CN106969450B - 地铁环境控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

地铁环境控制系统，其特征在于：该系统至少包括蓄冷模块(1)和地铁列车空调系统，其中：蓄冷模块(1)内部储存蓄冷工质，在地铁列车(8)的运行过程中，蓄冷模块(1)作为地铁列车空调系统的冷源、通过地铁列车空调系统释放冷量；通过蓄冷系统与地铁列车结合的技术方案，减少或抵消地铁列车运行过程中的热量排放，从而可以简化或取消车站轨行区排热系统、降低能耗、有利于地铁系统的长期运行。

Description

地铁环境控制系统和方法

技术领域

本发明涉及一种地铁环境控制系统和方法，具体涉及一种通过蓄冷系统与地铁列车结合的技术方案，减少或抵消地铁列车运行过程中的热量排放，从而可以简化或取消车站轨行区排热系统、降低能耗、有利于地铁系统的长期运行，属于地铁环境控制系统的设计和制造的技术领域。

背景技术

现有地铁环境控制系统中，为解决地铁轨行区发热问题设置车站轨行区排热系统。其目的是在列车停站时及时排出列车空调冷凝器和刹车的局部散热，保证列车顶部的空调冷凝器的正常运行和热量不堆积在列车底部的轨行区，具体分为轨顶排热系统和轨底排热系统。

轨顶排热系统，是为了保障列车空调冷凝器的正常运行，其问题在于：

首先，由于受到地铁空间环境的局限，地铁列车空调的能效比与普通空调相比偏低（COP约为2），因此地铁列车空调的能耗较高；

然后，地铁列车空调在制冷的同时通过冷凝器向轨行区域排热，而这些热量需要通过地铁环境控制系统排出，否则长期累积会导致地铁运行环境的恶化；而排热系统的能耗也较高；

综合以上两点，地铁列车空调本身和配套的轨顶排热系统叠加之后的总能耗非常高，其中节能空间很大。

轨底排热系统，不仅能耗高、并且其实际使用效果已引发很多争议，亦有专家学者建议取消轨底排热系统（详见参考文件1）。但是取消轨底排热系统并不能彻底解决轨道发热的问题。

并且，轨顶排热系统和轨底排热系统都设置在地铁车站中，因此仍然很多热量会释放到地铁隧道中，长期累积导致地铁隧道温度逐年升高。

还有如参考文件2中所述的新环控系统：“空调季节可控风口关闭，系统按照传统屏蔽门系统运行，保持了屏蔽门系统空调季节的节能优势”；“采用新环控系统后，车站B空调季节空调能耗288938kW*h，相比于传统屏蔽门系统可减少了4.5％；非空调季节通风能耗26386kW*h，相比于传统屏蔽门系统可节省65.3％”。由此可见，由于地铁轨行区发热问题使得在空调季节中难以有效的利用地铁活塞风，从而导致空调季节与非空调季节的节能效果相差巨大。

参考文件：

1、地铁通风空调系统新观点：暖通空调2015年第45卷第7期 作者：朱建章 孙兆军；

2、地铁新环控系统可行性分析及性能优化：天津大学学报 第45卷第3期

2012年3月 作者：杨昭，马锋，贾士红，余龙清。

发明内容

为解决以上的技术问题，本发明的技术方案是将蓄冷模块设置在地铁列车中作为地铁列车空调系统的冷源，使得地铁列车空调系统运行时不再向地铁环境空间排热；并可以利用独立的蓄冷系统为蓄冷模块补充冷量。

该系统至少包括蓄冷模块和地铁列车空调系统，其中：

蓄冷模块内部储存蓄冷工质，在地铁列车的运行过程中，蓄冷模块作为地铁列车空调系统的冷源、通过地铁列车空调系统释放冷量；地铁列车空调系统具体为地铁列车内部空调系统和地铁列车外部空调系统的其中一种或两种的组合：

地铁列车内部空调系统中包括制冷工质、循环回路、制冷末端，通过循环回路连接蓄冷模块与制冷末端，由制冷工质从蓄冷模块中获得冷量并通过循环回路输送到制冷末端释放冷量（降低地铁列车车厢内的环境温度）；

地铁列车外部空调系统中包括制冷工质、循环回路、外部换热器，外部换热器设置在地铁列车车厢外部；通过循环回路连接蓄冷模块与外部换热器，由制冷工质从蓄冷模块中获得冷量并通过循环回路输送到外部换热器释放冷量（降低地铁列车外部的环境温度）。

