（机械工程专业论文）铁路空调客车空气品质及其控制研究.pdf

江苏人学硕十学位论文 中文摘要 随着我国铁路事业突飞猛进，旅客列车空调化已成为趋势，但是客车空调装置 仍处于初级阶段，只能满足车厢内温度的调节，对于车厢内的空气品质则往往被忽 略，而且我国铁路空调客车车厢内空气品质不佳是一个不争的事实。因此，有必要 对空调客车车厢内空气品质进行研究，保证旅客的健康和旅行的舒适。 本文主要分析了铁路空调客车车厢内的污染物及污染源，并总结了铁路空调客 车污染物的特征：通过对车厢内空气品质的实地调查，发现车厢内旅客容易出现的 空调病状，并对车厢内空气品质进行了模糊综合评价；为了更好地满足旅客的舒适 要求，进行了满足车厢内空气质量要求的通风量计算；通过建立数学模型，对车厢 内二氧化碳浓度进行了仿真控制，结果表明所提供的新风量既能满足空气品质的要 求，又能符合节能的需要；设计了铁路空调客车空气品质控制实验系统。并在杭州 车辆段进行了试验，取得了较好的控制效果。但是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。 通过本文的研究，为研制铁路空调客车空气品质控制系统，改善铁路空调客车 空气品质提供参考依据。 关键词：铁路空调客车，空气品质，模糊评价，新风量，控制 江苏人学硕士学何论文 a b s t r a c t d e v e l o pw i t ho fo u rc o u n t r yr a i l w a yu n d e r t a k i n g ，p a s s e n g e rt r a i na i r - c o n d i t i o n m g h a s b e c o m et h et r e n d ，b u tt h ea i r - c o n d i t i o n i n gd e v i c eo f p a s s e n g e rt r a i ni ss t i l la tp r i m a r y s t a g e ，c a l lo n l ym e e tr e g u l a t i o no ft e m p e r a t u r ei nt h ev e h i c l e ，o f t e nn e g l e c t e dt h ea i r q u a l i t y , a n da i rq u a l i t yi sn o tg o o di sa l li r r e f u t a b l ef a c t i nt h ea i r - c o n d i t i o n i n gp a s s e n g e r t r a i no f o u rc o u n t r y t h u s ，i ti sn e e dt os t u d yt h ea i rq u a l i t yi nt h ev e h i c l e ，p l e d g eh e a l t h o f p a s s e n g e ra n dc o m f o r to f t r a v e l t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep o l l u t a n ta n dp o l l u t i o ns o u r c e si nt h ea i r - c o n d i t i o n i n g p a s s e n g e rt r a i n , h a v es u m m a r i z et h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ea i r - c o n d i t i o n i n gp a s s e n g e rt r a i n p o l l u t a n to f t h er a i l w a y ；a c c o r d i n gt ot h ef i e l di n v e s t i g a t i o no f a i rq u a l i t yi nt h ev e h i c l e ， i tc a l lf i n dp a s s e n g e r sa i r - c o n d i t i o n i n gs y m p t o m ，a n dh a v ec a t t yo nf u z z yc o m p r e h e n s i v e a p p r a i s a lt ot h ea i rq u a l i t yi nt h ev e h i c l e ；i no r d e rt om e e tt h ep a s s e n g e r sc o m f o r t d e m a n db e t t e r , t h i sp a p e rc a r r yo u ta e r a t i o nv o l u m ea c c o u n tt os a t i s f yt h ea i rq u a l i t yi n