列車地板熱橋結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

馬遠(yuǎn)釗

【摘 要】 利用計算機仿真技術(shù)分析車體地板的熱工性能，進行K值計算，并根據(jù)模擬結(jié)果分析地板結(jié)構(gòu)、判斷熱橋?qū)圀w熱工性能的影響，進而更好的指導(dǎo)車體的優(yōu)化設(shè)計，為解決熱橋問題，降低空調(diào)負(fù)荷提供技術(shù)指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】 地板 隔熱 熱橋 仿真

近年來，隨著列車車體性能的不斷提高，車體結(jié)構(gòu)和材料也隨之有了一系列的改變，這些變化對列車車體隔熱性能會產(chǎn)生一定的影響。隔熱性能是影響車體傳熱的主要因素，研究不同車體結(jié)構(gòu)對隔熱性能的影響，特別是熱橋結(jié)構(gòu)對隔熱性能的影響，對于分析列車運行能耗、確定其空調(diào)負(fù)荷、避免惡劣工況（內(nèi)壁結(jié)露、局部溫度過高）的出現(xiàn)、以及維持車內(nèi)舒適的熱環(huán)境均有著重要的意義[1]。熱橋是由于某種材料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它周圍材料的導(dǎo)熱系數(shù)而產(chǎn)生的。熱橋的存在會導(dǎo)致車體傳熱系數(shù)的增加，影響情況與熱橋影響面積及熱橋區(qū)域的K值有關(guān)[2]。本文綜合采用理論分析、數(shù)值模擬等方法，通過對列車地板典型熱橋結(jié)構(gòu)隔熱性能的計算、分析和優(yōu)化，減少熱橋結(jié)構(gòu)對隔熱性能的影響，降低整車的K值，為新一代高速列車的隔熱性能設(shè)計提供理論上的指導(dǎo)。

1 列車車體傳熱負(fù)荷計算

按照TB1957-91《空調(diào)客車熱工計算方法》，車體的隔熱保溫研究主要針對減少車體傳熱負(fù)荷來進行。

傳熱負(fù)荷：

（1）

式中：——通過車體隔熱壁損失的熱量（傳熱負(fù)荷），；

K——車體傳熱系數(shù)，；

A——車體表面積，；

——車體內(nèi)外側(cè)空氣溫差，。

車體表面積和內(nèi)外溫差為定值，由（1）式可以看出車體傳熱負(fù)荷的計算關(guān)鍵是K值的確定，而對車體進行隔熱保溫的目的就是減小K值。

準(zhǔn)確地確定各部分的K值對于車體傳熱負(fù)荷的計算及其隔熱保溫的設(shè)計具有重要影響。

2 熱橋傳熱理論分析

2.1 列車地板熱橋結(jié)構(gòu)特點

列車地板一般由車體型材、防寒材、地板、內(nèi)飾件等組成。圖1為列車地板剖面圖。

2.2 熱橋影響面積的確定方法

以冬季工況對熱橋進行仿真計算，熱橋中心的溫度最低，熱流密度最大，由熱橋中心向周圍溫度逐漸趨向正常溫度，熱流密度亦逐漸趨向正常熱流密度。當(dāng)?shù)竭_(dá)某點時溫度與正常溫度相差3%以內(nèi)，熱流密度與正常熱流密度相差3%以內(nèi)，即把該點作為分界點，根據(jù)對稱性，以從熱橋中心到這點的距離作為半徑的圓的面積即熱橋的影響面積[3]。

2.3 熱橋數(shù)學(xué)模型的建立

本研究中用有限單元法對地板熱橋結(jié)構(gòu)進行劃分，并通過加載第三類邊界條件，利用計算仿真軟件對車體熱橋的熱工性能進行計算仿真。

對于無內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)溫度場的各向同性物體導(dǎo)熱微分方程三維問題[4]，方程的形式為：

（2）

第三類邊界條件是指與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)為已知。用公式表示為：

（3）

與可以是常數(shù)，也可以是某種隨時間和位置而變化的函數(shù)。如果與不是常數(shù)，則在數(shù)值計算中經(jīng)常分段取其平均值作為常數(shù)。根據(jù)以上計算公式，利用計算機對網(wǎng)格進行自動劃分，來進行熱流密度場的計算。

