JPWO2014002137A1 - 鉄道車両用全熱交換換気システム - Google Patents

Abstract

鉄道車両の空調換気設備において、駅での乗降等で発生する乗車人数の変動に伴う車内温度の変化、外気温度の急変等により低下する車内の快適性を維持することが可能な鉄道車両用全熱交換換気システムを得る。全熱交換器を制御している制御装置の全熱交換器制御部で、車外温度検出センサーで検知した外気温度と車内温度検出センサーで検知した車内温度との温度差を基に算出した車外熱負荷値と、乗客重量検出装置で検知した乗客重量から算出した現在の乗車人数に一人当たりの平均発熱量（約０．１１５kＷ）を乗算して算出した車内熱負荷値とを比較して車内将来温度の変動を予測し、予測結果に基づいて熱交換器の熱交換運転と普通運転とを切り換えて、車内の快適性を維持する。

Description

この発明は鉄道車両用全熱交換換気システムに関するものである。

従来の換気空調設備では、空調設備の吸排気風路に全熱交換器を備えて熱交換を行ないながら同時吸排気による換気を行なっており、吸排気風路にそれぞれバイパス風路を設けて、熱交換運転と熱交換処理を実施しない普通換気運転とを制御している（例えば、特許文献１参照）。

特開2009-168367号公報（第4−5頁、第1図）

従来の換気空調設備で暖房を実施する場合、室外温度と室内温度の比較を行ない、室外温度が室内温度より低く且つ室内温度との温度差が大きな場合に熱交換運転を実施し、室内温度との温度差が小さな場合あるいは室外温度が室内温度より高い場合に普通換気運転を実施するよう制御している。

鉄道車両に適用する場合、例えば駅での乗降に伴い乗車人数が頻繁に入れ替わることで車内温度の変動が発生し易く、車内温度と車外温度の比較に基づいて運転切換を実施した場合、乗車後暫くは乗車人数が変動する前の車内温度を基にした運転を継続し、車内温度の変動を検出した後に運転を切り替える制御となり、車内温度の変動を検出するまでの時間は車内の快適性が損なわれてしまう問題がある。

また、従来の換気空調設備では外気温が高い場合に吸気の昇温を回避するために吸気風路または排気風路のいずれか一方にバイパス風路を設けることが多い。特許文献１では吸排気風路いずれにもバイパス風路を設けているが、双方のバイパスを利用するのは夏季冷房時の冷房コイル駆動時であり、暖房時にはいずれか一方のみとしている。

鉄道車両において吸排気いずれか一方のみをバイパスした場合には、車両内外で圧力差が発生することがある。車両に設けられた乗降用自動ドアは圧力を利用した開閉制御を実施しているため、車両内外に圧力差が発生した場合には正常に開閉できないという問題が発生する。

この発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、例えば乗車人数の変動に伴う車内温度の変化で低下する車内の快適性を維持するとともに、車両内外の圧力差発生を回避する鉄道車両用全熱交換換気システムを得るものである。

本発明に係る鉄道車両用全熱交換換気システムは、車外の空気を車内に導入する吸気通風路と、車内の空気を車外に排出する排気通風路と、前記吸気通風路から取入れられる外気と、前記排気通風路から排出される車内空気とを熱交換する全熱交換器と、前記吸気通風路と前記排気通風路とにそれぞれ設けられ、前記全熱交換器をバイパスさせるバイパス風路と、前記全熱交換器の運転を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、車内将来温度の変動を予測して、車内将来温度の上昇が予測されない場合には前記バイパス風路を通過させない熱交換運転を実施し、車内将来温度の上昇が予測される場合に前記バイパス風路を通過させる普通換気運転を実施するものである。

この発明は、温暖地から寒冷地への移動等に伴う外気状況の変動や、駅での乗降に伴う乗車人数の変動等により発生する車内将来温度の変動を予測して、熱交換運転と普通換気運転とを切り換えている。例えば従来、乗車人数が変動した場合に、乗降が完了した後も暫くは乗車人数が変動する前の車内温度を基にした運転を継続することで発生していた車内温度調整の遅れを回避し、車内の快適性を維持することが可能になる。