t h ev e h i c l e ；b ye s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h i sp a p e rc a l t yo u tt h ee m u l a t i o na b o u t t h ec o n t r o lo fc 0 2c o n c e n t r a t i o ni nt h ev e h i c l e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t 缸s ha i rv o l u m e c a nm e e tt h er e q u e s tf o ra i rq u a l i t ya n de c o n o m i z ee n e r g ys o u r c e s ；t h i sp a p e rd e s i g n st h e a i rq u a l i t yc o n t r o le x p e r i m e n t a ls y s t e mo ft h ea i r - c o n d i t i o n i n gp a s s e n g e rt r a i n ，a n dt e s t s i nh a n gz h o uo fr o l l i n gs t o c k , h a sm a d et h eb e t t e rc o n t r o lr e s u l t b u tb e c a u s eo ft h e l i m i t a t i o n so fr e s t r i c t i o na n du s i n gl i v eo ft h ec o m p o n e n t sa n dp a r t s ，t h es y s t e mi sn o t v e r yp e r f e c t ，a w a i t e dt oc o n t i n u ei m p r o v i n g t h es t u d yo ft h i sp a p e ro f f e r st h er e f e r e n c eb a s i sf o rt h ea i r - c o n d i t i o n i n gp a s s e n g e r t r a i na i rq u a l i t yc o n t r o ls y s t e ma n di m p r o v i n gt h ea i r - c o n d i t i o n i n gp a s s e n g e rt r a i na i r q u a l i t y k e y w o r d s ：a i r - c o n d i t i o n i n gp a s s e n g e rt r a i n ，a i rq u a l i t y , f u z z ya p p r a i s a l ，f r e s ha i r v o l u m e ，c o n t r o l n 学位论文版权使用授权书 最，9 6 2 8 3 8 本学位沦文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 沦文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密匝扩。 学位论文作者签名：关刍苁指导教师签名： 2 。，年，p 月肋日 渺佯，d 月印臼 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：关参骸 日期：加p ，年，o 月加日 n 苏大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 铁路空调客车空气品质及其控制研究的目的和意义 1 、研究的目的 近几年来，我国铁路事业突飞猛进，旅客列车空调化已成为趋势。掘2 0 0 4 年 统计，我国铁路客车现有4 1 3 5 3 辆，其中空调客车约占4 5 8 左右。目前，我国铁 路空调客车普遍采用车顶单元式空调机组。通过近几年的应用实践表明，该空调 机组基本上能满足夏季制冷和冬季供热要求，在很大程度上为旅客提供了比较舒 适的乘车环境。 我国铁路运输的运输距离远，运输时间长，车厢内人员相对比较集中，车内 环境对旅客的身心健康有着重要影响，而空气品质又是最直接的因素。车厢内空 气品质好，空气清新，会使人感到心情舒畅，减轻旅途的疲劳；车厢内空气品质 不好，污浊不堪，会使人感到心情压抑，甚至引起疾病。由于我国铁路运能与运 量的矛盾，导致空调客车超员现象严重，车厢内人口密度大，人员杂，旅客携带 物品中的污染物，机械设备运行中产生的飘尘，加之旅客对空调环境意识的淡薄， 车厢内吸烟人不在少数，而且在进行空调系统没计时主要考虑以冷暖为主要标志 的热环境问题，对于车厢内的空气品质则往往被忽略，最终导致车厢内的空气品 质不佳，以致长时问处于这种环境中的人们出现眼喉刺激、鼻塞、头痛、头晕、恶 心、乏力、皮肤干燥、烦燥等症状”1 。 