 3 3 变风量系统的理论分析 在实际应用中，要改变系统的风量，需人为地改变通风机的性能 曲线和风道特性曲线。从而改变流量的过程称为工况调节。工况调节 的方法有两种： 1 、改变转速。根据通风机的特性，降低转速，既可满足减少风量 的要求，又节省功率。在为增加风量而增加转速时，应注意噪声的增 高和叶轮强度是否能承受。现改变风机转速可应用变频电机。 2 、节流调节。节流调节是指通风机转速一定时，通过改变在通风 管道中装设调节风门的开度大小来调节风量的办法。按调节风门安装 的位置分排出端节流调节和吸入端节流调节。使用排出端节流调节时， 若调节风门关小，则相当于增加风道中的局部阻力。引起风道特性曲 线的变化，这种方法简单可靠，常为客车的通风系统采用。但这种方 法会引起附加阻力损失，降低了系统的效率，增加了能耗。采用吸入 端节流调节的方法时，在改变风道特性的同时也改变了通风机的性能 曲线。吸入端节流后风道压力有所下降，从而引起空气密度降低，以 至是通风机产生的压头减少。另外，还可使用导流器调节，在通风机 叶轮前装设导流器时，可借改变空气的进入角度改变风量。当改变导 流器角度时，可是通风机的特性曲线发生变化，由于导流器节流并非 完全节流，因此调节角度不大时，对效率影响不大。使调节风量较好 的一种方法。 、 3 4 变风量调节的新风控制 3 4 1 风量直接测量法 西南交通大学硕士学位论文 这是目前最简单的变风量系统新风量控制方法，它是通过测量进 入空调系统的新风量，并直接控制该量来达到最小新风量控制的目的。 这种方法对新风阀设定一个最小阀位，这实际上是延用定风量空调系 统的新风控制方法。研究发现，在保持最小新风阀位恒定的情况下， 这种方法近似可以认为是固定新风比，即随着变风量空调系统送风量 的下降，如果引起送风量下降的负荷减少不是因为人员数量变化，即 室内要求新风量不变，则这种情况会造成新风不足。 另外，这种测量方法最大的问题就是测量精度问题，当空调系统 采用全新风冷却经济运转法运行，而新风风管尺寸按最大新风量设计 时，在最小新风量运行时，因风管内风速过低，风量测定误差势必很 大。 3 4 2 送风机、回风机风量测量控制法( 风机跟踪法) 同时测量送风机和回风机风量， 量远大于新风量，风管内风速较高， 应该等于送风机和回风机风量之差， 一般认为由于送风机和回风机风 所以测量误差相对较小，新风量 控制这一差值即可。 这种测量方法最大的问题仍然是测量精度问题，当新风比较小时， 送风机和回风机风量的测量误差将明显影响到新风量的大小，当新风 比为1 0 ，送风机和回风机风量的测量误差为1 时，新风量的最大误 差将达到1 9 。另一方面，由于缺少符合风量精确测量的标准风管直管 段，送风机和回风机风量的测量误差有可能达到2 0 一3 5 ，风机跟踪 法实际上的效果与理论上的推断有一定的差距。例如一个变风量空调 系统的送风量为8 0 0 0 m 3 h ，最小新风量为2 0 0 0 m 3 h ，如果送风量和回 风量的测量误差各为5 ，则新风量的绝对误差为7 0 0 m 3 h ，这就是说， 在送风量和回风量读数分别为8 0 0 0 m 3 h 和6 0 0 0 m 3 h 时，理论上新风量 壅墨墨室塑墨竺墨基堡型 应为2 0 0 0 m 3 h ，而实际上新风量可能是1 3 0 0 m 3 h 到2 7 0 0 m 3 h 中的任何 值，一方面会造成系统能耗的增加，另一方面可能会造成新风量不足。 3 4 3 新风风机新风量控制法 由于通过典型的新风风阀的风速太低，难于准确测量，同时也很 难在空调房间获得合理测量新风量的直风管和提供安装风量测量装置 的地方，为解决这些问题，除送风机( 回风机) 外，设立单独的新风 风机和新风管，新风风机与空调系统同步运转，由安装在新风管内的 速度传感器调节风阀维持最小新风量，该方法的优点是：因直接测定 新风量，因此误差比通过测定送风机和回风机的风量来调节新风量要 小得多，该法一般应采用特性较软的风机。该方法的缺点是：需要另 设最小新风风管，仍然需要风速测定装置来测定新风风管的内风速； 仍然需要用风量调节阀来控制最小新风量，新风阀加上新增加的新风 风机使用一次投资明显增加。 3 4 4 利用回风阀开度调节新风量 这种调节方法是指利用变风量空调系统的设计新风量与采用c 0 2 浓度法实测得到的新风量进行比较，并将其差值作为控制信号来调节 回风阀，形成一个负反馈控制系统。当新风量的实测值小于系统设计 值时，说明当前新风不足，应该相应关小新风阀，造成混合段负压升 高，新风入口到混合段压差增大，新风量相应增大；反之，如果新风 量实测值大于系统设计值，而系统又处于最小新风运行工况时，调节 过程相反。这种方法利用回风阀来调节空调箱混合段负压，最终保证 新风量的供应。 3 4 5 二氧化碳浓度监控法 西南交通大学硕士学位论文 将c o ：传感器置于空调房间具有代表性之处，当c o z 浓度高于整定 值时，即增大新风量，这种按需求进行控制的方法是目前认为最先进 的新风量控制方法。 这种方法利用室内c 0 ：浓度作为衡量新风是否达到要求的参数，在 一定c o 。浓度范围内，对新风实行比例控制，例如，c o z 浓度的上下限 分别设为6 0 0 l 旷和8 0 0 xl o 6 ，则回风c o 。