CN117048652A - 轨道车辆空调机组用co2消减系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了轨道车辆空调机组用CO2消减系统及其控制方法，涉及轨道车辆空气调节技术领域。其中，该轨道车辆空调机组用CO2消减系统，包括：空调机组送风口；CO2吸附单元，沿第一方向与所述空调机组送风口相连通；气流切换单元，沿所述第一方向与所述CO2吸附单元相连通；温度控制单元，设置于所述CO2吸附单元，且分别与所述CO2吸附单元和所述气流切换单元电连接；及气体浓度传感器，设置于所述气流切换单元，且靠近所述CO2吸附单元一侧。本发明，解决现有的轨道车辆空调能耗中新风负荷占比较大，新风量大的问题。
Description
技术领域
本公开涉及轨道车辆空气调节技术领域，尤其涉及一种轨道车辆空调机组用CO2消减系统及其控制方法。
背景技术
车辆人均新风量需求高，人均新风量主要是根据客室内CO2的允许浓度和人体的CO2排出量来决定的，在此背景下，如何通过消减车内CO2浓度从而降低人均新风量以达到降低空调系统的能耗将成为轨道空调的行业的研究方向之一。
目前轨道车辆空调新风负荷作为空调负荷的组成部分之一，一般占空调负荷的30％-60％，冬季甚至会超过60％，占比较高，因此，轨道车辆空调能耗中新风负荷占比较大，新风量大的问题。针对上述出现的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
现有技术中，申请号为201720223867.2涉及通过在中央空调进风侧风机盘管前安装采用了聚丙烯腈基活性炭纤维层的净化组件对室内二氧化碳进行净化；虽然提高了二氧化碳的物理吸附能力，但仍需定期对净化组件进行更换，造成了后勤负担。
申请号为202020328321.5涉及二氧化碳净化设备采用二氧化碳净化药包并配置相应的检测仪器，解决了现有技术中高速列车发生断电时，车厢内二氧化碳浓度急剧升高的技术问题，但二氧化碳净化药包仍需定期更换，同样造成很大的后勤负担。
发明内容
发明目的：提供一种轨道车辆空调机组用CO2消减系统及其控制方法，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：轨道车辆空调机组用CO2消减系统，包括：空调机组送风口；CO2吸附单元，沿第一方向与所述空调机组送风口相连通；气流切换单元，沿所述第一方向与所述CO2吸附单元相连通；温度控制单元，设置于所述CO2吸附单元，且分别与所述CO2吸附单元和所述气流切换单元电连接；及气体浓度传感器，设置于所述气流切换单元，且靠近所述CO2吸附单元一侧；当所述气体浓度传感器将检测到的CO2浓度值反馈至所述温度控制单元时，所述温度控制单元根据接收到的CO2浓度值发出控制信号控制所述CO2吸附单元和/或所述气流切换单元动作，以使CO2消除或减少。
作为优选，所述空调机组送风口的底部开设有若干个空调回气口，所述空调回气口与所述温度控制单元电连接。
作为优选，所述CO2吸附单元包括：与所述空调机组送风口相连的第一壳体，所述第一壳体内阵列设置有与进风方向相垂直的若干个散热基板，所述散热基板上设置有碳纤维加热丝管，所述碳纤维加热丝管与所述温度控制单元电连接。
作为优选，所述散热基板为镂空铝合金散热基板，所述镂空铝合金散热基板的厚度为2-8mm。
作为优选，所述碳纤维加热丝管的长度为5-10mm的中空纤维膜，其外径为1mm以下。
作为优选，所述气流切换单元包括：与所述CO2吸附单元相连的第二壳体，所述第二壳体底部设置有车内回气口，所述第二壳体远离所述CO2吸附单元一侧设置有车外排气口。