3 地板熱橋傳熱模型和優(yōu)化模型的仿真計算

根據(jù)熱橋結(jié)構(gòu)以及做仿真模擬計算的溫度，在熱橋的仿真模擬當(dāng)中采用以下邊界條件：

（1）車室內(nèi)計算溫度：20；（2）車室外計算溫度：-25；（按動車組實際運行過程中，最不利狀況選取）；（3）外表面對流換熱系數(shù)：142.9；（4）內(nèi)表面對流換熱系數(shù)：8。

4 地板槽鋼和螺栓傳熱模型和優(yōu)化模型的仿真計算

4.1 建立模型

由圖2和4可知槽鋼和螺栓直接聯(lián)通車體內(nèi)外，形成了一個傳遞熱量的通道。而槽鋼是焊接在車體型材鋁合金上沒法進行隔斷，所以在上方一個螺栓處加局部隔熱材1厚PVC墊板，此處加PVC墊板后可能會導(dǎo)致地板松動，再加一個不銹鋼螺帽使地板固定。優(yōu)化模型如圖3和5所示。對模型進行仿真計算，熱流密度場的分布情況（如圖6至9）。

4.2 熱流密度分布

由圖6至9仿真結(jié)果可得下表1所示結(jié)果。

5 地板熱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的計算結(jié)果及對整車K值的影響

為便于結(jié)果分析，將熱橋模擬結(jié)果匯總?cè)绫?：

表2中K·A值為傳熱系數(shù)K與影響面積A的乘積。

由于車體內(nèi)外溫差為定值，車體傳熱負(fù)荷由整個車體的K·A值確定，有效減小車體局部熱橋區(qū)域的K·A值，即減小了整個車體的K·A值，可以減少車體的傳熱負(fù)荷。

由表2可知地板2個熱橋模型優(yōu)化后車體局部的K·A值分別減少了11.1和4.44，共減少15.55。

以現(xiàn)有250公里動車組為例，未考慮以上熱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響時，車體K值為1.1，車體總面積為259.38。

考慮以上熱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響后，車體K·A值共減少了15.55，此時車體的K值為1.04，比優(yōu)化前減小5%，有利于降低空調(diào)負(fù)荷。

由于以上熱橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，只是對個別螺栓位置加1厚PVC墊板，對列車的地板局部構(gòu)造強度、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)成本沒有影響，所以該優(yōu)化措施是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳俊云，王剛，劉訓(xùn)海，等.空調(diào)客車廂體結(jié)構(gòu)傳熱數(shù)值分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報，2005，27（4）：287-290.

[2]趙淑敏.濟南地區(qū)建筑熱橋能耗分析與研究[J].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.endprint

【摘 要】 利用計算機仿真技術(shù)分析車體地板的熱工性能，進行K值計算，并根據(jù)模擬結(jié)果分析地板結(jié)構(gòu)、判斷熱橋?qū)圀w熱工性能的影響，進而更好的指導(dǎo)車體的優(yōu)化設(shè)計，為解決熱橋問題，降低空調(diào)負(fù)荷提供技術(shù)指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】 地板 隔熱 熱橋 仿真

近年來，隨著列車車體性能的不斷提高，車體結(jié)構(gòu)和材料也隨之有了一系列的改變，這些變化對列車車體隔熱性能會產(chǎn)生一定的影響。隔熱性能是影響車體傳熱的主要因素，研究不同車體結(jié)構(gòu)對隔熱性能的影響，特別是熱橋結(jié)構(gòu)對隔熱性能的影響，對于分析列車運行能耗、確定其空調(diào)負(fù)荷、避免惡劣工況（內(nèi)壁結(jié)露、局部溫度過高）的出現(xiàn)、以及維持車內(nèi)舒適的熱環(huán)境均有著重要的意義[1]。熱橋是由于某種材料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它周圍材料的導(dǎo)熱系數(shù)而產(chǎn)生的。熱橋的存在會導(dǎo)致車體傳熱系數(shù)的增加，影響情況與熱橋影響面積及熱橋區(qū)域的K值有關(guān)[2]。本文綜合采用理論分析、數(shù)值模擬等方法，通過對列車地板典型熱橋結(jié)構(gòu)隔熱性能的計算、分析和優(yōu)化，減少熱橋結(jié)構(gòu)對隔熱性能的影響，降低整車的K值，為新一代高速列車的隔熱性能設(shè)計提供理論上的指導(dǎo)。