随着我国人民生活水平的f 1 益提高，旅客对车型的需求和满意程度也趋于多 样化。为满足旅客舒适度要求，铁路客车在提高车速，保证安全正点的基础上， 还采用了大量高档装饰材料( 如皮制座椅、地毯等) 和现代设施( 电视、音响等) 。 其中有些材料将引起车厢内空气中有害物质品种和数量的增加，如挥发性有机化 合物( v o c ) 、空气悬浮颗粒等。随着旅客列车运行速度的不断提高，人们一方面 采用车厢密接式风挡、集便器等各种方式提高车厢的气密性和绝热性，同时为了 减小空调能耗，又不断降低车雕换气的晟小新风量标准，减少单位时问内的换气 次数。所以，导致车厢内污染物浓度增加含氧量下降。一些旅客欧途乘车后出 现头晕、恶心和胸闷等症状往往破人们错误地认为足晕乍造成的，进而采取“氍 江苏大学硕士学位论文 持一下，再忍一忍”的对策直至到站下车，而未从空气污染的角度去考虑。其实， 在很大程度上这是因铁路空调客车车厢内空气污染物浓度超标造成的。 由此可见，我国铁路空凋客车车厢内空气品质不佳足一个不争的事实。毫无 疑问，铁路客车车厢内空气品质的好坏直接影响旅客的身心健康和乘车舒适度， 这一问题必须引起铁路相关部门的高度重砚。近年来曾发生多起由于车厢内空气 品质不佳导致旅客投诉铁路部门的事件，问题的严重性和普遍性应该引起铁路科 技工作耆的高度重视。 因此，对铁路空调客车空气品质及其控制研究的目的在于保护旅客的健康和 旅行的舒适，使人们的铁路旅行向舒适型，健康型发展。 2 、对国民经济或学术上的意义 目前，我国铁路实施跨越式发展，铁路客车大提速，有关铁路空调客车空气 品质问题应提到铁路有关部门领导的重要议事日程。 本课题研究的铁路空调客车空气品质及其控制属于应用基础研究，近年来对 铁路空调客车空气品质的研究文章很多，但对空气品质的控制相关研究较少。本 课题以铁路空凋客车空气品质的控制为研究重点，同时研究空凋客车车厢内空气 品质的模糊评价，具有下列意义： ( 1 ) 掌握铁路空调客车车厢内空气品质的状况和变化趋势，便于展歼车内污 染的控制工作； ( 2 ) 根据车厢内空气污染物对健康的影响及车内人员的接受程度，进行空气 品质的模糊评价，反映空调列车车厢内空气品质的实际情况； ( 3 ) 在空调客车运行期日j ，对新风采取需求控制的办法，送入车厢内新风量 根掘需求来进行调节，达到改善车厢内空气品质的目的。 1 2 国内外研究现状 室内空气品质( i a q ，i n d o o r a i r q u a l i t y ) 指在某一个具体的环境内，环境要 素对人群的工作生活适宜程度，是反映人f fj 具体要求而形成的一种概念，所以其 判断标准是模期的，有其客观标准和主观杯准。 美国供暖制冷空调工程师学会颁白的杯准a s h e r a e 6 2 - - 1 9 8 9 r 满足可接受 室内空气品质的通风中对室内宅气品质作了定义。可接受的窀内窄气品质 2 江苏大学硕士学位论文 ( a c c e p t a b l e i n d o o r a i r q u a l i t y ) 定义为：空调房问中绝大多数人没有对室内空气表 示不满意，并且空气中没有已知的污染物达到了可能对人体产生严重健康威胁的 浓度”3 。感受到的可接受的室内空气品质( a c c e p t a b l e p e r c e i v e d i n d o o r a i r q u a l i t y ) 定义为：空凋房日j 中绝大多数人没有因为气味或刺激性而表示不满，它是达到可 接受的室内空气品质的必要而非充分条件。1 。由于有些气体，如氡、一氧化碳等没 有气味，对人包没有刺激作用，不会被人感受到，但却对人危害很大，因而仅用 感受到的可接受的室内空气品质是不够的，必须同时引入可接受的室内空气品质， 达到可接受的室内空气品质，才能真正保证舒适和健康。 为了了解空调列车车厢内空气品质的状况及其影响因素，以便研究和解决车 厢内空气品质差的问题，国内外许多学者对车厢内空气品质进行了调查和分析。 下面列举一些国内外学者在车厢内空气品质方面的研究成果： 在国外，c h o w 黼儿硎研究表明，当空调列车车厢内的通风换气率达到 2 5 2 # h ，车厢内的二氧化碳浓度就可维持在1 0 0 0 p p m p g 下“：；f r o z e 尼o d d o y a ， l a h r zt 等学者在1 9 9 4 年、1 9 9 5 年和1 9 9 6 年三次对车厢内的空气污染物进行了监 测，认为车厢内的苯对旅客有很大的危害作用。3 。 在国内，上海铁路局的张秀佩、马建民、周惟菁等对6 个铁路局所属的l o 条线 路上运行的新型全列空调客车不同车厢内的环境( 不周路况、不同季节) 进行了 调查，并得出结论：夏季车厢内湿度超过卫生标准，车厢内二氧化碳浓度夏、冬 两季中硬卧、硬座和软卧车厢超杯，其余指标均符合卫生杯准：北方交通大学的 赵冬梅、钱兴华、梁龙等针对目前国内尚未系统地制订出铁路空调客车空气品质 评定标准及国际相关标准中的不完善问题进行了分析，对影响铁路客车空气品质 评定标准的重要因素及方法进行了探讨；张吉光、王利、史自强等提出了将客观 评价与主观评价相结合的方法柬评价空调客车车厢内空气品质，并结合国内外空 气品质评价的研究成果，给出了空调客车空气品质评价数掘的处理方法1 3 ：甘伟新 对客车空调的节能途径进行了探讨，指出合理控制新风量足最有效的节能措施， 并提出了控制新风量的设想和方法。