作为优选，所述车内回气口处设置有若干个第一多叶旋转结构，所述车外排气口处设置有若干个第二多叶旋转结构。
作为优选，所述第一多叶旋转结构和所述第二多叶旋转结构均包括：与所述第二壳体内壁相连的步进电机，所述步进电机与温度控制单元电连接，所述所述步进电机的输出端设置有旋转轴，所述旋转轴上设置有叶片，所述叶片边缘两侧分别设置有切角，所述切角的倾斜方向相一致。
作为优选，所述CO2吸附单元数量为至少两套。
为了实现上述目的，根据本申请的另一个方面，还提供了一种轨道车辆空调机组用CO2消减控制方法。
根据本申请的轨道车辆空调机组用CO2消减控制方法，包括以下步骤：
通过气体浓度传感器实时检测气流切换单元空间内的CO2浓度值；
温度控制单元根据气体浓度传感器反馈的CO2浓度值，并将该CO2浓度值与预设浓度阈值进行判断；
若CO2浓度值低于预设浓度阈值，则温度控制单元发出控制信号控制气流切换单元的车内回气口打开、气流切换单元的车外排气口关闭和空调回气口完全或部分关闭，CO2气体不断有序经过CO2吸附单元进行吸附以净化CO2气体，此时，CO2吸附单元处于未饱和吸附状态；
若CO2浓度值高于预设浓度阈值，则温度控制单元发出控制信号控制气流切换单元的车内回气口关闭、气流切换单元的车外排气口打开、空调回气口完全或部分打开和CO2吸附单元中的碳纤维加热丝管进行加热，通过加热将吸附材料中的CO2释放，并排出至车外，直至脱附后的CO2浓度低于预设阈值，此时，CO2吸附单元处于饱和脱附状态。
有益效果：在本申请实施例中，采用集成CO2吸附单元的方式，当所述气体浓度传感器将检测到的CO2浓度值反馈至所述温度控制单元时，所述温度控制单元根据接收到的CO2浓度值发出控制信号控制所述CO2吸附单元和/或所述气流切换单元动作，以使CO2消除或减少，达到了CO2吸附和脱附的目的，从而实现了自动调节CO2浓度的技术效果，进而解决了现有的轨道车辆空调能耗中新风负荷占比较大，新风量大的技术问题。
附图说明
图1是现有的轨道车辆空调机组用CO2消减系统立体结构示意图；
图2是本发明的轨道车辆空调机组用CO2消减系统内部立体结构示意图；
图3是本发明的轨道车辆空调机组用CO2消减系统的气流切换单元内部立体结构示意图；
图4是本发明的轨道车辆空调机组用CO2消减系统的多叶旋转结构局部立体示意图；
图5是本发明的轨道车辆空调机组用CO2消减系统的多叶旋转结构半开启局部平面示意图；
图6是本发明的轨道车辆空调机组用CO2消减系统的多叶旋转结构全开局部平面示意图；
图7是本发明的轨道车辆空调机组用CO2消减系统的多叶旋转结构的叶片平面示意图。
附图标记为：10、空调机组送风口；101、空调回气口；20、CO2吸附单元；201、第一壳体；202、散热基板；203、碳纤维加热丝管；30、气流切换单元；301、第二壳体；302、车内回气口；303、车外排气口；304、第一多叶旋转结构；305、第二多叶旋转结构；306、步进电机；307、旋转轴；308、叶片；309、切角；40、温度控制单元。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1-2所示，本申请涉及一种轨道车辆空调机组用CO2消减系统及其控制方法。该轨道车辆空调机组用CO2消减系统包括：空调机组送风口10；空调机组送风口10是用来将冷空气或温暖空气分发到室内的装置，能够实现良好的送风效果。
CO2吸附单元20，沿第一方向与所述空调机组送风口10相连通；能够实现良好的CO2吸附和脱附效果，从而实现良好气体净化效果。其中，第一方向是指进风方向；能够实现对气体良好的接收和净化效果。当然，可以通过增加CO2吸附单元20的路径距离，从而提高吸附的效果。