浓度位于这个区间时，新 风阀在最小新风阀位和全开之间进行调解；如果c o ：浓度大于8 0 0 x 1 0 ，则维持风阀全开；如果c 0 ：浓度小于6 0 0 x1 0 一，则维持最小新风 阀位。这种控制方法适合于人员密度较大的场合。当人员负荷较低时， 如果根据c 0 ：浓度减小新风量，则会造成对建筑物部分的污染物稀释不 足，使即引起i a q 问题。 c 0 ：浓度监控法存在着一些问题，( 1 ) 控制滞后问题，因为二氧化 碳浓度无法瞬时采样，在一般的通风换气房间内，室内产生的二氧化 碳要几小时才能达到平衡浓度，所以以二氧化碳浓度控制新风量，将 有时间滞后问题发生，同时新风量的增加和减少也不会立刻改变室内 c o 。浓度值；( 2 ) 当室内逗留人数低于设计值时，因为新风量减少，室 内空气品质问题将更突出。 3 4 6 人数直接控制法 这种控制方法是指直接测得空调区域的实际人员数，然后根据人 员数来决定当前实际所需要的新风量。这种控制方法能够实现新风量 的动态调节，在保证室内空气品质的前提下尽量节能，但这种方法需 增加一套测量人数的设备，投资较高。另方面与c o 。浓度控制法类似， 当人员数较低时会造成对建筑部分的污染物稀释不足，实际引起i a q 问题。 3 5 系统的组成 1 6 3 5 1 v a v 装置 v a v 空调系统的运行靠称为v a v 装置的设备来根据室内要求提供 的能量控制其风量，同时向系统控制器传送自己的工作状况，经系统 控制器分析计算后发出控制风机变频器的信号，根据系统要求风量变 风机转速，节约送风动力。 常用的v a v 装置如图3 - 1 所示，主 要由室内温度传感器、电动风阀、控 制用i c 板或其它控制器、风速传感器 等部件组成，由于风速传感器测量新 风量存在着相当的不足之处，现可以 采用c 0 2 敏元件所代替。 另有被称为f p b ( f a rp o w e r e d b o x ) 的v a v 装置如图3 2 所示，其 特点是根据室内负荷由v a v 装置调节 一次送风量，同时与室内空气混合后经 风机加压送入室内。该方式加设了末端 风机系统，成本提高，可靠性，噪声等 性能指标有所下降。 图3 - 2 f p b 示意图 气 3 5 2 变频风机 近1 0 年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅 速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调 速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交 流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环 墼琏 “ 鲢鲢 西南交通犬学硕士学位论文 境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制 动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其他许 多优点被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3 部分组 成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转 状态( 位置、速度、加速度等) ，实现电能机械能的转换，达到优质、 高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交 流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着 电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动 以节约电能( 节约1 5 2 0 或更多) ，改善产品质量，提高产量。在 我国6 0 的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行 业，一直得到国家的重视，目前已有一定的规模。 变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现 使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来， 交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以利 用的资源。 v a v 空调系统常采用在送风机的输入电源线路上加装变频器的方 法或采用变频风机，根据系统控制器的批示改变送风机的转速，满足 系统的风量要求，节约电能。 从理论上来讲，一般空气流量的控制方法有四种，即风阀、导流 叶片、联轴器和变频器，国外资料表明：当工作点位于最大流量的8 0 ， 使用风阂降消耗电机能量的9 3 ，导流叶片消耗为7 0 ，涡流联轴器 消耗6 7 ，而变频器消耗5 1 ，差不多是风阀的一半：当流量降至5 0 时，变频器只消耗1 5 ，联轴器消耗为2 9 ，导流叶片消耗为4 9 ， 风阀为7 3