基于線路的高速列車空調能耗研究

萬瑞琦 畢海權

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基于線路的高速列車空調能耗研究

萬瑞琦 畢海權

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

考慮了列車在固定線路上運行時，沿線天氣變化對空調機組性能的影響，基于標準日整點天氣參數構造沿線天氣參數曲線，采用LMS AMESim平臺建立高速列車空調能耗計算模型，針對武廣線運營的CRH3型高速列車空調運行能耗進行計算，比較不同發車時間列車的空調能耗，以及基于線路方法和傳統固定地點計算方法的能耗差異。

沿線天氣；高速列車；空調能耗；LMS AMESim

0 引言

隨著人民生活水平的提高，車內環境舒適、運行快速平穩的高速列車逐漸受到出行者的青睞，高速鐵路行業發展迅猛，根據2016年發布的《中長期鐵路網規劃》，到2025年，我國鐵路網規模達17.5萬公里左右，其中高速鐵路3.8萬公里左右，并且將建成“八橫八縱”的高速鐵路網。由于我國幅員遼闊、經緯跨度大、氣候類型多，鐵路沿線氣象參數的變化很大，而高鐵室內環境的高要求使空調能耗增加迅猛，如何根據線路準確計算出空調運行能耗對于高速列車的節能降耗十分重要。

對于列車沿線氣象參數模型，我國采用的傳統簡化方法是按北京以南地區鐵路沿線空調列車綜合的熱量變化規律，確定某一代表地區作為客車空調的室外氣象計算參數地區。另外，也有研究提出采用模比系數、神經網絡的方法進行構建[1-3]，但這些方法都只適用于客車空調設計和空調靜態性能的理論分析[4]，只考慮了車外氣象參數變化對圍護結構及新風的影響，而忽略了對運行中的空調機組性能的影響，實際上，車外溫度或濕度的變化都會造成冷凝器和蒸發器進風狀態的改變，引起冷凝溫度和蒸發溫度發生變化，從而對機組性能產生影響[5]。車外溫度從30℃升高到40℃時，空調機組COP會降低18.6%，車外相對濕度從50%升高到80%時，空調機組COP會升高11.7%。考慮到仿真模擬能將這種影響體現到能耗中，為了能提高高速列車空調系統的運行能耗計算準確性，提出一種基于線路的列車能耗計算方法。通過構造沿線氣象參數，結合仿真模擬，對高速列車空調運行能耗進行計算分析。

1 能耗計算方法及驗證

忽略同一線路每趟高速列車運行時長的微小差異，認為選定一條線路進行列車空調能耗計算時，只要確定了列車的始發時間，其空間位置和時間就是一一對應的關系，所以沿線的氣象參數可以直接轉化為以時間為變量的曲線。

當計算列車夏季空調能耗時，參考建筑的計算方法，同樣選擇夏季標準日對沿線氣象曲線進行構造。基于文獻[6]中不同地點的整點氣象參數，根據列車到站準確時刻進行線性插值，得到該站點的氣象參數，再根據沿線站點氣象參數采用插值或者擬合的方式得到沿線氣象參數曲線。

通過上述方法可以得到溫度、濕度、各方向太陽輻射強度關于時間的曲線，再使用LMS AMESim系統仿真平臺建立高速列車空調能耗計算模型，建模過程參考文獻[7]，將各曲線輸入到冷凝器模塊、蒸發器模塊以及負荷模塊中進行計算，即可得到夏季標準日列車運行的空調能耗。

上述方法在建模時忽略了以下幾點：（1）高速列車運行線路中明線占絕大部分，所以不考慮在隧道運行的情況；（2）忽略列車實際運行中時刻改變的車身方向，以起點-終點方向作為太陽輻射的輸入標準；（3）由于車速對列車空調能耗影響很小[8]，忽略車速的變化，用總路程/運行時間作為車速參數的輸入。

如圖1所示，本文建立了夏季某線路列車空調系統AMESim模型計算空調運行能耗，為了保證計算方法的準確性，與測試實驗結果進行比較。

圖1 高速列車空調系統模型

圖2 列車運行試驗空調系統能耗計算誤差

能耗測試時間為2015年7月的八天，計算與結果對比如圖2所示，各工況誤差均在±10%以內，說明本文采用的基于線路的列車空調能耗計算方法準確可靠。

2 基于線路的高速列車空調能耗實例計算

為更清楚的闡述基于線路的列車空調能耗建模方法，選取主要在武廣線運營的CRH3型動車組進行能耗計算分析，根據文獻[5]夏季標準日7月22日的氣象參數以及現行G1103次列車站點情況如表1所示，由于某些站點的氣象數據缺失，選擇其中7個站點進行沿線氣象構造。先采用線性內插值法得到每個站點的氣象參數，再根據三次樣條插值原理，得到隨時間變化的沿線氣象參數曲線，如圖3-4所示。

表1 G1103次列車站點情況

圖3 列車沿線室外溫濕度

圖4 列車沿線太陽輻射

在LMS AMESim列車空調能耗計算模型中冷凝器模塊、蒸發器模塊以及負荷模塊中輸入以上曲線，由于武漢-廣州線路由北向南，假設列車從正北開向正南，車身兩側壁面及車窗輸入東西向的太陽輻射曲線，其余參數按設計值輸入[9]，計算所得G1103次列車空調運行能耗如表2所示。