3 ：丁力行、叶会元、包劲松等针对现有控制方 式仅以车内温度为控制对象所存在的弊端，建议以整个车内环境为控制对象，以 反映热环境舒适性和车内空气品质的宏观、微观控制指标为依据，将模糊技术和 神经网络技术相结合、建立实时控制系统，从而较为全面、有效地改善空凋窖乍 江苏人学硕七学位论文 车内环境品质“。 目前，国内在空调列车车厢内空气品质控制这方面的研究几乎是一片空白。 我国空调列车车厢内空气品质的实际情况究竟怎样，影响车厢内空气品质的因素 主要有哪些，如何进行控制，这些都是铁路科技工作者迫切需要解决的问题。铁 路客车空调设计人员在进行空调系统的设计时主要考虑以冷暖为主要标志的热环 境问题，还没有考虑到车内空气品质问题，对空气品质控制的研究更谈不上。 1 3 本文的研究内容 鉴于车厢内空气品质差已成了铁路空调客车一个十分严峻的问题，改善车厢 内空气品质不仅仅只是车内环境的舒适性问题，还关系到铁路客运的服务质量和 铁路客运在交通运输业中的竞争力，本文在前人研究的基础上对如下问题进行了 研究： ( 1 ) 对铁路空调客车污染物和污染源进行分析，并总结出铁路空凋客车车厢 内污染的特点。 ( 2 ) 对铁路空调客车空气品质的主观评价进行研究的基础上，提出铁路空调 客车空气品质的模糊评价方法。 ( 3 ) 鉴于通风对铁路空调客车空气品质影响的重要性，进行满足铁路空调客 车空气质量要求的通风量计算。 ( 4 ) 根据车厢内二氧化碳浓度，建立数学模型，实现对新风量的需求控制， 并进行仿真实验。 ( 5 ) 设计铁路空调客车空气品质控制实验系统，为研制铁路空调客车空气品 质控制系统，改善铁路空调客车空气品质提供研究依据。 4 江苏大学硕十学位论文 第二章铁路空调客车污染物的种类及污染源分析 2 1 引言 凡足有铁路乘车经验的人，一定会对车厢内食品的气味、人体的体味，香烟 味等各种各样的气味感到不适。更令人意想不到的是，由于车内的空调系统存在 的问题，这些气体还将严重地损害人们的健康。 随着经济的发展，人们生活水平的不断提高，人们的健康消费观念日益加强， 对乘坐空调客车的舒适性要求也越来越高。然而，据问卷调查和笔者的多次亲身 感受表明，绝大多数铁路空调客车未能很好地满足人们对舒适性的要求，普遍反 映客车车厢内空气品质差，温度偏高或偏低，这些不尽如意之处应引起铁路有关 部门的高度重视。 因此，研究铁路空调客车的污染足十分重要的，也是非常有意义的，因为它 关系到人们的身心健康，关系到铁路事业的声誉、生存和发展。 2 2 铁路空调客车主要污染物及污染源 铁路空调客车车厢内污染物的种类很多，现将其中主要的污染物及污染源介 绍如下： 1 、二氧化碳 空调客车中的二氧化碳是车厢内污染物的主要成分，它由人体呼出及车内燃 料燃烧所散发出，其发生量与车内人数和活动量有关。表2 1 列出了一个人在不同 条件下排出的二氧化碳量“。 纯粹的二氧化碳是一种无色气体，它对脑脊髓中枢神经有强烈的刺激作用。当 空气中的二氧化碳含量过多时，人就会产生头痛、眩晕、呼吸急促、肌肉疲劳无力， 耳呜等症状，进而窒息。表2 2 列出了二氧化碳浓度和人体反应的关系。“。 二氧化碳浓度指标常常作为室内气味( 如臭气等) 和其它有害物质的污染程度 评价指f ，下。 江苏大学硕士学位论文 表2 一l 二氧化碳散发量 人的状态 l h g h 成人体力劳动 4 56 8 轻劳动( 机关工作) 2 3 3 5 静止时 2 33 5 十二岁以下儿章1 21 8 表2 2 空气中不同二氧化碳浓度对人体的影响 ， 二氧化碳浓度( ) 人的感觉情况 o 0 8 0 0 4 正常 0 5 呼吸略有增加 1呼吸急促 2 肺部呼吸增加5 0 3 肺部呼吸增加1 0 0 ，人易疲劳 4 点燃火柴会熄灭，引起头痛 5 呼吸困难，肺部呼吸增n 5 0 0 ，血液循环加快。耳呜 6 呼吸困难，耳呜，发生昏迷，可能造成死亡 1 0 2 0 呼吸困难，失去知觉，死亡率达2 0 2 j 2 、一氧化碳 一氧化碳是主要燃烧产物，它在车厢内的来源主要是吸烟和餐车散发出来的。 一氧化碳是有害气体，对人体有强烈的毒害作用。文献 1 3 表明，当一氧化碳浓 度为1 2 5 m g d 时，无自觉症状，5 0 0 m g m 耐会出现头痛、疲倦、恶心，头晕等感 觉；7 0 0 m g m 耐会发生心悸亢进，并拌有虚脱危险，1 2 5 0 m g m 耐出现昏睡、痉挛 而死亡。可见，严格控制车内一氧化碳的浓度对车厢内空气品质的改善是一项重 要内容。 3 、香烟烟雾 蕾烟是车l j i 内空气污染的个重要的污染源。香烟朋雾对室内人员的感受程 6 江苏人学硕七学付论文 度起绝对性作用，a s h r a e 6 2 1 9 8 9 r 已明确表示室内吸烟不可能达到可接受的室 内空气品质。由于铁路一般行车的时问较长，不能象航空或公路运输那样禁止旅 客吸烟，目前的作法足：对于长途空调客车，吸烟行为被限制在车厢两端连接处 的吸烟点。