进一步的，该系统还包括蓄冷系统，蓄冷系统设置在地铁列车运行线路之中（通常可以设置在起点站、终点站或者中转站的内部或附近）；蓄冷系统中包含蓄冷工质，蓄冷系统运行制冷模式并通过蓄冷工质储存冷量；蓄冷系统可以与蓄冷模块相连接并对蓄冷模块中的蓄冷工质进行补充或替换。

蓄冷模块具体可以是移动式蓄冷模块或固定式蓄冷模块，具体运行方法是：

第一，蓄冷模块为移动式蓄冷模块，即将蓄冷模块分为线上蓄冷模块和线下蓄冷模块；线上蓄冷模块和线下蓄冷模块之间可以进行相互切换；

线上蓄冷模块设置在地铁列车之中、与地铁列车空调系统相连接，在地铁列车的运行过程中、以蓄冷工质为冷源释放冷量；线下蓄冷模块设置在蓄冷系统之中，由蓄冷系统为线下蓄冷模块中的蓄冷工质补充冷量；

当地铁列车停靠在蓄冷系统所在地附近时，将已释放冷量的线上蓄冷模块从地铁列车中卸下，再将已储存冷量的线下蓄冷模块装载到地铁列车中；从而实现线上蓄冷模块和线下蓄冷模块之间的相互切换、交替使用；

第二，蓄冷模块为固定式蓄冷模块，蓄冷模块固定安装在地铁列车中、与地铁列车空调系统相连接；蓄冷系统和蓄冷模块中包含可以相互连接的连接接头；

当地铁列车停靠在蓄冷系统所在地附近时，使用连接接头将蓄冷系统与蓄冷模块连通；将已释放冷量的蓄冷工质从蓄冷模块中卸载、同时将已储存冷量的蓄冷工质加载到蓄冷模块中，完成之后将连接接头断开。

其中，在地铁列车空调系统中，蓄冷工质与制冷工质的热交换可以通过直接混合换热或通过换热器换热来实现。

蓄冷工质宜采用储能密度较高的介质，以降低车载蓄冷模块的体积和重量。例如以冰浆、即冰水混合物作为蓄冷工质；采用水作为制冷工质；制冷工质（水）循环运行时与蓄冷模块中的蓄冷工质（冰浆）混合、实现热交换过程。这样的直接混合换热的效率较高、结构简单，但直接混合换热通常限于蓄冷工质与制冷工质为同一种物质时采用。

另外，当地铁列车需要供热时（例如严寒地区冬季中，地铁列车车厢内有供热需求、地铁列车外部也可能有防止局部环境温度过低的需求），本发明的蓄冷系统可以部分或全部转换为蓄热系统，相应的将部分或全部的蓄冷模块替换为蓄热模块，并在地铁列车运行过程中通过地铁列车空调系统输出热量。

