高寒動(dòng)車組熱工設(shè)計(jì)參數(shù)研究

李永恒，楊 弘

（中國(guó)北車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林長(zhǎng)春130062）

運(yùn)用與檢修

高寒動(dòng)車組熱工設(shè)計(jì)參數(shù)研究

李永恒，楊 弘

（中國(guó)北車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林長(zhǎng)春130062）

重點(diǎn)介紹車體傳熱系數(shù)、采暖負(fù)荷參數(shù)的選取及車體隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。通過分析國(guó)外高寒動(dòng)車組技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合哈大地區(qū)的運(yùn)用環(huán)境，研究選取了CRH380B型動(dòng)車組熱工設(shè)計(jì)參數(shù)；在不提高采暖功率的前提下，通過采暖負(fù)荷需求計(jì)算，確定車體傳熱系數(shù)，以計(jì)算結(jié)果為目標(biāo)優(yōu)化車體隔熱壁的結(jié)構(gòu)，并通過車體K值、－40℃低溫環(huán)境的采暖試驗(yàn)證明了CRH380B型動(dòng)車組滿足熱舒適度要求。

傳熱系數(shù)；采暖負(fù)荷；熱工設(shè)計(jì)參數(shù)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著世界高速鐵路的快速發(fā)展，高速列車的運(yùn)行區(qū)域和運(yùn)行環(huán)境不斷拓展，在高寒地區(qū)建成多條高速鐵路，與此同時(shí)阿爾斯通、龐巴迪、西門子相繼開發(fā)出適應(yīng)在最低環(huán)境溫度為－40℃運(yùn)行的高寒型高速列車。

近年來，我國(guó)在引進(jìn)高速列車技術(shù)的基礎(chǔ)上相繼研制出適應(yīng)－25℃～＋40℃環(huán)境運(yùn)用的CRH系列高速動(dòng)車組。哈大高速客運(yùn)專線的開通，需要一批高寒高速動(dòng)車組投入使用。為滿足哈大高速客運(yùn)專線的需求，長(zhǎng)客股份率先研制出適應(yīng)－40℃～＋40℃運(yùn)行環(huán)境要求的CRH380B型高寒動(dòng)車組。

CRH380B型高寒動(dòng)車組在CRH380BL動(dòng)車組平臺(tái)基礎(chǔ)上，解決了車體隔熱保溫能力與采暖熱負(fù)荷平衡問題，攻克了計(jì)算參數(shù)選取、車體隔熱保溫、空調(diào)采暖、防雪密封、材料低溫特性等技術(shù)難題，在滿足安全性、熱舒適度要求的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的。

1 國(guó)內(nèi)外高寒動(dòng)車組技術(shù)性能指標(biāo)

近年來相繼有不同速度等級(jí)的動(dòng)車組在北歐和俄羅斯等低溫地區(qū)運(yùn)營(yíng)，我國(guó)首次開發(fā)出的CRH380B型高寒動(dòng)車組也已投入使用，國(guó)內(nèi)外高寒動(dòng)車組技術(shù)性能指標(biāo)對(duì)比見表1。

表1 國(guó)內(nèi)外高寒動(dòng)車組主要技術(shù)參數(shù)

由表1可知，CRH380B型高寒動(dòng)車組的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水準(zhǔn)。

2 根據(jù)運(yùn)用環(huán)境選取設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 歐洲運(yùn)用環(huán)境分析與設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

歐洲鐵路系統(tǒng)為便于節(jié)能和管理，根據(jù)氣候區(qū)對(duì)歐洲國(guó)家進(jìn)行分類，其冬季氣候區(qū)見表2。

表2 歐洲冬季氣候區(qū)

根據(jù)列車運(yùn)用環(huán)境，北歐鐵路系統(tǒng)又將鐵路系統(tǒng)分為3個(gè)溫度等級(jí)，見表3。

由以上可見，歐洲鐵路系統(tǒng)早已將環(huán)境控制、節(jié)能設(shè)計(jì)納入鐵路管理中來，針對(duì)瑞典、挪威、芬蘭 這3個(gè)地處北歐的最冷地區(qū)，按照UIC553《客車加熱、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)》選取車內(nèi)采暖通風(fēng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)制造耐低溫的軌道車輛。