这样虽然没有直接污染车内环境，但是由于空凋系统回风口就设在车 厢端部过道的上方，距离吸烟点很近，大量香烟雾反而极容易地被送风机从回风 口吸入，通过风道和送风口送入车厢内。从而导致了车厢内旅客不知不觉中人人 都在吸“二手烟”。 香烟烟雾中包含了有机和无机污染物。每报香烟产生的烟雾中，主要污染物 的含量见表2 3 “”。由表2 3 可见，香烟烟雾是一种重要的车厢内空气污染源， 应予以足够的重视。 表2 3 每根香烟产生的烟雾中的污染物含量 成分含量 成分 含量 一氧化碳 1 0 2 3 m g 甲苯 1 0 0 2 0 0 且g 二氧化碳2 0 4 0 r a g 甲醛 7 0 1 0 0 g 羟基硫化物 1 8 4 2ug 氨 5 0 1 3 0 , g 苯 1 2 4 8 p g 氮氧化物 1 0 0 6 0 0 g 4 、挥发性有机化合物 挥发性有机化合物( v o c ) 对人体的影响较大，它的浓度过高将直接刺激人体 的嗅觉和其它器官。其中以甲醛对车内空气污染的影响为最大，根据文献 1 5 的 实测资料可以看出室内甲醛浓度对人体的影响( 见表2 4 ) 。其主要来源于车内的 各种装饰材料，如胶合板、尿醛泡沫塑料填料，各种塑料贴面、织物及各种涂料。 除甲醛外，挥发性有机化合物的种类很多，很难对每种v o c 都作出规定，但可以控 制总挥发性有机化合物( t v o c ) 的浓度，把它对人体的影响作为一个评价指标。t v o c 浓度对人的影响见表2 5 。 7 江苏大学顾十学付论文 表2 4 甲醛浓度对人体的影响 质量浓度( m g m )对人体的影响 0 0 6 3 o 0 7 5 使人感到臭气 0 1 3 0 2 5 5 0 的人闻到臭气，粘膜受到刺激 2 5 0 6 2 5 眼睛、器官受到刺激，打喷嚏、咳嗽、起催眠作用 1 2 5 上述刺激加强，呼吸困难 6 2 5 引起肺炎、肿水肿，导致死亡 表2 5t v o c 对人体的影响 t v o c 质量浓暖( m g 艋)刺激与不适感影响范围 2 5 可能发生神经性中毒 发生中毒 5 、空气微生物 空调客车中的空气微生物较多，它主要包括细菌、酵母菌、霉菌、病毒和噬 菌体等，其大小不一，对人体危害大，繁殖能力强，繁殖速度快，是影响车内空 气品质的一个重要不利因素。以霉菌为例，它在温度为1 5 3 0 ，湿度为7 0 9 5 的环境中极易繁贿成活，而且车内的装饰材料、烟尘等部可为其提供营养源。空 气微生物主要来源于车内人体、卫生日j 、旅客所带的食品、车体田护结构、空调 系统高湿度的构件和客车停留的外部环境等。 6 、臭气 随着生活条件的改变，对环境舒适感要求的提高，促进了人们对室内臭气的 研究。近年束，国外还把臭气作为评价室内空气质量的指杯之一。 宅调客车中的臭气圭要求源于体臭、香船i 朋雾、牟内的装饰材料发出的特殊 江苏大学硕十学付论文 气味、餐车厨房产生的烹调气味，空调帆组蒸发器处高湿环境繁殖细菌时产生的 臭气以及厕所产生的臭气等。体臭主要指由人体表面蒸发、流汗产生的各种排泄 物被微生物分解时发出的汗臭以及人体排泄的氨和其它气体的气味。 2 3 铁路空调客车污染物的特征 ( 1 ) 影响范围大。铁路空调客车车厢内污染物不同于特定工矿企业的环境污 染，涉及到的人群数量大，几乎包括整个年龄组。 ( 2 ) 污染物种类多。多种空气污染物同时作用于人体，可能会发生复杂的协 同作用。 ( 3 ) 污染物浓度低。车厢内空气污染物一般不会超标，短期内人体不会有明 显的表现。 ( 4 ) 健康危害不清。车厢内的低浓度空气污染物的长期影响对人体作用机理 及其阀值不清楚。 ( 5 ) 接触时间长。旅客在乘车期i 训持续的暴露在空气污染的环境中，污染物 对人体作用时间很长。我国大部分旅客列车均为“夕发朝至”，所以乘客乘车多为 夜问。劳累了一天，人在夜间的身体状况明显不如白天，所以能承受的污染浓度 也低于白天。 本章小结 本章主要分析了铁路空调客车车厢内的污染物及污染源，并总结了铁路空调 客车污染物的特征。 9 江苏大学硕士学位论文 第三章铁路空调客车空气品质的模糊评价 3 1 引言 随着我国铁路事业的蓬勃发展，人们对乘车的环境也有了更高的要求，客车 正朝着高速化、舒适化的方向发展。车内空气品质不仅仅是影响舒适性的问题， 而且会影响到人们的身心健康。人们长期处于空气品质不佳的环境下，容易出现 眼喉刺激、鼻塞、头痛，头晕、恶心、胸闷、乏力、皮肤干燥、嗜睡、烦躁等症 状，即出现所谓的“空调病”。 因此，对空调客车的空气品质进行评价有助于反映我国空调列车车厢内空气 品质的实际情况。本章通过对车厢内空气品质进行主观评价，掌握车厢内空气品 质的现状，并将模糊数学理论引入主观评价结果的处理过程中，对其进行模糊综 合评价。 3 2 评价方案的确定 室内空气品质( i a q ) 的评价是认识室内环境的一种科学方法，是随着人们对 室内环境重要性认识的不断加深所提出的新概念。它反映在某个具体的环境内， 环境要素对人群的工作、生活舒适程度，而不是简单的合格不合格的判断。 室内空气品质的评价方法主要分为主观评价和客观评价两大类“。客观评价方 法具有指标的确定性，通过测得的指标与相应的卫生标准逐项对照，以此束判断 室内空气品质是否合格。