本发明的有益效果是：

1、采用蓄冷模块，储存冷量的过程在外部完成、不影响地铁的运行环境，并且蓄冷系统可以充分利用谷电时段蓄冷，降低运行费用；

2、地铁列车内部空调系统运行过程中不向地铁轨顶区域排热，因此可以取消轨顶排热系统；

3、地铁列车外部空调系统运行过程中不仅不向地铁轨行区域排热、还能够降低地铁轨底区域的温度，因此可以替代轨底排热系统；

4、不仅可以解决车站轨行区域的排热问题，更可以解决地铁隧道内热量累积的问题；

5、地铁列车的空调系统得以简化，维护、保养的成本更低；

6、采取本发明的方案后，地铁轨行区域不产生额外热量，即可在空调季节和非空调季节均能够充分利用地铁活塞风进行自然通风，使得车站环控系统的能耗大幅下降。

附图说明

附图1：现有的地铁列车空调系统结构示意图；

附图2：本发明的地铁列车空调系统结构示意图；

附图3：本发明的地铁列车外部换热器安装位置示意图；

附图4：本发明的车站轨行区通风装置运行示意图；

附图5：本发明的地铁列车外部换热器结构示意图；

附图6：采用移动式蓄冷模块的蓄冷系统的运行模式原理图；

附图7：采用固定式蓄冷模块的蓄冷系统的运行模式原理图；

其中：图1、2中的虚线框代表地铁列车车厢内外的分界；虚线箭头方向FA为向车厢外部排热的方向、FB为向车厢内部制冷的方向、FC为向车厢外部制冷的方向；

图3、4中8a为地铁车轮、8b为地铁轨道；

图4中虚线箭头方向为车站轨行区通风装置运行时形成的气流方向；

图5中实线箭头方向为地铁车列车运动的方向。

具体实施方式

实施例1：

现有的地铁列车空调系统通常设置在车厢顶部（如图1所示），包括冷凝器101、冷凝风机102、蒸发器103、送风机104、压缩机105、节流阀106，压缩机105→冷凝器102→节流阀106→蒸发器103形成制冷循环，其中冷凝器101与冷凝风机102配套使用、通过冷凝风机102向列车外部空间排热；蒸发器103与送风机104配套使用、通过送风机104向列车内部空间吹送冷空气。

本发明的地铁列车内部空调系统与现有的地铁列车空调系统相比，主要区别是本发明简化了空调主机的结构。首先取消了冷凝器101、冷凝风机102、压缩机105、节流阀106等部件、替换为车载蓄冷模块，并将蒸发器103改为换热器，由于蓄冷模块中需要储存一定数量的蓄冷工质以满足地铁列车在运行过程中的冷负荷需求，而简化主机结构后空余的空间即可用于安装蓄冷模块。

本发明的地铁列车外部空调系统则是现有技术中未公开的，因此在本实施例中对该部分内容做详细说明。

本实施例采用以换热器进行热交换的技术方案，如图2所示、具体结构如下：

包括车载蓄冷模块1a、内部换热器2、送风机3、外部换热器4、第一循环泵5a和第二循环泵5b，车载蓄冷模块1a中包括第一换热器6a和第二换热器6b；本本实施例中内部换热器2和外部换热器4为翅片式换热器，第一换热器6a和第二换热器6b为换热盘管。

地铁列车内部空调系统是由内部换热器2、第一循环泵5a和第一换热器5a通过管路连接并构成循环回路，制冷工质在其中循环，从车载蓄冷模块1a中吸取冷量再通过内部换热器2和送风机3释放冷量。

地铁列车外部空调系统是由外部换热器4、第二循环泵5b和第二换热器6b通过管路连接并构成循环回路，制冷工质在其中循环，从车载蓄冷模块1a中吸取冷量再通过外部换热器4释放冷量。

其中，外部换热器4设置于地铁列车8车身外侧面或车身底面上（如图3所示），主要用于抵消地铁列车8运行时与轨道摩擦所产生的热量；

进一步的，外部换热器4为翅片式换热器、包括换热管4a和换热翅片4b，由换热翅片4b所形成的气流通道方向与地铁列车8行驶方向相同或者其夹角α设定为±45°之内（如图5所示）。设计夹角α的目的是适当增大换热面积、增强换热效果，同时也不会过分增加地铁列车的运行阻力。在地铁列车8行驶过程中利用车身周围的空气流动实现热交换。

当地铁列车8停站时，强化外部换热器4换热能力的结构分为两种：

第一，在外部换热器4上设置换热器风机，在地铁列车8停站时启动换热器风机加强空气对流、从而强化换热；出于安全性和简化结构的考虑，可以不采用此结构而采用下面的第二种结构；

第二，在地铁列车8停站位置的车站轨行区9中设置车站轨行区通风装置7，在地铁列车8停站时启动车站轨行区通风装置7，加强地铁列车8所在车站轨行区9的空气循环、从而强化换热。

如图4所示，车站轨行区通风装置7至少包括风机7a，还包括进风口7b、风道7c、出风口7d，在地铁列车停站时启动风机7a，加强地铁列车8所在的车站轨行区9的局部空气循环、从而充分利用外部换热器4消除轨底发热。

图中虚线箭头方向即为车站轨行区通风装置7运行时形成的气流方向，也可以采用其他形式的通风装置在车站轨行区9中制造通风气流，气流方向并不仅限于图5中所描述的形式。

由于内部空调系统通常在夏季使用，而外部空调系统不仅可以在夏季使用也可以在春/秋过渡季节使用。因此外部空调系统拓展了蓄冷模块的应用范围和有效利用时长，使得系统的投资回收期更短。