气流切换单元30，沿所述第一方向与所述CO2吸附单元20相连通；能够实现良好的气流切换效果，从而实现根据不同的工况情况进行选择相应的气流运行状态，进而实现良好气体流向控制效果。
温度控制单元40，设置于所述CO2吸附单元20，且分别与所述CO2吸附单元20和所述气流切换单元30电连接；通过设置有温度控制单元40，能够实现良好的温度控制效果，从而实现根据实际的使用状态控制其他部件动作的效果，进而实现多种功能的效果。
气体浓度传感器，设置于所述气流切换单元30，且靠近所述CO2吸附单元20一侧；能够实现良好的CO2浓度检测效果，从而能够获得实时的CO2浓度状态，进而为温度控制单元40的处理和控制提供准确的数据基础。
当所述气体浓度传感器将检测到的CO2浓度值反馈至所述温度控制单元40时，所述温度控制单元40根据接收到的CO2浓度值发出控制信号控制所述CO2吸附单元20和/或所述气流切换单元30动作，以使CO2消除或减少。通过气体浓度传感器对CO2浓度进行实时的检测，并将该CO2浓度值转换为温度控制单元40可识别的数字信号，温度控制单元40根据反馈的实时数字信号，发出控制信号控制CO2吸附单元20和所述气流切换单元30动作，从而实现对CO2进行良好的处理效果。
具体的，轨道车辆内的CO2在经过车载空调系统时，可以通过集成于组件中的吸附材料直接将CO2去除或降低至所需水平后送入车内，待CO2吸附量达到饱和后，经过加热可以将所吸附的CO2释放出来直接排出车外。通过双组件的循环交替工作实现CO2气体的连续消除净化效果。
本申请采用小气阻设计，可以直接耦合到空调机组系统通风管道中；大幅降低因降低CO2浓度而需要的新风量，可显著降低空调的新风负荷。以此同时，本申请中CO2吸附浓度下限小，吸附效率高，整体气阻小，吸附材料再生循环能耗低。
从以上的描述中可以看出，本申请实现了如下技术效果：
在本申请实施例中，采用集成CO2吸附单元20的方式，当所述气体浓度传感器将检测到的CO2浓度值反馈至所述温度控制单元40时，所述温度控制单元40根据接收到的CO2浓度值发出控制信号控制所述CO2吸附单元20和/或所述气流切换单元30动作，以使CO2消除或减少，达到了CO2吸附和脱附的目的，从而实现了自动调节CO2浓度的技术效果，进而解决了现有的轨道车辆空调能耗中新风负荷占比较大，新风量大的技术问题。
进一步的，所述空调机组送风口10的底部开设有若干个空调回气口101，所述空调回气口101与所述温度控制单元40电连接。可以理解的是，通过设置有若干个空调回气口101，能够实现送风口定向送风的效果，从而实现提高气体处理效率。
进一步的，所述CO2吸附单元20包括：与所述空调机组送风口10相连的第一壳体201，所述第一壳体201内阵列设置有与进风方向相垂直的若干个散热基板202，所述散热基板202上设置有碳纤维加热丝管203，所述碳纤维加热丝管203与所述温度控制单元40电连接。可以理解的是，通过在第一壳体201内阵列设置有若干个散热基板202，且沿进风方向依次设置，能够实现良好的散热效果；与此同时，在散热基板202上设置有碳纤维加热丝管203，能够实现良好的加热效果，从而实现良好的脱附效果。
进一步的，所述散热基板202为镂空铝合金散热基板202，所述镂空铝合金散热基板202的厚度为2-8mm。可以理解的是，通过采用镂空形式，能够实现便于安装其他部件的效果；与此同时，将镂空铝合金散热基板202的厚度为2-8mm，能够实现多种规格可选择的效果，同时还能确保良好的散热效果。比如：可以类似分子筛一样方便地填充到吸附装置的所有空间。
进一步的，所述碳纤维加热丝管203的长度为5-10mm的中空纤维膜，其外径为1mm以下。可以理解的是，通过采用中空纤维膜，能够实现良好的渗透和分离效果。