主观评价主要是通过对室内人员的问询得到的，即利用 人体的感觉器官对环境进行描述和评价。 由于客观评价仅依据污染物的上限值，简单地判断室内空气品质是否合格， 这种评价结果缺乏公正性、权威性和可比性。随着大量研究的深入和发展，己发 现长期低浓度污染不只是影响人体的健康，而且会引起免疫功能的变化“。车厢 内空气污染物一般不会超标，短期内人体不会有明显的表现，同时山于车厢内的 低浓度污染物对人体长期的、综合的损害作用目前尚不清楚，其可以接受的浓度 办难以测定。客观评价不能从根本上解决目i j i 存在的问题，毛观评价在许多t 6 况 下比客观评价史具有意义。人体是个极其复杂的系统，污染物肘人体的于扰不仅 0 江苏大学硕七学位论文 是生理上的，而且往往会在心理上、精神上造成影响，故可接受的室内空气品质 逐渐转变为以室内人员的主观评价为准。因此，笔者以主观评价方法对空调列车 车厢内空气品质进行评价。 3 3 主观评价调查表格的确定 ， 主观评价主要有两个方面：一方面是表达对环境因素的感觉；另一方面是表 达环境对健康的影响。由于目前没有现成的车厢内空气品质主观评价标准，笔者 依据国际通用的主观评价调查表格并结合空调列车这个特殊的场所设计了车厢内 空气品质主观评价的问卷调查表。 客观世界的许多概念都足模糊的，仅用绝对的属于或不属于来表达己经远远 不能适应概念上的模糊性。对于一些常见的空调病状，它们都足一些模糊的概念， 旅客很难用语言来描述自身是否存在这些病状或者其程度如何。感觉刺激的影响 能根据自我感觉症状和不适感的程度而定。由于自我感觉的表达难于准确，为防 止旅客采用各自的评价基准和尺度而引起一些不必要的误差，有必要为调查对象 制定一种用数值表示不同反应程度的标准，即按不适感的程度进行分级评价。受 试耆根据自己的感觉勾出最能描述这种感觉程度的数字。有了这些数字的描述， 才能对各种反应进行数学上的分析，这一组数值称为等级标度( r a t i n gs c a l e ) 。一般 人能够不混淆地处理的感觉量级不会超过七个，评价空气品质常采用五级“”。因 此，笔者用数字l 5 表示感受到的不适程度，由旅客圈出当时感受到的不适程度。 表3 一l 列出了有关车厢内空气品质方面的调查内容。 表3 1 中的各个单项指标能够从一定程度上反映车厢内空气品质的状况，但 是这些单项指标无法表征车厢内空气品质的总体状况，而且从这些肇项指标我们 无法比较不同车厢内空气品质的优劣情况。因此，我们尝试瞢用模糊数学的方法 对这一问题进行了详细研究，对问卷调查的结果进行模糊综合评价，得到较为满 意的结果。 江苏大学硕七学位论文 表3 一l 铁路空调客车车厢内空气品质调查表 l 、您所乘坐的车厢：硬座( )硬卧( )软卧( ) 2 、您所乘坐的车厢内乘客：较少( )满员( )超员( ) 3 、请在下列症状中用圆圈表示适当的感觉程度。 头晕 头痛 恶心，作呕 疲倦，无力 胸闷，烦躁 没有感受到 l2 12 12 l 2 12 3 4 三类车厢调查结果的数据统计 非常严重 4 4 4 4 4 2 0 0 5 年3 月底及4 月初，笔者对铁路空调客车车厢内空气品质进行了问卷调查。 这次调查包括对三类车厢( 硬座车厢，硬卧车厢以及软卧车厢) 内的乘客和列车 乘务员进行问卷调查。 这次调查总共发放问卷2 7 0 份，回收2 0 7 份，其中硬座车厢发放2 0 0 份，回收1 5 3 份：硬卧车厢发放j o 份，回收3 8 份；软卧车厢发放2 0 份，回收1 6 份。依据反馈回 来的问卷调查表，统计得到各个车厢各种空调病状总的得分情况，如表3 2 所示。 表3 - 2 问卷调查统计数据 问卷调查表问卷调查表 车厢类别头晕头痛恶心疲倦胸闷 发放数( 份)回收数( 份) 硬座车厢 2 0 01 5 36 3 05 8 96 0 46 3 76 5 3 硬卧车厢5 03 8 8 l8 7 9 2 1 1 31 0 6 软卧车厢2 01 62 62 22 83 5 3 3 厂二二一： 3 5 车厢内空气品质的模糊评价 文 的不同对象做出符合人 体大脑思维的一种比较判断方法。具体地讲，就是利用模糊数学的处理方法，综 合考虑影响对象总体性能的各个指标，通过引入隶属函数同时考虑备指标在影响 对象中的重要程度，经过模糊变换得到每一个被评价对象的综合优劣度“。 l 、模糊综合评价模型 根据模糊数学理论。“，并参照问卷调查的统计结果，我们选取车厢内常见的 五种空调病状作为评价车厢内空气品质的因素集，即评价因素论域u = ( i i i ，啦，曲， u 4 ，弛) ，其中坼( 产l 5 ) 分别表示头晕、头痛、恶心、疲倦、胸闷。我们将车厢 内空气品质的优劣程度划分为3 个级别，则结论集设定为矿= n ，虼，b ) ，其中 n 表示车厢内空气品质良好；虼表示车厢内空气品质中等；表示车厢内空气品 质差。由于因系集u 中各个因素在综合评价中的作用不同，因此根据因素集u 将 权重集表示为a = ( a ，占，a ，a 。，a ；) ，其中a ，为头晕的重要性系数，a 。为 头痛的重要性系数，a ，为恶心的重要性系数，a 。为疲倦的重要性系数，a ；为胸刚 5 的重要性系数( 满足条件y a t = 1 ) 。 