この発明の実施の形態１による全熱交換換気システムの全体構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による全熱交換器の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明に係る実施の形態１の制御処理手順を示すフロー図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における全熱交換換気システムのブロック図である。全熱交換換気システムは、鉄道車両１内の温度調整を行う空気調和装置２と、外気と車内空気とを熱交換する全熱交換器３と、空気調和装置２と全熱交換器３とを接続するダクト４と、車両外面に設置された車外温度検出センサー５と、車内に設置された車内温度検出センサー６と、車両下部に設置された乗客重量検出装置７と、車内を暖房する暖房装置８と、全熱交換器３の運転を制御する制御装置９とを備えている。

図２は全熱交換器３のブロック図である。全熱交換器３は、外部の新鮮空気を空気調和装置２に導く吸気風路１０と、車内の暖まった空気を大気中に放出する排気風路１１とを有する。吸気風路１０は、全熱交換器３での熱交換を介さずに空気調和装置２に新鮮空気を導くバイパス風路１２と、吸気風路１０とバイパス風路１２とを切り換えるバイパス弁１３を有する。排気風路１１は、全熱交換器３での熱交換を介さずに大気中に車内の空気を導くバイパス風路１４と、吸気風路１１とバイパス風路１４とを切り換えるバイパス弁１５を有する。
バイパス弁１３とバイパス弁１５の開閉により、バイパス風路１２とバイパス風路１４とを通過させない熱交換運転と、バイパス風路１２とバイパス風路１４とを通過させる普通換気運転とを切り換えることができる。

図３は、制御装置９のブロック図である。制御装置９は、空気調和装置２の運転を制御する空調装置制御部１６と、全熱交換器３の運転を制御する全熱交換器制御部１７とを備える。空調装置制御部１６は、車内空調の目標温度を設定する車内温度設定部１８と、目標温度を保持するように制御する空調制御部１９と、暖房装置８の運転を制御する暖房制御部２０とを備える。空調装置制御部１６と全熱交換器制御部１７は、いずれも車外温度検出センサー５、車内温度検出センサー６、乗客重量検出装置７からそれぞれ車外温度、車内温度、乗車人数の情報を取得する。また全熱交換器制御部１７は、車内温度設定部１８から車内設定温度を取得し、暖房制御部２０から暖房装置８の運転／停止状態を取得する。

次に、図２、図３を用いて動作を説明する。図２（ａ）は熱交換運転時の空気の流れを示し、図２（ｂ）は普通換気運転時の空気の流れを示す。熱交換運転を実施する場合、外部の新鮮空気は吸気風路１０により全熱交換器３に導かれ、同時に車内の暖められた空気は排気回路１１によって全熱交換器３に導かれる。外部の新鮮空気は全熱交換器３で車内の暖められた空気と熱交換して昇温した後に、ダクト４を介して空気調和装置２に送出され、車内の温められた空気は外部の新鮮空気との熱交換により冷却された後、大気中に放出される。一方、普通換気運転を実施する場合には、吸気風路１０のバイパス弁１３をバイパス風路１２側に切り換えて新鮮空気をバイパス風路１２に導く。同時に、排気風路１１のバイパス弁１５をバイパス風路１４側に切り換えて車内空気をバイパス風路１４に導いて全熱交換器３での熱交換処理を回避して普通換気運転を実施する。

熱交換運転と普通換気運転の切り換えは、制御装置９の全熱交換器制御部１７で実施する。全熱交換器制御部１７は、車外温度検出センサー５で検出した外気温度と車内温度設定部１８から取得した車内設定温度とを比較し、外気温度が車内設定温度と同等あるいは設定温度よりも高い場合には、吸気する空気の昇温処理が不要になるため普通換気運転を実施する。