具体的，中空纤维膜是通过物质在膜内部和外部之间的渗透和分离实现的。物质可以通过膜的微孔或半透膜进行筛分，根据分子大小或其他特性，一些物质可以穿过膜，而其他物质则被阻挡在膜外。
如图3-6所示，所述气流切换单元30包括：与所述CO2吸附单元20相连的第二壳体301，所述第二壳体301底部设置有车内回气口302，所述第二壳体301远离所述CO2吸附单元20一侧设置有车外排气口303。可以理解的是，通过在第二壳体301上分别设置有车内回气口302和车外排气口303，能够实现气体定向流通的效果，从而确保实现相应的功能效果。
进一步的，所述车内回气口302处设置有若干个第一多叶旋转结构304，所述车外排气口303处设置有若干个第二多叶旋转结构305。可以理解的是，通过采用多叶旋转结构，能够实现根据使用需求进行多种状态切换的效果，从而能够实现多种状态可选择的效果；比如：完全开闭，或半开闭的状态。
如图7所示，所述第一多叶旋转结构304和所述第二多叶旋转结构305均包括：与所述第二壳体301内壁相连的步进电机306，所述步进电机306与温度控制单元40电连接，所述所述步进电机306的输出端设置有旋转轴307，所述旋转轴307上设置有叶片308，所述叶片308边缘两侧分别设置有切角309，所述切角309的倾斜方向相一致。可以理解的是，通过采用微型步进电机306对叶片308进行精密控制，能够实现叶片308角度精密调节的效果，从而实现所需的旋转角度。
具体的，通过微型步进电机306控制百叶的旋转角度，所有百叶相互平行叠放，与风向垂直时为关闭状态，若旋转为与风向平行的打开装填时则为开启状态。另外也可以通过不同的开度来调节气体流量。
进一步的，所述CO2吸附单元20数量为至少两套。可以理解的是，通过使用至少两套CO2吸附单元20，能够实现连续吸附和脱附的效果，从而实现不间隔的气体处理效果。通过本装置，预计可降低一半以上的新风量，节约空调的新风负荷。
进一步的，本申请的CO2消减系统的装料空间为280L，截面积尺寸和外形与现有空调外形保持一致，并做气动保型设计，不增加列车高速运行中的空气阻力。碳纤维加热丝额定功率1-5kw。
本申请还涉及一种轨道车辆空调机组用CO2消减控制方法，包括以下步骤：
通过气体浓度传感器实时检测气流切换单元30空间内的CO2浓度值；通过对吸附后的CO2浓度进行实时的检测，能够实现良好的气体监测效果。
温度控制单元40根据气体浓度传感器反馈的CO2浓度值，并将该CO2浓度值与预设浓度阈值进行判断；能够实现良好的CO2浓度值判断效果，从而为后续的控制提供基础。
若CO2浓度值低于预设浓度阈值，则温度控制单元40发出控制信号控制气流切换单元30的车内回气口302打开、气流切换单元30的车外排气口303关闭和空调回气口101完全或部分关闭，CO2气体不断有序经过CO2吸附单元20进行吸附以净化CO2气体，此时，CO2吸附单元20处于未饱和吸附状态；
若CO2浓度值高于预设浓度阈值，则温度控制单元40发出控制信号控制气流切换单元30的车内回气口302关闭、气流切换单元30的车外排气口303打开、空调回气口101完全或部分打开和CO2吸附单元20中的碳纤维加热丝管203进行加热，通过加热将吸附材料中的CO2释放，并排出至车外，直至脱附后的CO2浓度低于预设阈值，此时，CO2吸附单元20处于饱和脱附状态。
需要知晓的是，阈值表示为临界值，其分别具有一个最高的临界值最低的临界值，因此，当预先设定阈值后，可以使温度控制器与预设的阈值进行判断，从而发出准确的控制指令控制其他部件做相应的动作，进而实现对CO2吸附或脱附工艺的效果。