表2 G1103次列車空調運行能耗

3 基于線路的高速列車空調能耗分析

3.1 發車時間對能耗計算結果的影響

現運營的武廣線全天共有61趟不同發車時間的車次，發車時間改變會引起沿線天氣參數的變化，從而導致空調能耗的變化，除G1103次列車，選取在時間上有代表性的兩個車次，構造沿線天氣曲線，比較其空調運行能耗的差異，從表3可以看出，列車沿線室外氣象參數通過溫度、濕度及太陽輻射對列車空調能耗產生影響，由于G1013次列車運行時間段室外溫度、太陽輻射都較高，所以空調運行能耗最大，相比夜間行駛，無太陽輻射的G1141次列車而言，G1013次列車空調運行能耗大17%左右。

表3 不同發車時間的列車空調運行能耗

3.2 基于線路與固定地點的能耗比較

傳統仿真模擬時采用固定地點的天氣參數[6]，為了比較兩種方法計算的差異，又選取了南北方向跨度更大的京廣線（班次：G71，運行時間：07:40～17:14）和東西方向滬漢蓉線（班次：D638，運行時間：07:12～22:38）進行計算，比較基于線路和固定于起點城市、終點城市以及中間城市的空調能耗計算結果，這里的分析忽略不同型號的動車組間空調型號和結構參數等有差異，統一采用CRH3型動車組模型進行計算。

如表4所示，采用固定地點天氣參數計算的列車空調運行能耗與實際沿線運行能耗有一定誤差，僅用某一地點的天氣參數代替沿線天氣計算空調能耗是不準確的。另一方面，兩條南北向的線路：武廣線和京廣線列車運行空調能耗都體現出了相同的規律，沿線天氣能耗計算值介于起點城市、終點城市值之間，如圖5所示，這與我國的氣候分區規律是相符的，從北到南，夏季的沿線溫度與輻射值會呈現變大的趨勢，而東西向的規律并不明顯。

表4 基于線路和固定地點的空調運行能耗

圖5 我國氣候分區圖

4 結論與不足

本文提出了一種基于線路的高速列車空調能耗計算方法，通過對武廣線列車空調能耗的計算分析，得到以下結論：

（1）根據沿線站點氣象參數進行插值得到僅與時間有關的沿線天氣參數曲線，基于此曲線進行仿真模擬，可得到列車沿線空調運行能耗。

（2）高速列車空調運行能耗與發車時間有關，武廣線G1013次列車由于運行時間段室外溫度、太陽輻射都較高，空調運行能耗相比夜間行駛，無太陽輻射的G1141次列車高17%左右。

（3）采用固定地點天氣參數計算的列車空調運行能耗與實際沿線運行能耗有一定誤差，僅用某一地點的天氣參數代替沿線天氣計算空調能耗是不準確的。

（4）南北向的武廣線和京廣線，基于線路的空調運行能耗值，介于采用起點城市和終點城市天氣參數計算的空調能耗值之間，這與我國的氣候分區規律相符。

由于分析的線路有限，只能得出定性的結論，今后可以通過對多條列車線路空調運行能耗的研究來得到定量的規律，為列車空調能耗的預測給出建議。

[1] 陳夏.舒適性空調列車能耗分析與節能優化研究[D].南昌:華東交通大學,2012.

[2] 張皓皓,胡益雄.鐵路列車沿線車外氣象參數模型的建立[J].鐵道機車車輛,2007,27(5)21-23.

[3] 潘陽,屈睿瑰.鐵路沿線室外氣象參數的神經網絡構成[J].中國鐵道科學,2004,25(4):129-134.

[4] 周陽.地鐵列車地上運行時夏季空調系統能耗研究[D].成都:西南交通大學,2015.

[5] 張皓皓.鐵路客車沿線氣象參數模型及其應用研究[D].長沙:中南大學,2007.

[6] 中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[7] 周陽,畢海權,魯華偉,等.基于LMS AMESim的城市軌道交通車輛空調制冷系統研究[J].制冷與空調,2016,30(1):20-22.

[8] 于文華.高速列車空調系統能耗計算及預測分析[D].成都:西南交通大學,2014.

[9] 武雙虎,董偉力,胡傳捷,等.CRH_3型高速動車組暖通空調系統[J].中國鐵路,2013,(Z):4-8.

Research on Air Conditioning Energy Consumption of High-speed Train Based on Railway Line Weather

Wan Ruiqi Bi Haiquan

( Mechanical Engineering of southwest jiaotong university, Chengdu, 610031 )

Consider the trains running on fixed line, the changes of weather along the railway line has an impact on air conditioning unit performance. Construct the railway line weather curve based on the standard daily hourly weather data, build high-speed train air-conditioning energy consumption calculation model by use of LMS AMESim platform, computes for CRH3 high-speed train air conditioning energy consumption which operating in the Wuhan-Guangzhou line, compares air conditioning energy consumption of different train trips, compares the air conditioning energy consumption calculate results between railway line weather method and traditional fixed location method.

railway line weather; high-speed train; air conditioning energy consumption; LMS AMESim

1671-6612（2016）06-634-04

U270.383

A

萬瑞琦（1991-），女，在讀碩士研究生，E-mail：332160323@qq.com

畢海權（1974-），男，博士研究生，教授，E-mail：bhquan@163.com

2016-02-18