CN111284514B

CN111284514B - 一种轨道交通空调送风组件及制冷/热方法

Info

Publication number: CN111284514B
Application number: CN202010129324.0A
Authority: CN
Inventors: 张辉; 李倬云; 施严哲; 李家兴
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: CN111284514A

Abstract

本发明公开了一种轨道交通空调送风组件及制冷/热方法，属于轨道交通领域。该组件包括进风口，风机，空调送风管道，出风口，风量调节阀，气压传感器和气压缓冲器。首先根据交通车辆各车厢内实时图像信息，获取乘客特征信息。然后针对不同的车型和乘客分布模型，通过CAE仿真获取各风量调节阀下方所需风量，计算风机的转速。根据各风量调节阀下温度场制冷/热所需的热量，计算各风量调节阀的通气面积，找到各风量调节阀对应的开度角。风机按照所有不同出风口所需的总风量确定转速；同时气压传感器实时监测风道内气压波动，由气压缓冲器进行缓冲，避免产生较大的气压波动。本发明使各出风口风量不同，提升乘客舒适度，避免不必要的电力消耗。

Description

一种轨道交通空调送风组件及制冷/热方法

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，具体是一种轨道交通空调送风组件及制冷/热方法。

背景技术

空调系统是公共轨道交通工具中不可或缺的一部分，在行驶过程中车厢较长时间保持相对密闭，由于乘客散发的热量、气体的交换以及多种因素共同作用，导致车厢中空气质量较差，为了改变室内温度，让乘客体感舒适和呼吸正常，需要安装空调系统进行调节。

现空调系统主要由空调机组、送风道和回风道等结构组成，空气经过空调机组处理后由送风道送至各车厢的出风口并排入车厢内部，所有出风口统一控制且风量及温度相对恒定。原理是根据车内温度变化启停压缩机，在新风口处和回风口处设置温度传感器，当温度低于设定值时，压缩机停止工作，当高于设定值，压缩机又重新启动。由于压缩机启动时启动电流为工作电流的数倍，并且要不断克服转子从静止到额定转速变化过程中的巨大转动惯量，尤其是带着负荷启动时，启动力矩要高出运行力矩许多倍，其结果不仅要额外耗费电能，而且会加剧压缩机运动部件的磨损。

另一方面，这种控制方法还不能根据车厢内人数、乘客分布、乘客性别和年龄等因素局部调节温度来满足不同需求，不具有满意的舒适度。

对于上述问题，在车厢内不同区域实现针对性送风成为有效解决方案。

发明内容

本发明针对上述问题，研究了一种基于图像识别及单片机控制的新型空调送风组件，提出了一种轨道交通空调送风组件及制冷/热方法，针对轨道交通上人群分布密度的不同分别送不同风量，从而达到节能目的。

所述的轨道交通空调送风组件包括：进风口，风机，空调送风管道，出风口，风量调节阀，气压传感器和气压缓冲器；

空调送风管道中安装有一个气压传感器，用于测量空调送风管道内的瞬时气压；同时空调送风管道连接多组独立出风口，出风口安装在每一排座位的左右侧上方各一个，每个出风口处分别安装一个风量调节阀，实现区域性、针对性送风；

风机将进风口的风吹入空调送风管道，根据每个风量调节阀所涵盖的区域中人群分布密度不同，分别计算各风量调节阀所需的风量，从而调节风机的总风量，对人群分布密集区域通过增大风量调节阀的开度角加大送风量，对人群分布稀疏区域通过减小风量调节阀的开度角而减小风量；并通过气压传感器实时测量送风管道内的瞬时气压，观测其气压波动状态。同时，在每节车厢的送风管道内分别安装一个气压缓冲器，为了防止当送风管道内压力的频繁变化导致气压波动剧烈时，风量调节阀产生噪音或疲劳破坏。

进一步风量调节阀分为单叶阀门和多叶阀门等多种型式。

多叶阀门按构造型式分有平行式、对开式及轻型对开式。

进一步在空调进风口和出风口处分别安装温度传感器；

所述的轨道交通空调制冷/热方法，具体步骤如下：

步骤一、针对某交通车辆，各车厢内的监控摄像头实时采集图像信息，实时获取各风量调节阀下方的乘客特征信息；

乘客特征信息包括：乘客数量和乘客分布。

步骤二、针对不同的车型和乘客分布模型，通过CAE仿真获取各风量调节阀下方所需风量；

具体过程为：首先，根据各风量调节阀下的乘客特征信息，利用每个乘客的平均体表散热量与乘客的数量得到该风量调节阀下所有乘客特征对应的温度场制冷/热所需的热量；

每个风量调节阀的通风量应该是大于等于温度场制冷/热所需的热量。

步骤三、根据各风量调节阀对应的风量，计算风机的转速；

计算公式如下：

v为风机产生的空气流速，根据风机型号不同，查找对应相应的风机转速；Q为风机供给风量，即所有风量调节阀的风量之和；A为空调送风管道的截面积；

步骤四、根据CAE仿真获取各风量调节阀下温度场制冷/热所需的热量，计算各风量调节阀的通气面积；

计算公式如下：

s为各风量调节阀的通气面积，t为各车厢所需的目标温度，t₀为各车厢的环境原温度，c为原温度t₀下的空气比热容，ρ为原温度t₀下的空气密度，Δq为目标温度场与原温度场在各风量调节阀作用范围内的热量差；