实施例2：

本实施例中具体介绍本发明的蓄冷系统的设置及运行模式。

如图6所示，当采用移动式蓄冷模块时、蓄冷模块的替换过程时间较长，因此在地铁线路的起点站和终点站分别设置起点站蓄冷系统和终点站蓄冷系统。具体运行模式是：

起点站蓄冷系统和终点站蓄冷系统内分别存放线下蓄冷模块，并分别运行制冷模式对系统内的线下蓄冷模块补充冷量，通常利用夜间谷电时段运行；

当地铁列车到达起点站时，卸载已释放冷量的车载（线上）蓄冷模块并放入起点站蓄冷系统、再从起点站蓄冷系统取出已储存冷量的线下蓄冷模块并装载到地铁列车中，从而实现线上蓄冷模块与线下蓄冷模块的交替使用；

地铁列车正向运行，运行过程中沿途以车载（线上）蓄冷模块为冷源释放冷量；

当地铁列车到达终点站时，卸载已释放冷量的车载（线上）蓄冷模块并放入终点站蓄冷系统、再从终点站蓄冷系统取出已储存冷量的线下蓄冷模块并装载到地铁列车中，从而实现线上蓄冷模块与线下蓄冷模块的交替使用；

地铁列车反向运行，运行过程中沿途以车载蓄冷模块为冷源释放冷量；

然后，地铁列车到达起点站并依此过程往复运行，对于环线线路，起点站蓄冷系统与终点站蓄冷系统重合。

采用移动式蓄冷模块方案，优点是系统简单，缺点是更换过程时间较长；并且对于线路固定的地铁列车，无法保证更换蓄冷模块时其中的能量刚好被完全使用、因而利用效率受到影响。

如图7所示，当采用固定式蓄冷模块时、蓄冷模块的补充/替换的时间较短，因此在地铁线路的起点站、中转站和终点站分别设置起点站蓄冷系统、中转站蓄冷系统和终点站蓄冷系统。具体运行模式是：

起点站蓄冷系统、中转站蓄冷系统和终点站蓄冷系统内分别存放蓄冷工质，并分别运行制冷模式对系统内的蓄冷工质补充冷量，通常利用夜间谷电时段运行；

当地铁列车到达起点站时，使用连接接头将起点站蓄冷系统与车载蓄冷模块连通，补充或替换蓄冷工质，即将已释放冷量的蓄冷工质从车载蓄冷模块中取出并送入起点站蓄冷系统中，同时将起点站蓄冷系统中已储存冷量的蓄冷工质输入车载蓄冷模块；

地铁列车正向运行，运行过程中沿途以车载蓄冷模块为冷源释放冷量；

当地铁列车到达中转站时，使用连接接头将中转站蓄冷系统与车载蓄冷模块连通，补充或替换蓄冷工质，即将已释放冷量的蓄冷工质从车载蓄冷模块中取出并送入中转站蓄冷系统中，同时将中转站蓄冷系统中已储存冷量的蓄冷工质输入车载蓄冷模块；

地铁列车继续正向运行，运行过程中沿途以车载蓄冷模块为冷源释放冷量；

当地铁列车到达终点站时，使用连接接头将终点站蓄冷系统与车载蓄冷模块连通，补充或替换蓄冷工质，即将已释放冷量的蓄冷工质从车载蓄冷模块中取出并送入终点站蓄冷系统中，同时将终点站蓄冷系统中已储存冷量的蓄冷工质输入车载蓄冷模块；

地铁列车反向运行，运行过程中沿途以车载蓄冷模块为冷源释放冷量；

当地铁列车到达中转站时，使用连接接头将中转站蓄冷系统与车载蓄冷模块连通，补充或替换蓄冷工质，即将已释放冷量的蓄冷工质从车载蓄冷模块中取出并送入中转站蓄冷系统中，同时将中转站蓄冷系统中已储存冷量的蓄冷工质输入车载蓄冷模块；

地铁列车继续反向运行，运行过程中沿途以车载蓄冷模块为冷源释放冷量；

然后，地铁列车到达起点站并依此过程往复运行，对于环线线路，起点站蓄冷系统与终点站蓄冷系统重合。

进一步的，中转站蓄冷系统可以是一个或者多个、采用沿地铁线路均匀分布的原则，这样缩短了补充/替换蓄冷工质的时间间隔，因此车载蓄冷模块的体积和重量可以更小，但也对系统的可靠性提出了更高的要求。

