地鐵整車及各部位傳熱系數（K?值）的計算與分析

黃秋霞　周家林　田根龍　楊茂現

摘 要：傳熱系數（K 值）是影響車輛空調負荷及車內環境舒適性的重要因素之一，因此必須滿足車輛車體的設計要求。首先闡述哈薩克斯坦地鐵整車及各部位的 K 值特點與結構關聯，然后通過計算機仿真軟件對其 K 值進行模擬與分析，最后對車體整車的 K 值進行等效計算，得到整車的 K 值約為1.95 W/m2 · K，該值滿足結構及材料的設計要求 2 W/m2 · K，這可為降低空調負荷提供參考依據。

關鍵詞：地鐵;車輛;傳熱系數;仿真;傳熱模型;熱流密度

中圖分類號：U270.2

隨著科技的不斷發展，車體種類、結構以及材料也逐漸多樣化。車輛傳熱系數K值隨車體結構、車型以及運行速度的變化而變化，其中車體結構對整車的K值有很大的影響。

目前，電動車組車輛在地鐵方面的重要性日益顯現，研究各部位冷橋對整車K值的影響可以更好地為優化列車空調系統性能、改進車體結構及改善車內環境提供有利的設計數據，并有利于今后在滿足乘客舒適性的基礎上進行更為經濟、高效的設計。本文以哈薩克斯坦電動車組地鐵車輛為研究對象，將整車以及各部位平壁和冷橋的K值進行計算與分析，以便為指導地鐵列車的防寒及保溫設計提供參考。

1 K值計算方法

1.1 K 值定義及研究意義

整車的K值越小，該車的保溫性就越好。根據鐵路標準TB/T 1957-1991《空調客車熱工計算方法》可知，空調負荷與車體的結構、材料等密切相關，因此通過改善車體熱工性能、降低K值，有助于降低空調負荷及改善車室內的熱環境;同時，分析車體各部位的結構、材料對整車K值影響的大小，對整車的隔熱與保溫設計具有重要的指導意義。

1.2? ?材料特性及室內外邊界條件

車體材料的特性如表1所示。

車體室內外邊界條件如下：①室內計算溫度為14℃;②室外計算溫度為-35 ℃;③內表面對流換熱系數為8 W/（m · K）;④外表面對流換熱系數為16W/（m · K）。

1.3 等效 K 值的計算

由于冷橋部位結構的特殊性，其計算方法也不同，因此在冷橋處通常采用等效K值的計算方法。簡單平壁K值的計算方法簡單，可由公式直接得出，但冷橋及復雜平壁的K值則需先建模，再用有限元法進行計算。復雜平壁模型和冷橋模型建模計算步驟分別如圖1和圖2所示。

由經驗可知，冷橋部位的面積在整車上所占比例很小，但對K值影響大，因此整車冷橋節點數量的多少對K值的大小起著決定性作用。

2 整車平壁區域 K 值的計算

整車平壁按結構分為車底（地板）平壁、側墻平壁和車頂平壁3部分區域。

2.1 車底平壁區域 K 值的計算

車底平壁結構及材料示意圖如圖3所示。車底型材梁骨的導熱系數大，故其溫度梯度小。車體內表面的平均溫度高于露點溫度（-2.3 ℃），因而此處不會結露。

車底平均熱流密度q（取內表面）及傳熱系數K值的計算公式分別為：

式（1）和式（2）中，qi為某一點的熱流密度;ds為某一點面積的微分;s為總面積;tn - tf為前后溫差。

根據模擬結果，由式（1）和式（2）計算可得：q = 43.65W / m?，K = 1.02W/（m? · K）。

2.2 側墻平壁區域 K 值的計算

側墻窗上、下側結構與材料示意如圖4所示，其傳熱模型溫度分布如圖5所示。對于窗戶間側墻處，車內表面的平均溫度一般約為12.3℃。該值高于露點溫度（-2.3℃），所以該處不會結露。

根據模擬結果，由式（1）計算出窗戶間側墻上、下側的平均熱流密度q分別為13.01 W / m?和13.31W / m?，上、下側的等效傳熱系數K值分別為0.28W/（m? · K）和0.286 1 W/（m? · K）。

2.3 車頂平壁區域 K 值的計算

車頂平壁區域包括車頂空調機組下側平壁區域和車頂非空調機組區域。

2.3.1 車頂空調機組下側平壁區域 K 值計算

空調機組下側平壁結構及材料示意和傳熱模型溫度分布如圖6所示。由圖6b可以看出，車內表面溫度比較均勻，約為12.87℃。此溫度高于露點溫度（1.6℃），故此處不會出現結露現象。根據模擬結果，由式（1）和式（2）計算得：q = 9.05 W / m?，K = 0.19 W/（m? · K）。