步骤五、根据各风量调节阀的通气面积s，对应各风量调节阀的型号，查表找到各风量调节阀对应的开度角。

步骤六、单片机控制好各风量调节阀的开度角，风机按照转速v给交通车辆不同出风口送不同的风量；同时气压传感器实时监测风道内气压波动，由气压缓冲器进行缓冲，避免产生较大的气压波动。

当列车经过隧道时，车厢外部压力突变，引起进风口压力变化，也会产生压力波。基于气压传感器测量出的数据对风机转速进行负反馈调节，直至风道内与大气压差基本稳定。

本发明的优点在于：

1、一种轨道交通空调送风组件及制冷/热方法，针对不同人数分布进行区域性地调整空调送风量，致使各出风口风量不同，提升乘客舒适度。

2、一种轨道交通空调送风组件及制冷/热方法，通过计算出管道内所需总风量，将控制信号提交给单片机，实现对风机的变频控制，配合压缩机变频，避免了不必要的电力消耗，达到了节能减排的目的。

附图说明

图1是本发明轨道交通空调送风组件的结构示意图。

图2是本发明一种轨道交通空调制冷/热方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明能够更加清楚地理解其技术原理，下面结合附图具体、详细地阐述本发明实施例。

本发明主要应用于轨道交通，基于乘客分布不均，需要针对性送风的高速铁路列车智能空调系统中；针对现有轨道交通系统出风口统一控制且风量及温度等参数相对恒定，无法进行针对性调节，在列车空载及低上座率的情况下造成能源浪费同时影响乘车人员的乘车舒适度的问题，本发明提供了一种新型智能空调系统，设计和布置了出风阀口，配合风机和压缩机等功率变化进行保证乘客舒适度的条件下节能。

所述的轨道交通空调送风组件，如图1所示，包括：进风口，风机，空调送风管道，出风口，风量调节阀，气压传感器和气压缓冲器；

风机将进风口的风经过空调机组处理后吹入空调送风管道，空调送风管道包括多组独立出风口，取代了传统在车厢顶部中间安装送风道的结构，改成在每一排座位左、右侧上方各有一个出风口，每个出风口在散流器之前各安装一个风量调节阀，实现区域性、针对性送风；根据每个风量调节阀所涵盖的区域中人群分布密度不同，分别计算各风量调节阀所需的风量，从而调节风机的总风量，对人群分布密集区域通过增大风量调节阀的开度角加大送风量，对人群分布稀疏区域通过减小风量调节阀的开度角而减小风量；由于在人数分布非常稀疏之处减少了送风量，总的来看，风机转速降低，具有一定的节能效果。

但是，根据人数的不均分布要给定不同的风量，风量的大小通过风量调节阀和风机的频繁调节产生，这将引起送风管道内压力的频繁变化，不稳定，使得风阀产生较大噪声并产生疲劳损坏。为之采用气压缓冲装置进行缓冲。当列车经过隧道等情况下，外界气压产生急促的变化时，会使进风口压力骤然变化。为了防止风道内压力骤然变化，需要进行负反馈调节，即在空调送风管道中主风道中安装有一个气压传感器，用于测量空调送风管道内的瞬时气压，观测其气压波动状态。使之与预期气压对比，当瞬时压力偏高，略微降低风机转速频率和风量调节阀的开度；当瞬时压力偏低，略微提高风机转速频率和风量调节阀的开度，从而实现系统的稳定和相关参数计算的准确。

风量调节阀(简称风阀)可分为单叶阀门、多叶阀门等多种型式。多叶阀门按构造型式分有平行式、对开式及轻型对开式。平行多叶阀门和对开多叶风量阀门的阻力特性和流量特性都比较好，单叶风量调节阀的特性最差。再生噪声方面，阀的开度和流量都有影响，风阀的再生噪音也随开度的减小和风量的增大而增加；经过调查，相同开度下，单叶阀的再生噪声数值最高。

进一步在空调进风口和出风口处分别安装温度传感器；

所述的轨道交通空调制冷/热方法，如图2所示，具体步骤如下：

步骤一、针对某交通车辆，各车厢内的监控摄像头实时采集图像信息，通过图像处理技术实时获取各风量调节阀下方的乘客特征信息；

乘客特征信息包括：乘客数量、乘客分布、性别和年龄等。

步骤三、根据各风量调节阀对应的风量，计算风机的转速；

计算公式如下：

计算公式如下：

s为各风量调节阀的通气面积，t为各车厢所需的目标温度，t₀为各车厢的环境原温度，c为原温度t₀下的空气比热容，ρ为原温度t₀下的空气密度，ρ由pM＝ρRt₀计算，其中M为空气平均摩尔质量，R为气体常数，p为气压传感器测得的环境气压。Δq为目标温度场与原温度场在各风量调节阀作用范围内的热量差；