表3 北歐鐵路系統(tǒng)溫度等級(jí)

2.2 確定CRH380B型高寒動(dòng)車組設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.1 國(guó)內(nèi)沒有動(dòng)車組熱舒適度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

TB/T1955《鐵道客車采暖通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)》規(guī)定，客車采暖設(shè)計(jì)應(yīng)分為運(yùn)行在北京以南地區(qū)客車和非限定運(yùn)用區(qū)間客車的各項(xiàng)與熱舒適度相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)，并確定了北京以南地區(qū)客車冬季計(jì)算溫度為－14℃，非限定運(yùn)用區(qū)間客車冬季計(jì)算溫度為－35℃；我國(guó)現(xiàn)有CRH系列的動(dòng)車組招標(biāo)技術(shù)條件規(guī)定動(dòng)車組適應(yīng)的環(huán)境溫度為－25℃～40℃，所以TB/T1955《鐵道客車采暖通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)》不適用于CRH系列動(dòng)車組，因此在高寒動(dòng)車組設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)運(yùn)用環(huán)境研究確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2.2 高寒動(dòng)車組車外最低計(jì)算溫度

為進(jìn)行高寒高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)，調(diào)查研究了東北地區(qū)近10年極端溫度，見表4。

表4 東北地區(qū)城市2000－2009年極端溫度

以上數(shù)據(jù)顯示，哈爾濱地區(qū)最低溫度為－37.3℃、最高溫度為39.2℃，因此運(yùn)用環(huán)境溫度可定為－40℃～＋40℃；而動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)間均在凌晨5：00～24：00之間，避開日出前的最低溫度時(shí)間，所以高寒動(dòng)車組車外計(jì)算最低溫度可選定為－35℃。

2.3 確定車內(nèi)熱舒適度設(shè)計(jì)參數(shù)

我們分別對(duì)UIC 553《客車加熱、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)》和TB/T 1955《鐵道客車采暖通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)》中規(guī)定的車內(nèi)各區(qū)域的溫度和不同溫度時(shí)新風(fēng)量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表5、表6。

表5 各區(qū)域溫度對(duì)比表 ℃

表6 各季節(jié)新風(fēng)量對(duì)比表 m3·h－1

經(jīng)過分析，我們以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)選取CRH380B型高寒動(dòng)車組的熱舒適度設(shè)計(jì)參數(shù)如表7。

表7 高寒動(dòng)車組的冬季熱舒適度參數(shù)表

3 采暖負(fù)荷的計(jì)算

根據(jù)所確定的設(shè)計(jì)參數(shù)，分別對(duì)－35℃和－40℃進(jìn)行采暖加熱設(shè)備功率進(jìn)行計(jì)算。

3.1 計(jì)算公式

3.1.1 熱平衡方程式

式中P為采暖設(shè)備加熱功率，k W；Q1為通過車體隔熱壁損失的熱量，k W；Q2為加熱送入車內(nèi)新鮮空氣所需熱量，k W；Q3為旅客的散熱量，k W；Q4為機(jī)電設(shè)備散熱量，k W。

3.1.2 通過車體隔熱壁損失的熱量按下式計(jì)算

式中K為車體傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；F為車體傳熱面積，m2；K為車體內(nèi)外空氣溫差，K；△t為車體內(nèi)外空氣溫差，K。