1 列車車體傳熱負(fù)荷計算

按照TB1957-91《空調(diào)客車熱工計算方法》，車體的隔熱保溫研究主要針對減少車體傳熱負(fù)荷來進行。

傳熱負(fù)荷：

（1）

式中：——通過車體隔熱壁損失的熱量（傳熱負(fù)荷），；

K——車體傳熱系數(shù)，；

A——車體表面積，；

——車體內(nèi)外側(cè)空氣溫差，。

車體表面積和內(nèi)外溫差為定值，由（1）式可以看出車體傳熱負(fù)荷的計算關(guān)鍵是K值的確定，而對車體進行隔熱保溫的目的就是減小K值。

準(zhǔn)確地確定各部分的K值對于車體傳熱負(fù)荷的計算及其隔熱保溫的設(shè)計具有重要影響。

2 熱橋傳熱理論分析

2.1 列車地板熱橋結(jié)構(gòu)特點

列車地板一般由車體型材、防寒材、地板、內(nèi)飾件等組成。圖1為列車地板剖面圖。

2.2 熱橋影響面積的確定方法

以冬季工況對熱橋進行仿真計算，熱橋中心的溫度最低，熱流密度最大，由熱橋中心向周圍溫度逐漸趨向正常溫度，熱流密度亦逐漸趨向正常熱流密度。當(dāng)?shù)竭_(dá)某點時溫度與正常溫度相差3%以內(nèi)，熱流密度與正常熱流密度相差3%以內(nèi)，即把該點作為分界點，根據(jù)對稱性，以從熱橋中心到這點的距離作為半徑的圓的面積即熱橋的影響面積[3]。

2.3 熱橋數(shù)學(xué)模型的建立

本研究中用有限單元法對地板熱橋結(jié)構(gòu)進行劃分，并通過加載第三類邊界條件，利用計算仿真軟件對車體熱橋的熱工性能進行計算仿真。

對于無內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)溫度場的各向同性物體導(dǎo)熱微分方程三維問題[4]，方程的形式為：

（2）

第三類邊界條件是指與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)為已知。用公式表示為：

（3）

與可以是常數(shù)，也可以是某種隨時間和位置而變化的函數(shù)。如果與不是常數(shù)，則在數(shù)值計算中經(jīng)常分段取其平均值作為常數(shù)。根據(jù)以上計算公式，利用計算機對網(wǎng)格進行自動劃分，來進行熱流密度場的計算。

3 地板熱橋傳熱模型和優(yōu)化模型的仿真計算

根據(jù)熱橋結(jié)構(gòu)以及做仿真模擬計算的溫度，在熱橋的仿真模擬當(dāng)中采用以下邊界條件：

（1）車室內(nèi)計算溫度：20；（2）車室外計算溫度：-25；（按動車組實際運行過程中，最不利狀況選取）；（3）外表面對流換熱系數(shù)：142.9；（4）內(nèi)表面對流換熱系數(shù)：8。

4 地板槽鋼和螺栓傳熱模型和優(yōu)化模型的仿真計算

4.1 建立模型

由圖2和4可知槽鋼和螺栓直接聯(lián)通車體內(nèi)外，形成了一個傳遞熱量的通道。而槽鋼是焊接在車體型材鋁合金上沒法進行隔斷，所以在上方一個螺栓處加局部隔熱材1厚PVC墊板，此處加PVC墊板后可能會導(dǎo)致地板松動，再加一個不銹鋼螺帽使地板固定。優(yōu)化模型如圖3和5所示。對模型進行仿真計算，熱流密度場的分布情況（如圖6至9）。