进一步的，工艺的吸附和脱附过程还可以采用两气体浓度传感器分别安装在CO2吸附单元20的两端，从而对空气中的CO2浓度进行检测。通过采集CO2吸附单元20前后两端的CO2浓度，并将采集的浓度值反馈至温度控制单元，温度控制单元根据预设的参数值进行比较判断，从而实现温度控制器进行相应的动作处理。因此，此方式亦能实现对CO2消减。
比如：当含有CO2的车内气体经过空调送风口进入CO2吸附单元20时，所含的CO2会被吸附材料消减或消除并获得CO2浓度达标的洁净气体，此时空调系统自身回气口5完全或部分关闭，车内回气口3028开启，车外排气口3039关闭，洁净气体直接返回车厢供车内人员呼吸。
具体的，当空调通道中空气的CO2浓度为2500ppm，那么当吸附器处于有效吸附阶段时，净化气中CO2浓度基本为零，当开始穿透时，净化气浓度逐渐上升，当浓度值大于车厢内要求的最高浓度，如1500ppm时，说明CO2吸附材料已经吸附足够量的CO2达到饱和或者吸附速率已经满足不了CO2消减需求。这时就停止吸附过程，同时进入下一步的加热脱附过程。
具体的，在CO2吸附工艺周期内，此时空调自身的回气口关闭，气流切换单元30的车内回气口302全开，车外排气口303关闭，空调气流全部通过吸附单元后再送回车厢内。在脱附工艺周期内，空调自身的回气口全开，气流切换单元30的车内回气口302关闭，车外排气口303控制开度，吸附单元开始加热并稳定至设定温度，大部分空气会直接由空调风道送回厢室内，小部分的风量(如1/10)送到CO2吸附单元20，用于吹扫脱附过程产生的高浓度CO2，等脱附气中CO2浓度降低到指定值后结束脱附过程，进行下一个周期“吸附-脱附”过程。
温度控制单元40用来控制CO2处理单元里吸附材料的工作温度。
气流切换单元30用来进行气体流向切换，使经过吸附单元的气体可以受控回到车内或是排到车外。气流的切换功能通过旋转百叶窗结构来实现打开、关闭或不同的开度来实现。
此时空调风口回气口完全或部分打开，车外排气口303打开，车内回气口302关闭。加热系统开始工作，温度控制单元40控制碳纤维加热丝管203开始加热，使吸附材料的温度迅速升温至40-100℃的所需温度。CO2吸附单元20内填充的吸附材料开始把CO2释放出来，并经由车外排气口303排除车外。通常刚达到有效脱附温度时，脱附气体的CO2浓度很高，可达～10000ppm级别，但随着脱附时间的增加，脱附气的CO2浓度会逐渐降低，当降到比来气浓度+500ppm的时候，可以停止脱附过程，此时保留气体的流通，关闭加热系统，等一段时间后重新开始新一轮的“吸附-脱附”循环。
吸附工序和脱附工序交替进行来进行车内CO2气体的消除或消减工作。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.轨道车辆空调机组用CO2消减系统，其特征在于，包括：
空调机组送风口(10)；
CO2吸附单元(20)，沿第一方向与所述空调机组送风口(10)相连通；
气流切换单元(30)，沿所述第一方向与所述CO2吸附单元(20)相连通；
温度控制单元(40)，设置于所述CO2吸附单元(20)，且分别与所述CO2吸附单元(20)和所述气流切换单元(30)电连接；及
气体浓度传感器，设置于所述气流切换单元(30)，且靠近所述CO2吸附单元(20)一侧；
当所述气体浓度传感器将检测到的CO2浓度值反馈至所述温度控制单元(40)时，所述温度控制单元(40)根据接收到的CO2浓度值发出控制信号控制所述CO2吸附单元(20)和/或所述气流切换单元(30)动作，以使CO2消除或减少。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆空调机组用CO2消减系统，其特征在于，所述空调机组送风口(10)的底部开设有若干个空调回气口(101)，所述空调回气口(101)与所述温度控制单元(40)电连接。
