100%低地板有軌電車車頂部位隔熱仿真分析與試驗

楊海軍，譚文才，李占一，郭英潔

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062)*

隨著我國城市化建設的飛速發展和城市人口數量大幅增加，城市軌道交通系統在城市建設和發展進程中的作用越來越明顯，軌道交通不僅方便了人們出行，還大大提高了人們的出行品質.在部分城市100%低地板車輛因具有快捷、舒適、準時、方便和不受天氣環境影響等諸多優點而被廣泛應用［1-3］.

車輛隔熱性能直接影響著空調冷熱負荷的大小和旅客乘坐的舒適性［4-5］.目前，國內外諸多學者已對車體隔熱性能進行了大量的研究，日本山田雅士［6］對在隧道內運行的碳鋼車、不銹鋼車和鋁車K值進行了大量研究.張錫寧，李培清［7］提出車體結構邊界條件采用經驗匹配法時，車體綜合傳熱系數可以通過兩個二維導熱問題相疊加的求解方法來計算.王玲，易柯等［8］將城鐵車客室模型簡化成二維，并沿車體方向選取部分典型截面，應用CFD軟件對簡化后的模型進行計算并得到傳熱系數，通過面積加權的方法得出整車傳熱系數.孫寶紅［9］在車廂圍護結構隔熱性能與客室內流組織方面進行了深入研究，對非靜止條件下車體傳熱系數進行了計算，對靜止條件下的車體傳熱系數進行了計算和實驗.杜子學，尉遲志鵬等［10］以重慶2號線單軌列車為基礎，通過分析研究得到了車體分區域和整車傳熱系數的計算公式，并以公式為依據計算得到了整車靜止條件下的傳熱系數。城軌車輛在車體結構中存在部分貫穿車體的金屬部件，這些金屬部件作為熱橋直接影響著車輛整體的隔熱性能［11］，目前，國內外對車輛熱橋傳熱的研究相對較少.

南方沿海城市由于夏季室外溫度較高且空氣中相對濕度較大，車輛客室頂板與車體頂板之間的空氣流通性較差，太陽輻射使該區域溫度變高，空調出風口處的格柵受冷風影響溫度降低，極易在格柵上出現凝露現象.因此合理的布置車頂部位的隔熱材、改善該區域溫度，降低格柵與周圍的溫度差至關重要.本文對南方某沿海城市100%低地板車輛車頂部位的內裝隔熱方案進行了優化，采用STAR-CCM+仿真分析軟件進行了仿真分析計算，對車頂部位的隔熱材進行選擇和布置，并通過試驗對優化方案進行了驗證.

1 計算模型及參數

文中計算采用的列車編組包括3種車型，如圖1所示，分別標記為A車，B車和C車，由于冷凝水問題C車最嚴重，因此，本文僅對C車車頂隔熱方案進行優化.C車斷面如圖2所示，C車車頂模型包括PET泡沫板，鋼結構，隔熱材，鋁型材滑槽(斷面圖中未顯示)，客室頂板、鋁蜂窩側頂板和格柵，材料導熱系數如表1所示.邊界條件，車外溫度取該地區夏季最高溫度36℃，車內溫度取空調設定溫度24℃，車輛處于靜止狀態時，計算過程中給定第一類邊界條件.

圖1 100%低地板車輛模型

圖2 C車斷面圖

表1 材料導熱系數

采用STAR-CCM+仿真分析軟件，通過更改不同的變量對隔熱材優化方案進行仿真對比分析，具體方法如下:

(1)鋪裝隔熱材的位置不變(鋼結構橫梁和鋁型材滑槽無隔熱材)，隔熱材厚度分別為6 mm，9 mm，19 mm和25 mm;

(2)隔熱材厚度不變，鋪裝隔熱材的位置變化(鋼結構橫梁和鋁型材滑槽鋪裝隔熱材).

2 仿真分析與試驗對比

2.1 不同厚度的隔熱材仿真計算

對粘貼6、9、19和25 mm厚隔熱材時車頂溫度進行仿真計算，根據仿真計算結果選擇合適厚度的隔熱材.根據計算要求，將頂板區域劃分為3個典型結構，編號分別為A1、A2和A3，其結構構成如下:

(1)典型結構A1構成為PET泡沫板，隔熱材，空氣、客室頂板、鋁蜂窩側頂板和格柵;

(2)典型結構A2構成為PET泡沫板，鋼結構，隔熱材，空氣、客室頂板、鋁蜂窩側頂板和格柵;

(3)典型結構A3構成為PET泡沫板，鋁型材滑槽，隔熱材，空氣、客室頂板、鋁蜂窩側頂板和格柵.

布置不同厚度隔熱材時，典型結構A1在客室頂板與車體頂板之間溫度分布如圖3所示，從圖中可以看出隔熱材厚度為6 mm時，客室頂板與車體頂板之間最高溫度為33.8℃，隔熱材厚度為9 mm時，最高溫度為33.38℃，隔熱材厚度為19 mm時，最高溫度為32.48℃，隔熱材厚度為25mm時，最高溫度為32.21℃，由此可見，隔熱材厚度在19 mm以下時，隨著厚度增加，隔熱效果明顯增強，當隔熱材厚度由19 mm增加到25 mm時，客室頂板與車體頂板之間溫度最高溫度只降低了0.27℃，此時隔熱材厚度增加對隔熱效果影響較小，且隨著厚度增加，隔熱材重量增加，因此，本項目選取厚度為19 mm隔熱材.