j = t 2 、权重集的确定 因素论域中的各个单项指标在对车厢内空气品质的评价中的地位和作用并不 相同，要给出相应的权重系数( 即重要性系数) ，因此在对各因素进行模糊综合 评判时，权重集a 确定的恰当与否，直接影响到综合评价的结果。a 值的确定方 法有多种。在实际应用中，常见的方法有德尔斐( d e l p h i ) 法、专家调查法、层次分 析法1 。在这里，笔者选择第二种方法( 即专家调查法) 进行权重系数的确定。 专家调查法是选择一些较长期生活、工作在待评价空气品质环境中，经验、 知识丰富的专家，对列入调查内容的主观感觉和主观评价指标在总评价中的作用 和地位，直接进行群体排序或打分。 1 9 9 0 年，有学耆对我国地下空间的空气环境就【6 个项目用打分法向3 0 名号 家进行调查，打分法足将这1 6 项评价因素在总评中的作用分别打出0 - 1 0 0 分”。作 者参照专家对1 6 种空渊病状的打分情况，并结合宅调列车这个特定场所进行适当 江苏大学硕七学位论文 的修正，得到评价因素集中各个因素的得分情况，如表3 3 所示。 表3 - 3 不同因素的打分情况 项目得分情况项目 得分情况 头晕 1 3 5 8 疲倦 1 2 8 6 头痛1 2 9 5胸闷1 6 9 3 恶心 1 5 7 4 则权重系数由文献 2 1 可得： a a ， 8 ，2 l 锄 3 - 1 式中：8 ，为第拜十感官评价因素的权，爿n ，为该项打分的和，月为感官评价调整 系数，一般取a 等于1 。 根掘打分法得到各项权重系数为：a ，= 0 1 8 8 5 ，a ，= o 1 7 9 7 a ，= o 2 1 8 4 ， a 。- - - - 0 1 7 8 5 ，a 5 = 0 2 3 4 9 。 3 、隶属函数的确定 隶属函数的确定，应该是反映出客观模糊现象的具体特点，要符合客观舰律。 但是，一方面由于模糊现象本身存在着差异，而另一方面，由于每个人在专家知 识、实践经验、判断能力等方面各有所长，即使对于同一模糊概念的认定和理解， 也会有差别性。因此，隶属函数的确定又是带有一定的主观性，仅多少而异。正 因为概念上的模糊性，对于同一个模糊概念，不同的人会使用不同的确定隶属函 数的方法，建立不完全相同的隶属函数，但所得到的处理模糊信息问题的本质结 果应该是相同的。 目前确定隶属函数的方法尚处于研究阶段，远没有达到象确定概率分和那样 成熟的手段。一般而言，确定隶属函数的途径有三种：第一种，根掘主观认识或 个人经验，给出隶属度的具体数值；第二种，根掘问题的眭质，选用某些典型函 数作为隶属函数：第三种。以调查统计结果得出的经验曲线作为隶属函数“。 在这咀，笔者采用第二种途径束确定隶属函数，即借助常见模瑚分铂束确定 1 4 江苏大学硕十学位论文 隶属函数。由独立同分向情况下的中心极限定理可知，对于常见的数理统计量均 具有渐进正态性，根据参考文献 2 2 中具体的函数图象及其表达式，我们确定因 素集中血种常见空调病状程度相对于车厢内空气品质评价级别( 良好、中等、差) 的隶属函数，所选隶属函数分布形式分别为降半正念分靠、中间型正态分却以及 升半正叁分布，分别如式3 - 2 、3 - 3 、3 - 4 所示。 r 10 j 1 f 。 p ，。州i 1 ) 2l z s4 3 2 j1 - e - o 3 ( r1 j 2 ( 秽= p o h j 2 一e 0 6 0 ) ( 1 72 x s 4 3 3 l e o 哪2 p 4 加热器电压：5 o 0 2 眦： 加热器电流：2 5 0 , m ； 加热器功耗：1 2 j 氍 内部热敏电阻( 补偿用) ：l o o k q 5 ； 使用温度：一1 0 + 5 0 ： 使用湿度：5 9 5 s r t l ； 产品尺寸：最大外径巾2 4 脚，高2 4 栅，引脚长5 8 m n 。 5 、触摸屏 触摸屏是一种微型可编程终端，采用全中文液晶触摸屏( 带背景灯) ，具有字 符类型和图象类型显示，由通讯接口和p l c 的外设接口进行通讯。主要功能是现 场参数设定、空调机组运行等功能单元工况的操作，实时显示各功能单元的运行 状态、主要参数及故障现象，并能记录一定时日j 内的运行参数。 本系统采用r 本欧姆龙( o m r o n ) 公司生产的n t 3 1 - s t l 2 1 - e v 2 型触摸屏。 该触摸屏规格为： 字符、图象类型显示：2 0 1 5 个汉字： 液晶显示器规格：3 2 0 2 4 0 点： 江苏大学硕士学位论文 有效显示面积： 1 2 2 9 2 m 2 。 6 3 系统控制原理 1 、车厢内温度控制原理 利用温度控制器设定车厢内部的温度范围( 低温1 和高温2 ) ，将温度控制器低 于低温l 和超过高温2 的输出触点动作信号送j n p l c 控制器中，按照夏季或者冬季温 度要求，控制器经逻辑处理输出指令，控制压缩机( 或电加热器) 单机或者双机 歼、停，从而使温度保持在规定范围内。 夏季车厢内温度控制流程如图6 6 所示。 冬季车厢内温度控制流程如图6 - 7 所示。 