4.2 熱流密度分布

由圖6至9仿真結(jié)果可得下表1所示結(jié)果。

5 地板熱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的計算結(jié)果及對整車K值的影響

為便于結(jié)果分析，將熱橋模擬結(jié)果匯總?cè)绫?：

表2中K·A值為傳熱系數(shù)K與影響面積A的乘積。

由于車體內(nèi)外溫差為定值，車體傳熱負(fù)荷由整個車體的K·A值確定，有效減小車體局部熱橋區(qū)域的K·A值，即減小了整個車體的K·A值，可以減少車體的傳熱負(fù)荷。

由表2可知地板2個熱橋模型優(yōu)化后車體局部的K·A值分別減少了11.1和4.44，共減少15.55。

以現(xiàn)有250公里動車組為例，未考慮以上熱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響時，車體K值為1.1，車體總面積為259.38。

考慮以上熱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響后，車體K·A值共減少了15.55，此時車體的K值為1.04，比優(yōu)化前減小5%，有利于降低空調(diào)負(fù)荷。

由于以上熱橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，只是對個別螺栓位置加1厚PVC墊板，對列車的地板局部構(gòu)造強度、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)成本沒有影響，所以該優(yōu)化措施是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳俊云，王剛，劉訓(xùn)海，等.空調(diào)客車廂體結(jié)構(gòu)傳熱數(shù)值分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報，2005，27（4）：287-290.

[2]趙淑敏.濟南地區(qū)建筑熱橋能耗分析與研究[J].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.endprint

【摘 要】 利用計算機仿真技術(shù)分析車體地板的熱工性能，進行K值計算，并根據(jù)模擬結(jié)果分析地板結(jié)構(gòu)、判斷熱橋?qū)圀w熱工性能的影響，進而更好的指導(dǎo)車體的優(yōu)化設(shè)計，為解決熱橋問題，降低空調(diào)負(fù)荷提供技術(shù)指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】 地板 隔熱 熱橋 仿真

近年來，隨著列車車體性能的不斷提高，車體結(jié)構(gòu)和材料也隨之有了一系列的改變，這些變化對列車車體隔熱性能會產(chǎn)生一定的影響。隔熱性能是影響車體傳熱的主要因素，研究不同車體結(jié)構(gòu)對隔熱性能的影響，特別是熱橋結(jié)構(gòu)對隔熱性能的影響，對于分析列車運行能耗、確定其空調(diào)負(fù)荷、避免惡劣工況（內(nèi)壁結(jié)露、局部溫度過高）的出現(xiàn)、以及維持車內(nèi)舒適的熱環(huán)境均有著重要的意義[1]。熱橋是由于某種材料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它周圍材料的導(dǎo)熱系數(shù)而產(chǎn)生的。熱橋的存在會導(dǎo)致車體傳熱系數(shù)的增加，影響情況與熱橋影響面積及熱橋區(qū)域的K值有關(guān)[2]。本文綜合采用理論分析、數(shù)值模擬等方法，通過對列車地板典型熱橋結(jié)構(gòu)隔熱性能的計算、分析和優(yōu)化，減少熱橋結(jié)構(gòu)對隔熱性能的影響，降低整車的K值，為新一代高速列車的隔熱性能設(shè)計提供理論上的指導(dǎo)。