次に、外気温度が車内設定温度よりも低い場合の処理を説明する。全熱交換器制御部１７は、暖房制御部２０から暖房装置８が運転中か停止中かの情報を取得し、暖房装置８が停止中の場合には、車内温度が十分に暖められていることを示すために普通換気運転を実施する。一方、暖房装置８が運転中の場合には、車内将来温度の変動を予測した後に、熱交換運転と普通換気運転のいずれを実施するかを決定する。車内将来温度の変動は、車外温度検出センサー５で検出した外気温度と車内温度検出センサー６で検出した車内温度との温度差を基に、車内から換気負荷によって失われる熱の総量（車外熱負荷）を算出し、乗客重量検出装置７で検出した乗客重量から算出する乗車人数に一人当たりの平均発熱量（約０．１１５kＷ）を乗算して、車内で発熱し蓄えられる熱の総量（車内熱負荷）を算出し、車内熱負荷と車外熱負荷との比較結果に基づいて予測する。車内熱負荷が車外熱負荷よりも小さな場合、車内将来温度は上昇しないことが予測されるため熱交換運転を実施する。車内熱負荷が車外熱負荷と同等あるいは大きな場合には車内将来温度の上昇が予測されるため、普通換気運転を実施する。
ここで車内将来温度とは、駅での乗降に伴う乗車人数の変動に伴って上昇または下降する一定時間後の車内温度をいう。乗車人数が増加した場合には車内熱負荷は大きくなり、乗車人数が減少した場合には車内熱負荷は小さくなる。一方、車外熱負荷（換気負荷）は、車外温度と車内温度との差が大きな場合に大きくなり、車外温度と車内温度との差が小さい、あるいは車外温度が車内温度よりも高い場合に小さくなる。

制御装置９は、全熱交換器３の運転切換処理を実施後に、再度運転切換要否の判定処理を開始するが、運転の頻繁な切り換えが発生すると制御の安定を欠き、機器の劣化を招くことになる。このような制御のハンチングを防止するために、全熱交換器３の運転を切り換えた後、一定時間（例えば５分間）処理を保留する。ただし、この保留時間内に駅に停車するなどで乗車人数の変動を検出した場合には、車内熱負荷の変動が予想されるために乗車人数の変動が安定した後に処理の保留を解除する。

図４は、実施の形態１に係る全熱交換換気システムの処理手順を示すフロー図である。全熱交換換気システムが運転を開始すると、制御装置９は車内設定温度Ｔｓと車外温度Ｔｅｘとを比較する（ＳＴ−１）。比較の結果、車外温度Ｔｅｘが車内設定温度Ｔｓより低い場合には、熱交換運転を開始するために、現在暖房装置８が暖房運転を実施中か否かを確認する（ＳＴ−２）。車外温度Ｔｅｘが車内設定温度Ｔｓより高い、あるいは同値の場合には、普通換気運転を開始するために、現在全熱交換器３が普通交換運転を実施中か否かを確認する（ＳＴ−８）。

車外温度Ｔｅｘが車内設定温度Ｔｓより低い場合に、暖房装置８が暖房運転を実施中であれば、今後の車内温度の変動を予測するために、車内熱負荷と車外熱負荷とを算出する（ＳＴ−３）。一方、暖房装置８が停止中であれば、既に車内が十分に暖められていることを示すため、普通換気運転の開始を目的として、現在、全熱交換器３が普通交換運転を実施中か否かを確認する（ＳＴ−８）。

車内温度の変動予測に用いる車内熱負荷は、乗客一人当たりの平均発熱量（０．１１５ｋＷ）と乗客重量検出装置７で検出した車内の乗車人数とを乗算して算出する。一方、車外熱負荷は、予め設定した空気密度、外気風量、空気の比エンタルピーの各設定値と、車内温度と車外温度との温度差とを乗算して算出する。ただし、空気密度、外気風量、空気の比エンタルピーの設定値は車両毎に異なる。

車内熱負荷と車外熱負荷との比較により、車外熱負荷が車内熱負荷よりも大きな場合には車内温度は上昇しないことが予測されるため、熱交換運転の実施を目的として全熱交換器３の運転状態を確認する（ＳＴ−５）。熱交換器３が普通換気運転を実施中の場合には熱交換運転を起動し（ＳＴ−６）、熱交換運転を実施中の場合には熱交換運転を継続する（ＳＴ−７）。

一方、車外熱負荷が車内熱負荷と同値あるいは小さな場合には、今後の車内温度の上昇が予測されるため、普通換気運転の実施を目的として、全熱交換器３の運転状態を確認する（ＳＴ−８）。熱交換運転を実施中の場合には普通換気運転を起動し（ＳＴ−９）、普通換気運転を実施中の場合には普通換気運転を継続する（ＳＴ−１０）。