3.1.3 加熱送入車內(nèi)新鮮空氣所需熱量按下式計(jì)算。

式中VA為空氣容積流量，m3/s；ρ為空氣密度，kg/m3；CP為空氣定壓比熱，kJ/（kg·K）。

3.1.4 旅客的散熱量按下式計(jì)算

式中：n為車內(nèi)定員數(shù)；q為平均每人散發(fā)的熱量，W。

3.1.5 機(jī)電設(shè)備散熱量Q4通常被當(dāng)作采暖設(shè)備的安全貯備熱在計(jì)算中不予考慮。

3.2 外溫－35℃工況下采暖負(fù)荷計(jì)算

3.2.1 計(jì)算條件

外界環(huán)境溫度 －35℃；

車內(nèi)溫度 22℃；

車輛靜態(tài)傳熱系數(shù) 1.2 W/（m2·K）

車輛350 km/h運(yùn)行時(shí)傳熱系數(shù)1.6 W/（m2·K）

車輛定員 80人

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

（1）通過車體隔熱壁損失的熱量

（2）加熱送入車內(nèi)新鮮空氣所需熱量

（3）車內(nèi)冷負(fù)荷為（無旅客）

（4）旅客散熱

（5）車內(nèi)冷負(fù)荷為（有旅客）

3.3 外溫－40℃工況下采暖負(fù)荷計(jì)算

3.3.1 計(jì)算條件

外界環(huán)境溫度 －40℃；

車內(nèi)溫度 20℃；

車輛靜態(tài)傳熱系數(shù) 1.2 W/（m2·K）

車輛350 km/h運(yùn)行時(shí)傳熱系數(shù)1.6 W/（m2·K）

車輛定員 80人

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

（1）通過車體隔熱壁損失的熱量

（2）加熱送入車內(nèi)新鮮空氣所需熱量

（3）車內(nèi)冷負(fù)荷為（無旅客）

（4）旅客散熱

（5）車內(nèi)冷負(fù)荷為（有旅客）

3.4 采暖計(jì)算結(jié)論

在車外溫度為－35℃的情況下，CRH380B型高寒動(dòng)車組以350 km/h速度運(yùn)行時(shí)，如果車體靜止傳熱系數(shù)小于1.2 W/（m2·K），要保持車廂內(nèi)溫度為22℃以上，需要配備采暖功率37.5 k W；目前CRH380B系列動(dòng)車組采用的采暖功率為46.9 k W的客室空調(diào)機(jī)組，滿足CRH380B型高寒動(dòng)車組采暖功率要求，其安全系數(shù)為1.25。

在車外溫度為－40℃的情況下，CRH380B型高寒動(dòng)車組以350 km/h速度運(yùn)行時(shí)，如果車體靜止傳熱系數(shù)小于1.2 W/（m2·K），車廂內(nèi)溫度可保持在20℃以上。

4 車體隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使CRH380B型高寒動(dòng)車組的車內(nèi)溫度保持在一定范圍內(nèi)，除了安裝制冷和采暖設(shè)備外，還必須要求車體具有較好的隔熱性能。CRH系列高速動(dòng)車組車體大都采用鋁合金車壁結(jié)構(gòu)，并采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，加上玻璃絲棉等保溫材料來保證車輛隔熱性能。

為實(shí)現(xiàn)車體具有理想的隔熱保溫功能，我們對(duì)CRH380B型高寒動(dòng)車組提出3種車體隔熱結(jié)構(gòu)方案，針對(duì)車體各區(qū)域的特殊結(jié)構(gòu)，分別采用不同的保溫材料，以爭(zhēng)取使車體各區(qū)域具有等效傳熱系數(shù)，從而保證在高寒地區(qū)動(dòng)車組的熱舒適度并降低車輛的能量損耗。

4.1 3種隔熱結(jié)構(gòu)方案介紹

3種不同隔熱設(shè)計(jì)方案見表8。

4.2 車體傳熱系數(shù)計(jì)算

4.2.1 車體傳熱系數(shù)計(jì)算原理

熱量從車體一側(cè)的空氣中傳至另一側(cè)的空氣中，其傳熱過程可以分為3個(gè)階段：

（1）表面?zhèn)鳠幔簾崃繌囊粋?cè)的空氣中傳至車體的該側(cè)表面。

（2）車體內(nèi)部傳熱：熱量從車體的一側(cè)表面?zhèn)髦亮硪粋?cè)表面。

（3）表面?zhèn)鳠幔簾崃繌能圀w另一側(cè)表面?zhèn)髦猎搨?cè)的空氣中。

表8 3種隔熱結(jié)構(gòu)方案

這些傳熱過程包括了以熱傳導(dǎo)為主的車體內(nèi)部的導(dǎo)熱和以對(duì)流及輻射為主的車體和車內(nèi)外環(huán)境之間的傳熱，這些傳熱過程的總體性能可由車體的傳熱系數(shù)K來表征。