数据处理后由单片机控制风机变频；通过分布在空调进出风口、冷凝器、蒸发器等地方的温度传感器，通过负反馈调节，改变压缩机功率，保持温度为设定值。

通过分布在空调进出风口、冷凝器、蒸发器等地方的温度传感器实时采集数据，若输入车厢的空气温度产生较大变化，将及时采用压缩机变频技术调节输入的空气温度，保证本方法控制风温不变，调节风量的有效性。

当系统运行时，温度传感器会对环境温度进行检测，检查各车厢的温度真实值是否达到预期目标，当温度低于预期波动范围，通过减小风量调节阀的开度或者减小风机转速进行补偿，确保达到预期温度。

当温度高于预期波动范围，通过增大风量调节阀的开度或者增大风机的转速进行补偿，确保达到预期温度。

本发明的空调送风管道中每个出风口下各安装一组风阀，根据车厢内安装的摄像头采集信息：人数分布、附近乘客性别和年龄等，进行图像识别处理后与CAE仿真得到预期温度匹配，再发送给单片机的信号实现不同开度，形成不同出风口不同风量，达到使乘客舒适度提升的目的。同时，计算机计算出管道内所需总风量，将信号提交给单片机，实现对风机的变频控制，避免了不必要的电力消耗，达到了节能的目的。在风道内安装气压传感器和气压缓冲器，当风阀和风机频繁调节引起压力波动，产生计算的较大误差，或进风口处气压变化较大时，进行负反溃调节，控制风机频率，实现系统的稳定和准确。

Claims

1.一种轨道交通空调送风组件，其特征在于，包括：进风口，风机，空调送风管道，出风口，风量调节阀，气压传感器和气压缓冲器；

具体为：

首先利用交通车辆各车厢内的摄像头实时采集图像，获取各风量调节阀下方的乘客数量和乘客分布情况；然后，利用每个乘客的平均体表散热量与乘客数量得到该风量调节阀下所有乘客特征对应的温度场制冷/热所需的热量；从而根据该风量调节阀下所有乘客特征对应的温度场制冷/热所需的热量计算各风量调节阀的通气面积；

利用各风量调节阀的通气面积，对应各风量调节阀的型号，查表找到各风量调节阀对应的开度角；单片机控制好各风量调节阀的开度角，风机给不同出风口送不同的风量；

风机将进风口的风吹入空调送风管道，根据每个风量调节阀所涵盖的区域中人群分布密度不同，分别计算各风量调节阀所需的风量，从而调节风机的总风量，对人群分布密集区域通过增大风量调节阀的开度角加大送风量，对人群分布稀疏区域通过减小风量调节阀的开度角而减小风量；

并通过气压传感器实时测量送风管道内的瞬时气压，观测其气压波动状态；同时，在每节车厢的送风管道内分别安装一个气压缓冲器，为了防止当送风管道内压力的频繁变化导致气压波动剧烈时，风量调节阀产生噪音或疲劳破坏；

具体为：当列车经过隧道时，车厢外部压力突变，引起进风口压力变化，会产生压力波；基于气压传感器测量出的数据，单片机控制风机变频进行负反馈调节，改变压缩机功率，直至风道内与大气压差基本稳定。

2.基于权利要求1所述的一种轨道交通空调送风组件，其特征在于，所述的风量调节阀分为单叶阀门和多叶阀门；多叶阀门按构造型式分有平行式、对开式及轻型对开式。

3.基于权利要求1所述的一种轨道交通空调送风组件，其特征在于，所述的进风口和出风口处分别安装温度传感器。

4.基于权利要求1所述的一种轨道交通空调送风组件的轨道交通空调制冷/热方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、针对某一个交通车辆，各车厢内的监控摄像头实时采集图像信息，实时获取各风量调节阀下方的乘客特征信息；

乘客特征信息包括：乘客数量和乘客分布；

具体过程为：

首先，根据各风量调节阀下的乘客特征信息，利用每个乘客的平均体表散热量与乘客数量得到该风量调节阀下所有乘客特征对应的温度场制冷/热所需的热量；

每个风量调节阀的通风量应该是大于或等于温度场制冷/热所需的热量；

步骤三、根据各风量调节阀对应的风量，计算风机的转速；

计算公式如下：

计算公式如下：

步骤五、根据各风量调节阀的通气面积s，对应各风量调节阀的型号，查表找到各风量调节阀对应的开度角；

步骤六、单片机控制好各风量调节阀的开度角，风机按照转速v给交通车辆不同出风口送不同的风量；同时气压传感器实时监测风道内气压波动，由气压缓冲器进行缓冲，避免产生气压波动剧烈；

当列车经过隧道时，车厢外部压力突变，引起进风口压力变化，也会产生压力波；基于气压传感器测量出的数据对风机转速进行负反馈调节，直至风道内与大气压差基本稳定。