全熱交換器３の運転を切り換えた後、すぐに次の運転切換処理を開始すると、判定結果によっては全熱交換器３の頻繁な運転切換が発生して運転状態が不安定になり、機器の劣化を招くことにもなる。このため、全熱交換器３の運転を切り換えた後、一定時間（例えば５分間）運転切換処理を保留し、現在の運転状態を保持する（ＳＴ−１１）。

但し、運転切換の保留中に駅に到着した場合には、乗客数が変動して車内温度変化の発生が想定されるため、全熱交換器３の運転保留を解除する。乗客重量検出装置７が乗車人数の変動を検出した場合、変動が収まるまでは現在の運転状態を保持し（ＳＴ−１２）、乗客の乗降が完了して乗客重量検出装置７で検出する乗客数が安定した後に、運転切換処理の保留を解除する（ＳＴ−１３）。

この実施の形態１によれば、車内設定温度よりも車外温度が低く、全熱交換器３の熱交換運転が選択されうる状況においても、車内の乗車人数の増加に伴い車内温度の上昇が予想される場合には、普通換気運転を選択し、車内の快適性を維持することが可能である。
また、普通換気運転の際に吸気風路１０のバイパス風路１２と排気風路１１のバイパス風路１４を同時に選択することで車外圧力と車内圧力との圧力差の発生を防止し、車内外の圧力差によるドア開閉時の動作不良を防止することが可能である。
また、熱交換運転と普通換気運転の切換後に一定時間処理を保留することで、全熱交換器３の運転状態が安定し、機器の早期劣化を回避することが可能である。
加えて、保留時間中の駅への停車により乗車人数の変動が発生した場合には、速やかに保留を解除して運転切換制御を実施することで車内の快適性を保持することが可能である。
尚、運転切換の保留時間は５分間に限定するものではなく、列車の運行状況や駅間の距離により最適な時間を設定することで、効率的な運用が可能になる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２として、車外熱負荷を算出する際に、車体の熱伝導負荷を併せて算出する場合の実施例を示す。実施の形態１で示した図４の全熱交換換気システムフローでの、車内熱負荷と車外熱負荷を算出する手順（ＳＴ−３）において、車外熱負荷に車体熱伝導負荷の算出結果を加える。システム構成及び制御装置９における処理手順は実施の形態１と同一である。従って、実施の形態１と同じ部分については実施の形態１のものと同じ符号を用い、それらについての説明は省略する。

車外熱負荷を算出する場合、車体構造や車体を構成する材質により、車両毎に車内から車外への熱喪失量は異なる。このため、実施の形態１で示した車外熱負荷の算出結果に、車体の熱伝導負荷の算出結果を加える。車体の熱伝導負荷は、車内温度と車外温度との温度差に、車両毎に定められた熱伝導率を乗算して算出する。

この実施の形態２によれば、車外熱負荷と車内熱負荷との比較において、車外熱負荷に車体の熱伝導負荷の値を加えることで、車内から失われる熱量の算出精度が向上し、制御の正確性を向上させることが可能である。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３として、車内熱負荷を算出する際に車内に設置する機器（各種表示装置や運転装置等）の発熱負荷を併せて算出する場合の実施例を示す。実施の形態１で示した図４の全熱交換換気システムフローでの、車内熱負荷と車外熱負荷を算出する手順（ＳＴ−３）において、車内熱負荷に車内構成機器の発熱負荷の算出結果を加える。システム構成及び制御装置９の処理手順は実施の形態１と同一である。従って、実施の形態１と同じ部分については実施の形態１のものと同じ符号を用い、それらについての説明は省略する。

車内熱負荷を算出する場合、車内に装備する各種機器から発熱する熱量がある。例えば運転席のある先頭車両や液晶表示装置を装備した車両等、車内で発生する熱量は車体によって異なる。このため、実施の形態１で示した車内熱負荷の算出結果に、車内構成機器の発熱負荷の算出結果を加える。車内構成機器の発熱負荷は、車内の機器発熱量の合計値となり、車両毎に予め値は定められている。

この実施の形態３によれば、車外熱負荷と車内熱負荷との比較において、車内熱負荷に車両毎に異なる車内構成機器の発熱負荷を加えることで車内に発生する熱量の精度が向上し、制御の正確性を向上させることが可能である。

