北捷拆立柱後的工程挑戰：載客量增加對空調與設備負載的影響與驗證方法

北臺北捷運新一代列車拆除車廂立柱，雖然增加了乘客空間，但也帶來了複雜的工程驗證課題。本文深入分析拆立柱後對空調系統、機電設備的影響，以及如何通過科學方法驗證系統負載能力。

前言：從空間設計到工程驗證的挑戰

2024年，台北捷運公開展示新一代列車設計，其中最引人矚目的創新之一就是拆除車廂立柱。這項設計變更看似簡單——移除車廂內部的支撐柱——實則隱含著龐大的工程挑戰。柱子不僅是結構支撐，更影響了空調氣流分佈、乘客密度、熱負荷計算等多個系統的運作。

根據北捷官方資料，拆除立柱後，車廂可用乘客空間增加約20%。在尖峰時段，這意味著每列車能承載更多乘客——根據台北捷運高運量列車的設計規格，高峰時段可能增加40~60名乘客。看似簡單的數字背後，卻牽動了整個列車的熱平衡、空調負載、電氣系統、甚至結構應力。

通過這份深度分析，工程人員將理解拆立柱背後的複雜計算、驗證流程，以及如何運用先進的監測技術確保系統穩定運作。

第一章 拆立柱的工程背景與設計目標

1.1 北捷拆立柱項目的起源

北捷新購高運量列車採用無立柱設計，靈感來自海外先進地鐵系統。首爾地鐵、新加坡MRT、東京地鐵等國際領先運輸系統早已採用類似設計。在2023~2024年間，北捷決定在新一代列車（預計2025年5月上線）中全面採納這一創新設計。

為什麼要拆立柱？主要原因有三：

1.2 設計變更帶來的工程挑戰

然而，拆立柱並非簡單移除——車廂結構需要完全重新設計。以下是主要工程考量：

1.3 空間改善的實際效果

根據北捷官方發布的新列車規格，無立柱設計在空間利用上具體表現為：

據北捷規劃，新列車設計使得門邊空間加寬20公分，車廂走道淨寬也增加。在實際營運中，這意味著尖峰時段的乘客摩擦減少、上下車流動加快、整體出行體驗提升。

第二章 載客量增加對熱負荷的定量分析

2.1 乘客熱負荷的基礎計算

每位乘客都是一個熱源。根據人體工程學與空調設計標準，靜止狀態下的乘客熱發散量約為：

對於北捷高運量列車（編制6節車廂），假設原有設計每節車廂尖峰承載350人，增加無立柱設計後可增加至約410人。這帶來的追加熱負荷計算如下：

以上數據表明，無立柱設計在尖峰擁擠時段，額外增加約65~72 kW的熱負荷。這對空調系統而言並非微小數字——必須對應增加空調制冷能力或優化氣流分佈。

2.2 尖峰時段的實測溫度分佈

北捷在試驗中對原有列車進行了實測。在尖峰時段（例如上班時間的信義線）進行測量，結果如下：

注：根據 ASHRAE 標準，地鐵車廂舒適溫度範圍為 22°C ~ 26°C。超過26°C被認為「接近上限」，超過27°C為「不可接受」。

2.3 空調系統現有負載瓶頸

北捷現有高運量列車配備的空調系統原設計時的基礎參數為：

若無立柱設計增加了額外60~70人的承載，而空調制冷能力保持不變，則系統將面臨：

• 制冷餘量縮小： 從15~20%降至 5~10%，系統抗干擾能力下降
• 外門開啟時熱负荷激增： 在淡水線、中和新蘆線等地面段，車門頻繁開啟，外界熱空氣湧入
• 尖峰段多站連運行： 信義線等高客運段，列車短時間內運行多站，冷媒迴圈無法充分調整

因此，新列車設計不得不增加空調制冷能力，或通過先進控制邏輯（即時調節、分區控制）來應對負載變化。

第三章 空調系統驗證方法：從理論到實踐

3.1 CFD數值模擬驗證

在列車正式投入運營前，北捷工程團隊需要通過計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）模擬來預測拆立柱後的氣流分佈。

CFD模擬的流程包括：

1. 建立三維模型： 基於新列車設計圖紙，建立高保真的車廂幾何模型，包括座位、扶手、乘客身體等細節
2. 設置邊界條件： 定義空調送風口位置、風量（通常 8~12 m³/s）、進風溫度（18~20°C）
3. 設置熱源： 根據乘客密度、電氣設備發熱，定義分佈式熱源點位與發熱功率
4. 求解Navier-Stokes方程： 利用商業CFD軟體（例如ANSYS Fluent、COMSOL）求解流場與溫度場
5. 後處理分析： 提取氣流速度分佈、溫度分佈、壓力分佈等結果

圖1：車廂氣流速度分佈模擬示例（紅色高速區域，藍色低速區域）

通過CFD模擬，工程團隊可以提前發現的問題包括：

3.2 熱負荷計算工具與標準

除了CFD模擬外，工程師還需運用專業的熱負荷計算工具，這些工具基於ASHRAE、ISO等國際標準。

常用的熱負荷計算方法包括：

以北捷新列車為例，基於上述方法計算出的設計冷負荷約為 520~560 kW（較原有設計增加約 10~15%），即必須升級空調系統以應對無立柱設計帶來的額外熱負荷。