為達(dá)到合理利用每種隔熱材料的特性、有效地提高車輛隔熱性能之目的，分別對(duì)以上3種隔熱結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行車體傳熱系數(shù)K計(jì)算，并通過對(duì)比和分析尋找節(jié)能環(huán)保的方案。

具體計(jì)算公式如下：式中Ci非均勻材料的總熱阻；Sj為均勻材料的厚度；λj為均勻材料的傳熱系數(shù)；αi為吸熱系數(shù)；αj放熱系數(shù)。

4.2.2 各材料的熱工參數(shù)

各種材料的熱工計(jì)算參數(shù)見表9。

表9 各材料傳熱系數(shù)

4.2.3 3種方案K值計(jì)算結(jié)果

表10 K值計(jì)算匯總

4.3 3種方案對(duì)比分析

（1）在3種防寒材料安裝的方案中，方案1與方案2的隔熱性能基本相同，方案3的K值較大。

（2）雖然采用玻璃絲棉材料的成本較低，但玻璃絲面不僅環(huán)保性差、不可回收，而且當(dāng)列車運(yùn)行一定時(shí)間后玻璃絲棉開始下墜，與車體密貼性不好，車輛的保溫性能不斷下降，從保溫、節(jié)能、環(huán)保角度與其他方案相比方案3都不理想。

（3）方案2與方案1相比雖然隔熱性能相當(dāng)，但是考慮到如果外端墻采用納能＋隔聲隔熱棉將會(huì)提高成本，所以CRH380B型高寒動(dòng)車組采用方案一隔熱材料方案。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

CRH380B型高寒動(dòng)車組在2012年上半年分別完成了車體傳熱系數(shù)試驗(yàn)和－40℃靜止采暖試驗(yàn)。車體傳熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果：一等車K值為0.94 W/（m2·K），二等車（帶受電弓）K值為1.04 W/（m2·K），證明車體隔熱性能良好；靜止采暖試驗(yàn)結(jié)果：在－40℃情況下車內(nèi)溫度均保證在20℃以上；各車從0℃升到18℃所用時(shí)間都在30 min左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于UIC553［2］的標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的70 min的要求。

CRH380B高寒動(dòng)車組已經(jīng)過了一個(gè)冬季在哈大線上載客運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)，客室溫度始終大于22℃，完全滿足旅客熱舒適度要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)車組節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜、繁瑣的系統(tǒng)工程。通過熱工設(shè)計(jì)參數(shù)研究以及采用高效節(jié)能環(huán)保材料及隔熱結(jié)構(gòu)，在沒有增加采暖負(fù)荷的前提下，滿足了更低溫度環(huán)境運(yùn)用要求，驗(yàn)證了熱工設(shè)計(jì)參數(shù)選取及隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性，開創(chuàng)了適用于－40℃ 環(huán)境的節(jié)能環(huán)保型高速動(dòng)車組的先河。

［1］ UIC 553－2004.客車的加熱、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)［S］.

［2］ TB/T 1951－1987.客車空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)［S］.

［3］ TB/T 1957－1991.鐵路空調(diào)客車熱工計(jì)算方法［S］.

［4］ TB/T 1955－2000.鐵路客車采暖通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)［S］.

Research of Low Temperature EMU Thermal Design Parameters

LI Yongheng，YANG Hong
（CNR Changchun Railway Vechicle Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China）

This paper focuses on the heat transfer coefficient of car body，selection of heating load parameters，the study on the design of insulation structure.The thermal parameters of CRH380B is determined according to analysis of technical indexes of Low temperature EMU abroad and the application environment of Harbin to Dalian.The heat transfer coefficient is determined by calculating the heating load demand on the invariant premise of heating power.Car body heat insulation structure is optimized by the calculation results.It was proved that CRH380B meets the requirements of thermal comfort by the heat transfer coefficient test and heating test in minus 40 degrees environment.

heat transfer coefficient；heating load；thermal design parameters；structure optimization

U266.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.02.14

1008－7842（2014）02－0055－05

1—）男，工程師（

2013－11－13）