可以采用自动化装置在地铁列车停站时完成蓄冷工质的补充或替换、即将能量补充的过程与列车停站上客/下客的时间结合起来。

采用固定式蓄冷模块方案，优点是效率高、速度快、适合自动化运行，但该方案对连接接头品质的要求较高、系统结构也相对复杂一些。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.地铁环境控制系统，其特征在于：该系统至少包括蓄冷模块(1)和地铁列车空调系统，其中：蓄冷模块(1)内部储存蓄冷工质，在地铁列车(8)的运行过程中，蓄冷模块(1)作为地铁列车空调系统的冷源、通过地铁列车空调系统释放冷量；地铁列车空调系统包括地铁列车内部空调系统和地铁列车外部空调系统：

地铁列车内部空调系统中包括制冷工质、循环回路、制冷末端，通过循环回路连接蓄冷模块(1)与制冷末端，由制冷工质从蓄冷模块(1)中获得冷量并通过循环回路输送到制冷末端释放冷量；

地铁列车外部空调系统中包括制冷工质、循环回路、外部换热器(4)，外部换热器(4)设置在地铁列车(8)的车厢外部；通过循环回路连接蓄冷模块(1)与外部换热器(4)，由制冷工质从蓄冷模块(1)中获得冷量并通过循环回路输送到外部换热器(4)释放冷量；

该系统还包括蓄冷系统，蓄冷系统设置在地铁列车运行线路之中，蓄冷系统中包含蓄冷工质，蓄冷系统运行制冷模式并通过蓄冷工质储存冷量；蓄冷系统可以与蓄冷模块(1)相连接并对蓄冷模块(1)中的蓄冷工质进行补充或替换；

当地铁列车(8)停站时，强化外部换热器(4)换热能力的结构分为两种：

第一，在外部换热器(4)上设置换热器风机，在地铁列车(8)停站时启动换热器风机加强空气对流、从而强化换热；

第二，在地铁列车(8)停站位置的车站轨行区(9)中设置车站轨行区通风装置(7)，在地铁列车(8)停站时启动车站轨行区通风装置(7)，加强地铁列车(8)所在车站轨行区(9)的空气循环、从而强化换热。

2.根据权利要求1所述的地铁环境控制系统，其特征在于：外部换热器(4)设置于地铁列车(8)车身外侧面或车身底面上。

3.根据权利要求1所述的地铁环境控制系统，其特征在于：外部换热器(4)为翅片式换热器、包括换热管(4a)和换热翅片(4b)，由换热翅片(4b)所形成的气流通道方向与地铁列车(8)行驶方向相同或者其夹角α设定为±45°之内。

4.根据权利要求1所述的地铁环境控制系统，其特征在于：当地铁列车需要供热时，蓄冷系统可以部分或全部转换为蓄热系统，相应的将部分或全部的蓄冷模块替换为蓄热模块，在地铁列车运行过程中通过地铁列车空调系统输出热量。

5.根据权利要求1所述的地铁环境控制系统的运行方法，其特征在于：该系统包括蓄冷系统、蓄冷模块和地铁列车空调系统，蓄冷模块具体可以是移动式蓄冷模块或固定式蓄冷模块，具体运行方法是：

第一，蓄冷模块为移动式蓄冷模块，即将蓄冷模块分为线上蓄冷模块和线下蓄冷模块；线上蓄冷模块和线下蓄冷模块之间可以进行相互切换；

线上蓄冷模块设置在地铁列车之中、与地铁列车空调系统相连接，在地铁列车的运行过程中、以蓄冷工质为冷源释放冷量；线下蓄冷模块设置在蓄冷系统之中，由蓄冷系统为线下蓄冷模块中的蓄冷工质补充冷量；

当地铁列车停靠在蓄冷系统所在地附近时，将已释放冷量的线上蓄冷模块从地铁列车中卸下，再将已储存冷量的线下蓄冷模块装载到地铁列车中；从而实现线上蓄冷模块和线下蓄冷模块之间的相互切换、交替使用；

第二，蓄冷模块为固定式蓄冷模块，蓄冷模块固定安装在地铁列车中、与地铁列车空调系统相连接；蓄冷系统和蓄冷模块中包含可以相互连接的连接接头；

当地铁列车停靠在蓄冷系统所在地附近时，使用连接接头将蓄冷系统与蓄冷模块连通；将已释放冷量的蓄冷工质从蓄冷模块中卸载、同时将已储存冷量的蓄冷工质加载到蓄冷模块中，完成之后将连接接头断开。