图6 6 夏季乍厢内温度控制流拌图 4 1 江苏大学硕士学位论文 图6 6 冬季车厢内温度控制流程图 2 、新风量控制原理 新风量的控制跟据车厢内二氧化碳浓度来控制。利用二氧化碳传感器得到车 厢内的二氧化碳浓度值，将其与设定浓度( 1 5 0 0 p p m ) 进行比较，当二氧化碳浓度 值小于设定值时，新风阀歼度维持在原来的开度( 3 3 3 ) ；当二氧化碳浓度值大 于设定值时，通过p i d 算法得到一个新风阀开度增量，加大新风阀的开度，增加入 室新风量，稀释车厢内的污浊空气，使车厢内的二氧化碳浓度降低，最终将车厢 内的二氧化碳浓度控制在设定浓度以下。 在本系统中，为了简化设计，新风风机分高、低速两挡，低速挡运行时产生 的新风量为2 0 0 0 m 锄，高速挡运行时产生的新风量奠j 3 0 0 0 m 。当二氧化碳传感器 检测到的二氧化碳浓度小于1 5 0 0 p p m 时，新风风机低速挡运行：当二氧化碳浓度大 于1 5 0 0 p p m 时，新风风机高速挡运行，增大新风的供给，直到车厢内的二氧化碳浓 度控制在设定浓度以下。 新风量控制流程如图6 8 所示。 图6 吨新风量控制流程图 图6 9 冬季车厢内湿度控制方框图 3 、车厢内湿度控制原理 我国铁路客车空调装置在夏季对空气的处理采用减湿冷却过程，经过十几年 的实践表明，夏季车厢内的相对湿度均不大于7 0 ，能满足要求。 在冬季，外气温度较低，即使是在外界空气相对湿度比较高的情况下，其含 湿量也是低的，经加热后送入车厢内的空气，有可能使车厢内的相对湿度不能满 足舒适性的要求，需要对空气进行加湿处理。本系统根据回风湿度传感器信号， 若相对湿度小于3 0 ，则电极式加湿器工作，对循环空气进行加湿处理，保证回风 湿度在规定的范围内。 冬季车厢内湿度控制如图6 - 9 所示。 6 4 实验系统软件设计 实验系统软件设汁主要是p l c 控制梯形图，按照6 2 控制原理设计，具体内容 由于篇幅所限略。 6 5 实验系统运行效果 本系统在上海铁路局杭州车辆段的客车技术整备站进行了二氧化碳浓度控 制、温度控制及湿度控制试验，取得了较好的控制效果，满足设计要求。 4 3 江苏大学硕七学位论文 进行实验时，实验气体在混合箱中混合后释放到送风管内，随空气送入车厢 内，保证了空间浓度的均匀性。待车厢内二氧化碳浓度达到一定数值且稳定后， 启动控制系统，计算机自动记录调节过程。部分实验结果见图6 一l o 。 1 8 0 0 一1 7 0 0 a a 越1 6 0 0 蛏 篓1 5 0 0 腼 11 1 4 0 0 1 3 0 0 0 5 1 0 1 52 02 5 3 03 54 0 时间钿i n ) 图6 1 0 二氧化碳初始浓度高于设定值时的实验结果 从图6 1 0 可以看出，当二氧化碳仞始浓度高于设定值时，系统自动调整新风 风机至高速挡，增加新风量，降低车厢内二氧化碳浓度，使= 氧化碳浓度满足控 制要求。 本章小结 本章设计了铁路空调客车空气品质控制实验系统，通过在车厢内安装二氧化 碳传感器，计算出与设定二氧化碳浓度的偏差，并将这些信息持续反馈给p l c ，实 现新风量的需求控制，为研制铁路空调客车空气品质控制系统，改善车厢内空气 品质提供参考依据。 江苏大学硕士学位论文 第七章结论与展望 7 1 结论 鉴于铁路空调客车车厢内空气品质的现状和存在的问题，本文系统地分析了 车厢内存在的主要污染物和污染源，并进行了铁路空调客车空气品质的模糊评价； 分析了满足铁路空调客车空气质量要求的通风量计算，并提出了根据车厢内二氧 化碳的浓度进行控制和仿真：设计了铁路空调客车空气品质控制实验系统。具体 结论如下： ( 1 ) 铁路空调客车车厢内污染有影响范围大、污染物种类多、污染物浓度低、 健康危害不清、接触时问长等特点，根据分析主要污染物有：二氧化碳、一氧化 碳、香烟烟雾、挥发性有机化合物、空气微生物、臭气等，这些污染物共同作用， 交叉污染，严重影响了车厢内空气品质。 ( 2 ) 本文通过对铁路空调客车车厢内空气品质的实地调查，发现车厢内旅客 容易出现的空调病状主要有五种，分别是：头晕，头痛、恶心、疲倦、胸| = i = j 。在 主观评价的数据处理过程中采用模糊数学理论的方法，综合考虑体现空气品质优 劣的各个指标( 五种空调病状) ，通过引入隶属函数，同时考虑各指标影响对象的 重要程度，对车厢内空气品质进行了模糊综合评价，并得出结论：硬座车厢的空 气品质等级为差，硬卧车厢的空气品质等级为中等，软卧车厢的空气品质等级为 良好。 ( 3 ) 由于车厢内新风量不够，导致二氧化碳浓度和其他有害气体的浓度偏高 而引起旅客胸闷和头晕等症状，说明新风对于改善铁路空调客车的空气品质起关 键作用。为了更好地满足旅客的舒适要求，必须针对客车的运行特点确定空调系 统的新风量，为合理控制新风量提供了参考依据，以期从根本上提高车厢内的空 气品质。 ( 4 ) 通过二氧化碳浓度控制系统建立数学模型，对车厢内二氧化碳浓度进行 了仿真控制，使所提供的新风量既能满足空气品质的要求，又能符合节能的需要。 从仿真曲线来看，该控制系统稳定性强，由于采用- p i d 控制，消除了静差，因此 江苏大学硕士学位论文 整个系统满足使用要求。 ( 5 ) 本文设计了铁路空调客车空气品质控制实验系统，并在上海铁路局杭州 车