2.3.2 車頂非空調機組區域 K 值計算

根據車頂非空調機組結構及材料示意（圖7）對傳熱模型進行網格劃分：對于客室車頂處，車內表面溫度的平均值約為4.8 ℃，該值高于露點溫度（-2.3℃），所以該處不會結露。根據模擬結果，由式（1）計算得：q= 62.37 W / m?，K= 1.64 W/（m? · K）。

2.4 車體平壁區域平均 K 值的計算

車體平壁各部位的面積A、K值及平均K值分別如表2和表3所示。

整車平壁部分的平均傳熱系數按下式計算為：

式（3）中，Aw為某部分的面積;K為某部分的傳熱系數;A總 為整車面積。

3 車體冷橋模型建立及 K 值計算

整車上，車體冷橋主要分布在車底、車頂和側墻3 個區域。其中，車底冷橋有冷橋1和冷橋2 兩部分;車頂冷橋為冷橋3;側墻冷橋有6部分，分別為冷橋 4、冷橋5、冷橋4與5的合并處、冷橋6、冷橋7和冷橋 8。

3.1 車底冷橋計算

車底冷橋模型建立如圖8所示。冷橋1和冷橋2的結構及材料示意與傳熱模型溫度分布分別如圖9和圖10所示。

對于車底冷橋1處，從車內表面溫度分布可以看出，該處溫度的平均值約為-10.6℃。該值低于露點溫度（-2.3℃），所以此處會結露。

根據模擬結果，由式（1）和式（2）計算得：q = 197.25 W / m²，K = 8.97 W/（m²· K）。

對于車底冷橋2處，從車內表面溫度分布可以看出，該處溫度的平均值約為-13.58 ℃。該值低于露點溫度（-2.3℃），所以此處會結露。

根據模擬結果，由式（1）和式（2）計算得：q = 220.10W / m²，K = 63.61W /（m²· K）。

以上2處冷橋均出現了結露現象，因此應當引起重視。

3.2 車頂冷橋計算

車頂冷橋的結構與材料示意圖及傳熱模型溫度分布如圖11所示。

對于車頂冷橋3處，從車內表面溫度分布可以看出，此構件周圍溫度約為10.90 ℃。該值高于露點溫度（-2.3 ℃），所以此處不會結露。

根據模擬結果，由式（1）和式（2）計算得：q = 296.80 W / m²，K= 6.93 W/（m²· K）。

3.3 側墻冷橋計算

側墻冷橋結構示意如圖12所示，其q和K值的計算同上，這里不再贅述。

3.4 冷橋 K 值計算結果匯總

為整車K值計算的方便，現將模擬結果匯總如表4所示。

根據表4和式（3）計算得整車冷橋的平均傳熱系數KL值為4.79 W/（m2 · K）。

4 車體各部位 K 值計算結果

車體各部位冷橋、平壁的平均K值對整車的影響占比如表5所示。

根據整車冷橋及平壁結構的模擬結果匯總，計算得出哈薩克斯坦地鐵整車的平均傳熱系數K值為：

該值為綜合考慮車體各部位冷橋及平壁結構的等效計算結果，較準確地反映了整車車體的傳熱系數。

5 結論

本文以哈薩克斯坦地鐵為例，先對整車各部位平壁區域的熱流密度及傳熱系數進行模擬計算，然后再通過建立模型對各區域的冷橋結構進行等效計算。最終，將整車各部位結構的K值匯總，并計算得出整車的K值為1.95 W/（m2 · K）。結果表明，該車車體的結構及材料設計滿足K值要求，適用于哈薩克斯坦地鐵。

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收稿日期 2019-12-30

責任編輯 黨選麗

Calculation and analysis of heat transfer coefficient （K value） of metro vehicles and components

Huang Qiuxia， Zhou Jialin， Tian Genlong， et al.

Abstract： The heat transfer coefficient （K-value） is one of the important factors that affect the air conditioning load and the passenger riding comfort of the interior environment of the vehicle， so it must meet the design requirements of the vehicle body. Firstly， this paper discusses that the K-value characteristics of Kazakhstan metro vehicle and its parts are related to the structure. Secondly， the K-value of the vehicles and components is simulated and analyzed by computer simulation software. In the final conclusion， this paper describes the equivalent calculation of the K-value of the whole vehicle. The K-value of the whole vehicle is about 1.95 W/（m2 · K）， which meets the design requirements of structure and material （2 W/（m2 · K））， providing a reference for reducing air conditioning load.

Keywords： subway， vehicle， heat transfer coefficient， simulation， heat transfer model， heat flow density

作者簡介：黃秋霞（1983—），女，高級工程師