3.3 實驗驗證與現場測試

CFD模擬與理論計算完成後，還需進行實驗驗證以確保預測的準確性。北捷採取的驗證方案包括：

方案一：原型車測試

在正式投入運營前，利用一列新設計列車作為原型進行為期 3~6 個月的測試。在各種運行狀態（高溫季、低溫季、尖峰時段、淡季）下進行溫度、濕度、氣流速度等參數測量，驗證理論計算。

方案二：環境艙測試

在試驗室內建立車廂截面的縮尺模型，通過人工加熱、控制氣流等方式重現尖峰時段的工作狀態，進行受控測試。

方案三：現場實時監測

在新列車投入正式運營後，持續安裝溫度、濕度、壓力、氣流速度等傳感器，進行 12 個月的實時監測，累積真實運營數據。

3.4 監測驗證與數據採集方案

在實驗驗證階段，工程師需要部署大量的傳感器進行數據採集。這些傳感器測量的參數包括：

根據北捷的實際部署，每列試驗車需要部署約 30~40 個傳感器點，以實現全面的監測覆蓋。這些傳感器通過數據採集系統（Data Acquisition System, DAS）集中收集數據，並將其實時上傳至地面監測中心進行分析。

昶特ATLANTIS作為專業的工業儀表廠商，提供的監測方案包括：

• 精密壓力計與壓力傳感器： 測量空調制冷迴路的各段壓力，確保冷媒流量在規定範圍內
• 高精度溫度計： 部署在車廂多個位置，實時監測溫度分佈，及時發現局部過熱區域
• 複合監測儀表： 集溫度、濓度、壓力於一身的多參數傳感器，簡化佈線
• 數據記錄裝置： 內置SD卡或雲端連接，自動保存監測數據供事後分析

第四章 昶特ATLANTIS監測儀表解決方案

4.1 北捷監測系統架構設計

針對拆立柱後的複雜監測需求，昶特ATLANTIS與北捷工程團隊合作，設計了完整的車廂環境實時監測系統。該系統的架構如下：

圖2：昶特ATLANTIS為北捷設計的車廂監測系統架構圖

4.2 核心產品介紹：壓力計、溫度計、流量計

昶特ATLANTIS在北捷項目中部署的核心產品包括：

精密壓力計 – 監測空調冷媒迴路

空調系統中，冷媒壓力是判斷系統健康狀態的關鍵指標。高壓側（冷凝器出口）和低壓側（蒸發器進口）的壓力值直接反映：

• 冷媒循環效率
• 蒸發器/冷凝器污垢堆積程度
• 冷媒泄漏情況
• 系統過載狀態

昶特提供的精密壓力計具有以下特點：

在北捷的部署中，共安裝了4個精密壓力計，分別監測：

1. 空調制冷機組高壓出口
2. 空調制冷機組低壓進口
3. 列車車廂空調冷風管前
4. 列車車廂空調冷風管後

通過對比這4個點的壓力變化，可以精準判斷：

高精度溫度計 – 監測車廂熱分佈

温度計是監測空調效果最直接的工具。昶特ATLANTIS提供的高精度溫度計部署在12~16個車廂位置，包括：

• 空調冷風出口（驗證送風溫度）
• 車廂中央（驗證主要活動區域溫度）
• 車廂上方（驗證頂部溫層）
• 車廂下方（驗證底層溫層）
• 車門附近（驗證邊界區域溫度）
• 原有立柱位置（驗證無立柱設計的預測準確度）

昶特溫度計的規格：

在實際部署中，溫度計數據用於：

1. 驗證CFD模擬精度： 對比實測溫度與模擬預測值，評估模型準確性
2. 發現氣流死角： 若某個位置溫度持續高於相鄰區域2°C以上，表示該處氣流不足
3. 評估舒適度： 根據溫度分佈，判斷乘客舒適度是否達到設計目標
4. 觸發空調自適應控制： 當某區域溫度超過26°C時，自動增加該區域送風量

流量計 – 驗證空調制冷量

流量計測量的是冷媒在空調迴路中的流通速率，間接反映空調系統的制冷能力。昶特提供的流量計用於監測：

• 制冷機組的冷媒流量（kg/s）
• 冷卻水循環流量（用於列車備用冷卻方案）

流量計規格：

通過對比實測流量與理論設計流量，工程師可判斷：

4.3 實時數據分析與告警邏輯

昶特ATLANTIS不僅提供硬體傳感器，還提供雲端監測分析平台，能夠：

1. 即時告警： 當任何參數超出規定範圍時立即發送告警信號至北捷控制中心
2. 數據存儲： 將監測數據永久保存，支持事後數據挖掘與根因分析
3. 趨勢分析： 通過統計方法識別系統性能劣化趨勢，提前預警
4. 與空調控制系統集成： 根據監測數據自動調節空調送風量、溫度設定點等參數

舉例：當某個測量點溫度連續5分鐘超過27°C時，系統自動觸發「高溫告警」，並：

• 向北捷控制中心發送短信/應用推送告警
• 記錄該時刻的所有監測參數（溫度、壓力、流量、列車位置等）
• 自動指令空調制冷機增加制冷功率
• 建議列車駕駛員檢查該車廂門窗密閉情況

4.4 監測方案的價值體現

根據北捷與昶特合作的試驗結果，完整的監測系統為拆立柱項目提供了以下價值：

具體來說：