3.根据权利要求1所述的轨道车辆空调机组用CO2消减系统，其特征在于，所述CO2吸附单元(20)包括：与所述空调机组送风口(10)相连的第一壳体(201)，所述第一壳体(201)内阵列设置有与进风方向相垂直的若干个散热基板(202)，所述散热基板(202)上设置有碳纤维加热丝管(203)，所述碳纤维加热丝管(203)与所述温度控制单元(40)电连接。
4.根据权利要求3所述的轨道车辆空调机组用CO2消减系统，其特征在于，所述散热基板(202)为镂空铝合金散热基板(202)，所述镂空铝合金散热基板(202)的厚度为2-8mm。
5.根据权利要求3所述的轨道车辆空调机组用CO2消减系统，其特征在于，所述碳纤维加热丝管(203)的长度为5-10mm的中空纤维膜，其外径为1mm以下。
6.根据权利要求1所述的轨道车辆空调机组用CO2消减系统，其特征在于，所述气流切换单元(30)包括：与所述CO2吸附单元(20)相连的第二壳体(301)，所述第二壳体(301)底部设置有车内回气口(302)，所述第二壳体(301)远离所述CO2吸附单元(20)一侧设置有车外排气口(303)。
7.根据权利要求6所述的轨道车辆空调机组用CO2消减系统，其特征在于，所述车内回气口(302)处设置有若干个第一多叶旋转结构(304)，所述车外排气口(303)处设置有若干个第二多叶旋转结构(305)。
8.根据权利要求7所述的轨道车辆空调机组用CO2消减系统，其特征在于，所述第一多叶旋转结构(304)和所述第二多叶旋转结构(305)均包括：与所述第二壳体(301)内壁相连的步进电机(306)，所述步进电机(306)与温度控制单元(40)电连接，所述所述步进电机(306)的输出端设置有旋转轴(307)，所述旋转轴(307)上设置有叶片(308)，所述叶片(308)边缘两侧分别设置有切角(309)，所述切角(309)的倾斜方向相一致。
9.根据权利要求1所述的轨道车辆空调机组用CO2消减系统，其特征在于，所述CO2吸附单元(20)数量为至少两套。
10.轨道车辆空调机组用CO2消减控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过气体浓度传感器实时检测气流切换单元(30)空间内的CO2浓度值；
温度控制单元(40)根据气体浓度传感器反馈的CO2浓度值，并将该CO2浓度值与预设浓度阈值进行判断；
若CO2浓度值低于预设浓度阈值，则温度控制单元(40)发出控制信号控制气流切换单元(30)的车内回气口(302)打开、气流切换单元(30)的车外排气口(303)关闭和空调回气口(101)完全或部分关闭，CO2气体不断有序经过CO2吸附单元(20)进行吸附以净化CO2气体，此时，CO2吸附单元(20)处于未饱和吸附状态；
若CO2浓度值高于预设浓度阈值，则温度控制单元(40)发出控制信号控制气流切换单元(30)的车内回气口(302)关闭、气流切换单元(30)的车外排气口(303)打开、空调回气口(101)完全或部分打开和CO2吸附单元(20)中的碳纤维加热丝管(203)进行加热，通过加热将吸附材料中的CO2释放，并排出至车外，直至脱附后的CO2浓度低于预设阈值，此时，CO2吸附单元(20)处于饱和脱附状态。
Priority Applications (1)
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