尚、実施の形態２で採用した車体の熱伝導負荷の値を、実施の形態３での車外熱負荷に加えることで車外熱負荷、車内熱負荷のいずれの算出結果も精度を向上させることが可能であり、制御の正確性をより向上させることが可能である。

２ ： 空気調和装置
３ ： 全熱交換器
５ ： 車外温度検出センサー
６ ： 車内温度検出センサー
７ ： 乗客重量検出装置
９ ： 制御装置
１０ ： 吸気風路
１１ ： 排気風路
１２ ： 吸気バイパス風路
１３ ： 吸気バイパス弁
１４ ： 排気バイパス風路
１５ ： 排気バイパス弁
１６ ： 空調装置制御部
１７ ： 全熱交換器制御部
１８ ： 車内温度設定部
２０ ： 暖房制御部

本発明に係る鉄道車両用全熱交換換気システムは、車外の空気を車内に導入する吸気風路と、車内の空気を車外に排出する排気風路と、吸気風路から取入れられる外気と、排気風路から排出される車内空気とを熱交換する全熱交換器と、吸気風路と排気風路とにそれぞれ設けられ、全熱交換器をバイパスさせるバイパス風路と、車外温度を検出する車外温度測定手段と、全熱交換器の運転を制御する制御手段とを有し、制御手段は、車外温度測定手段で検出した車外温度が車内の設定温度より低い場合において、暖房運転が実施されていない場合にバイパス風路を通過させる普通換気運転を実施し、暖房運転が実施されている場合に車内将来温度の変動を予測して、車内将来温度の上昇が予測されない場合にはバイパス風路を通過させない熱交換運転を実施し、車内将来温度の上昇が予測される場合にはバイパス風路を通過させる普通換気運転を実施するものである。

Claims (7)

1. 車外の空気を車内に導入する吸気風路と、
   車内の空気を車外に排出する排気風路と、
   前記吸気風路から取入れられる外気と、前記排気風路から排出される車内空気とを熱交換する全熱交換器と、
   前記吸気風路と前記排気風路とにそれぞれ設けられ、前記全熱交換器をバイパスさせるバイパス風路と、
   前記全熱交換器の運転を制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、暖房運転を実施する場合に車内将来温度の変動を予測して、車内将来温度の上昇が予測されない場合には前記バイパス風路を通過させない熱交換運転を実施し、車内将来温度の上昇が予測される場合には前記バイパス風路を通過させる普通換気運転を実施することを特徴とする鉄道車両用全熱交換換気システム。
2. 車外温度を検出する車外温度測定手段と、
   車内温度を検出する車内温度測定手段と、
   各車両の乗車人数を検出する乗車人数測定手段とを更に備え、
   前記制御手段における前記車内将来温度の変動予測は、前記車外温度測定手段と前記車内温度測定手段と前記乗車人数測定手段による検出結果に基づいて車両内外の熱負荷を算出して行うことを特徴とする請求項1に記載の鉄道車両用全熱交換換気システム。
3. 前記制御手段における前記車内将来温度の変動予測は、前記車外温度測定手段と前記車内温度測定手段と前記乗車人数測定手段とによる検出結果に基づいて算出する車両内外の熱負荷に、車体の熱伝熱負荷の算出結果を車外の熱負荷に加えて行うことを特徴とする請求項2に記載の鉄道車両用全熱交換換気システム。
4. 前記制御手段における前記車内将来温度の変動予測は、前記車外温度測定手段と前記車内温度測定手段と前記乗車人数測定手段による検出結果に基づいて算出する車両内外の熱負荷に、車内構成機器の発熱負荷の算出結果を車内の熱負荷に加えて行うことを特徴とする請求項2に記載の鉄道車両用全熱交換換気システム。
5. 普通換気運転時には前記制御手段によりバイパス弁を開いて吸気と排気を同時にバイパス風路で換気することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の鉄道車両用全熱交換換気システム。
6. 前記制御手段は、熱交換運転と普通換気運転の切換処理実施後に一定時間処理を保留することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の鉄道車両用全熱交換換気システム。
7. 前記制御手段は、熱交換運転と普通換気運転の切換処理実施後に一定時間処理を保留した後、前記乗車人数測定手段により乗車人数の変動の発生を検出した場合に処理の保留を解除することを特徴とする請求項6に記載の鉄道車両用全熱交換換気システム。

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