圖3 典型結構A1不同厚度隔熱材溫度分布

圖4 典型結構A2、A3的仿真分析

在選定19 mm厚度隔熱材的情況下，對典型結構A2和A3分別進行了仿真計算，計算結果如圖4所示.從圖中可以看出，典型結構A2和典型結構A3客室頂板與車體頂板之間溫度最大值分別為32.83℃和32.82℃，高于典型結構A1中同等厚度隔熱材時客室頂板與車體頂板之間最大溫度，且溫度較高的區域所占面積較大，這是因為鋼結構橫梁和鋁型材滑槽構成了熱橋，由此可見，熱橋對車頂隔熱效果影響較大.

2.2 對熱橋進行處理后仿真計算

選取厚度為19 mm的隔熱材將車頂鋼結構橫梁和鋁型材滑槽全部包裹，根據計算要求，將頂板區域劃分為2個典型結構，編號分別為B1和B2，其結構構成如下:

(1)典型結構B1構成為PET泡沫板，鋼結構，隔熱材，空氣、客室頂板、鋁蜂窩側頂板和格柵(隔熱材包裹鋼結構);

(2)典型結構B2構成為PET泡沫板，隔熱材，鋁型材滑槽，客室頂板、鋁蜂窩側頂板和格柵(隔熱材包裹鋁型材滑槽);

典型結構B1和典型結構B2仿真計算結果如圖圖5所示.從圖中可以看出，隔熱材厚度一定時，典型結構B1最大溫度為31.82℃，與典型結構A2相比，最大溫度降低1.01℃，最高溫度出現在鋼結構未包隔熱材的端部，除此區域外，其他區域溫度明顯小于典型結構A2.典型結構B2最大溫度為29.42℃，與典型結構A3相比，最大溫度降低3.4℃，最大溫度所占區域面積很小，大部分區域較典型結構A3相比明顯溫度降低.由此可見，采用隔熱材對熱橋進行處理，可以有效的降低客室頂板與車體頂板之間溫度.

圖5 典型結構B1、B2的仿真分析

2.3 試驗結果

依據仿真計算結果，在南方某城市車輛試驗線路上對C車車頂隔熱材鋪裝進行了改造，并對改造前后C車客室頂板與車體頂板之間的溫度及濕度進行了記錄，改造前鋼結構橫梁和鋁型材滑槽無隔熱材，改造后在鋼結構橫梁和鋁型材滑槽上均增加了隔熱材.

測試時間選取天氣較熱的8月7日～8月9日三天的11∶30～16∶00，在同一時間點取三天的平均溫度，該時段溫度高，露點溫度相對較高，溫濕度自記儀安置在溫度相對較高的C車車頂端部和格柵附近，記錄間隔時間為10 s，同時在車輛站臺處安置一個溫濕度自記儀對車輛外部溫度進行記錄，測得站臺處最高溫度35℃，最大濕度96%.車頂端部鋼結構橫梁處優化前后溫度對比如圖6(a)所示，格柵區域優化前后溫度對比如圖6(b)所示，從圖中可以看出，隔熱材鋪裝方案優化后車頂區域受外界溫度影響明顯減小，鋼結構橫梁和鋁型材滑槽無隔熱材時C車車頂端部最高溫度和平均溫度分別為34.7℃和34℃，格柵附近最高溫度和平均溫度分別為34.5℃和33.9℃，鋼結構橫梁和鋁型材滑槽增加隔熱材后C車車頂端部最高溫度和平均溫度分別為26.6℃和24.3℃，格柵附近最高溫度和平均溫度分別為26.3℃和23.6℃.隔熱方案優化前后分別使用露點儀對車頂端部和格柵附近的露點溫度進行測量，測得車頂端部最高露點溫度由28.5℃降低到25.9℃，平均露點溫度由26.9℃降低到23.5℃，格柵附近最高露點溫度由29.5℃降低到25.2℃，平均露點溫度由26.7℃降低到22.5℃.

圖6 不同區域優化前后溫度對比

3 結論

本文對南方某城市100%低地板車輛C車車頂部位隔熱材的選擇及布置進行了仿真計算和試驗，對不同方案進行了對比分析，得出結論如下:

(1)從仿真計算結果可以看出，在隔熱材鋪裝區域相同的情況下，隔熱材的厚度對客室頂板與車體頂板之間區域的溫度影響較大，隔熱材厚度為6、9和19 mm時隨著厚度的增加，隔熱效果明顯增強，當隔熱材厚度為25 mm時，隔熱效果與19 mm時變化不大，合理的選擇隔熱材厚度可以有效的減小該區域溫度受外界環境的影響;

(2)從仿真計算結果可以看出，車頂鋼結構橫梁和鋁型材滑槽是主要熱橋，對客室頂板與車體頂板之間的溫度影響較大，對熱橋進行合理的處理，可以有效改善該區域溫度;

(3)試驗結果表明，使用隔熱材將車頂鋼結構橫梁和鋁型材滑槽包裹后，可有效減小客室頂板與車體頂板之間區域的溫度受外界環境的影響，起到降低露點溫度的作用.車頂端部區域相同測試點最高溫度由34.7℃降低到26.6℃，平均溫度由34℃降低到24.3℃，格柵附近相同測試點最高溫度由34.5℃降低到26.3℃，平均溫度由33.9℃降低到23.6℃，車頂端部最高露點溫度降低了2.6℃，平均露點溫度降低了3.4℃，格柵附近最高露點溫度降低了4.3℃，平均露點溫度降低了3.4℃，格柵表面溫度高于露點溫度，格柵表面不會出現冷凝水.