1 列車車體傳熱負(fù)荷計算

按照TB1957-91《空調(diào)客車熱工計算方法》，車體的隔熱保溫研究主要針對減少車體傳熱負(fù)荷來進行。

傳熱負(fù)荷：

（1）

式中：——通過車體隔熱壁損失的熱量（傳熱負(fù)荷），；

K——車體傳熱系數(shù)，；

A——車體表面積，；

——車體內(nèi)外側(cè)空氣溫差，。

車體表面積和內(nèi)外溫差為定值，由（1）式可以看出車體傳熱負(fù)荷的計算關(guān)鍵是K值的確定，而對車體進行隔熱保溫的目的就是減小K值。

準(zhǔn)確地確定各部分的K值對于車體傳熱負(fù)荷的計算及其隔熱保溫的設(shè)計具有重要影響。

2 熱橋傳熱理論分析

2.1 列車地板熱橋結(jié)構(gòu)特點

列車地板一般由車體型材、防寒材、地板、內(nèi)飾件等組成。圖1為列車地板剖面圖。

2.2 熱橋影響面積的確定方法

以冬季工況對熱橋進行仿真計算，熱橋中心的溫度最低，熱流密度最大，由熱橋中心向周圍溫度逐漸趨向正常溫度，熱流密度亦逐漸趨向正常熱流密度。當(dāng)?shù)竭_(dá)某點時溫度與正常溫度相差3%以內(nèi)，熱流密度與正常熱流密度相差3%以內(nèi)，即把該點作為分界點，根據(jù)對稱性，以從熱橋中心到這點的距離作為半徑的圓的面積即熱橋的影響面積[3]。

2.3 熱橋數(shù)學(xué)模型的建立

本研究中用有限單元法對地板熱橋結(jié)構(gòu)進行劃分，并通過加載第三類邊界條件，利用計算仿真軟件對車體熱橋的熱工性能進行計算仿真。

對于無內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)溫度場的各向同性物體導(dǎo)熱微分方程三維問題[4]，方程的形式為：

（2）

第三類邊界條件是指與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)為已知。用公式表示為：

（3）

與可以是常數(shù)，也可以是某種隨時間和位置而變化的函數(shù)。如果與不是常數(shù)，則在數(shù)值計算中經(jīng)常分段取其平均值作為常數(shù)。根據(jù)以上計算公式，利用計算機對網(wǎng)格進行自動劃分，來進行熱流密度場的計算。

3 地板熱橋傳熱模型和優(yōu)化模型的仿真計算

根據(jù)熱橋結(jié)構(gòu)以及做仿真模擬計算的溫度，在熱橋的仿真模擬當(dāng)中采用以下邊界條件：

（1）車室內(nèi)計算溫度：20；（2）車室外計算溫度：-25；（按動車組實際運行過程中，最不利狀況選取）；（3）外表面對流換熱系數(shù)：142.9；（4）內(nèi)表面對流換熱系數(shù)：8。

4 地板槽鋼和螺栓傳熱模型和優(yōu)化模型的仿真計算

4.1 建立模型

由圖2和4可知槽鋼和螺栓直接聯(lián)通車體內(nèi)外，形成了一個傳遞熱量的通道。而槽鋼是焊接在車體型材鋁合金上沒法進行隔斷，所以在上方一個螺栓處加局部隔熱材1厚PVC墊板，此處加PVC墊板后可能會導(dǎo)致地板松動，再加一個不銹鋼螺帽使地板固定。優(yōu)化模型如圖3和5所示。對模型進行仿真計算，熱流密度場的分布情況（如圖6至9）。

4.2 熱流密度分布

由圖6至9仿真結(jié)果可得下表1所示結(jié)果。

5 地板熱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的計算結(jié)果及對整車K值的影響

為便于結(jié)果分析，將熱橋模擬結(jié)果匯總?cè)绫?：

表2中K·A值為傳熱系數(shù)K與影響面積A的乘積。

由于車體內(nèi)外溫差為定值，車體傳熱負(fù)荷由整個車體的K·A值確定，有效減小車體局部熱橋區(qū)域的K·A值，即減小了整個車體的K·A值，可以減少車體的傳熱負(fù)荷。

由表2可知地板2個熱橋模型優(yōu)化后車體局部的K·A值分別減少了11.1和4.44，共減少15.55。

以現(xiàn)有250公里動車組為例，未考慮以上熱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響時，車體K值為1.1，車體總面積為259.38。

考慮以上熱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響后，車體K·A值共減少了15.55，此時車體的K值為1.04，比優(yōu)化前減小5%，有利于降低空調(diào)負(fù)荷。

由于以上熱橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，只是對個別螺栓位置加1厚PVC墊板，對列車的地板局部構(gòu)造強度、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)成本沒有影響，所以該優(yōu)化措施是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳俊云，王剛，劉訓(xùn)海，等.空調(diào)客車廂體結(jié)構(gòu)傳熱數(shù)值分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報，2005，27（4）：287-290.

[2]趙淑敏.濟南地區(qū)建筑熱橋能耗分析與研究[J].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.endprint