“復興號”CR200J型動力集中電動車組拖車隔熱設計及車窗優化

徐 濤，高健飛，賁曉東，姜艷林，岳文志

(1.中車南京浦鎮車輛有限公司 總體研發部，江蘇 南京 210031；2.中車南京浦鎮車輛有限公司 設備研發部，江蘇 南京 210031)

“復興號”CR200J型動力集中電動車組拖車(以下簡稱CR200J型拖車)作為25T型客車的改進產品，研發之初就提出了提升旅客乘坐舒適性的需求。車體傳熱性能影響空調負荷及客室內熱環境，是確保旅客舒適度的一項重要指標[1]。為改善旅客乘坐舒適性，降低空調能耗，按照技術條件要求對CR200J型拖車整車進行了隔熱設計；提升了塞拉門和給排水系統的密封性能，減少了空氣的對流；按照Q/CR 205—2014《鐵路空調客車熱工計算方案》要求對車體傳熱系數進行了計算和試驗驗證，結果顯示，CR200J型拖車車體傳熱系數滿足技術條件小于等于1.11 W/(m2·K)的要求。本文針對在高寒地區運用時車窗發生凝露并產生冷凝水的情況對CR200J型拖車運用環境進行了分析，并根據分析結果對其車窗結構進行了優化，優化后的車窗再次運用于高寒地區進行試驗驗證，沒有出現凝露情況，表明該優化方案有效解決了車窗凝露問題。

1 隔熱設計

靜止狀態下車體傳熱系數K是反映整車隔熱性能的參數，通過車體的隔熱設計，可以減小車體傳熱系數，提升整車隔熱性能，降低空調能耗，實現節能減排[2]。

1.1 技術條件要求

不同于25T型客車，CR200J型拖車技術條件中對K值進行了統一要求，除軟臥車外，整車K值由1.16 W/(m2·K)減小到1.11 W/(m2·K)，如表1所示。

表1 25T型客車及CR200J型拖車K值要求

1.2 隔熱設計

CR200J型拖車隔熱設計主要內容有：使用隔熱材料隔斷熱橋和減少熱傳遞；提高整車密封性能以減少空氣的對流。

1.2.1安裝隔熱材料

CR200J型拖車隔熱材料采用改性玻璃棉，符合Q/CR 794—2020《鐵路客車及動車組室內材料 保溫材料》的要求[3]，其性能指標如表2所示。

表2 改性玻璃棉性能指標參數

在CR200J型拖車底架、車頂、側墻和端墻鋪設改性玻璃棉，車體隔熱斷面如表3和圖1所示。

表3 車體隔熱斷面

圖1 車體隔熱斷面結構

1.2.2提升整車密封性能

CR200J型拖車在25T型客車基礎上提高了塞拉門和給排水系統的密封性能，減少空氣的對流。塞拉門組裝采用整體密封門框、多級鎖閉壓緊和多道密封膠條密封，提升了車門密封性能，如圖2所示。

1.前擋密封膠條；2.上擋密封膠條；3.下擋密封膠條；4.后擋密封膠條。圖2 塞拉門密封膠條

采用密封式電熱排水導筒，下部排水口安裝橡膠密封裝置，灰水在重力作用下使橡膠密封裝置變形從而排至車外，灰水排空后橡膠密封裝置自動恢復至密封狀態。圖3為密封式電熱排水導筒及自密封結構。

圖3 密封式電熱排水導筒及自密封結構

2 拖車車體傳熱系數K計算

鐵道機車車輛實際運行中，外界條件隨地理位置、季節、晝夜等不斷變化，車輛內部的熱量也隨著設備發熱和旅客的多少而變化，因此車輛隔熱斷面的傳熱過程是一個不穩定過程。以二等座車為例，按照Q/CR 205—2014《鐵路空調客車熱工計算方案》要求進行拖車車體傳熱系數K計算[4]，為簡化計算做出如下假設[5]：

(1) 平均外氣溫度視為常數；

(2) 在隔熱斷面熱工性能計算中應用穩定傳熱原理，即隔熱斷面中的溫度分布和熱流大小保持固定數值，不隨時間變化；

(3) 不同材料間相互密接，嵌在乙型鋼、槽鋼等翼板內部的隔熱材料的熱阻不計；

(4) 車體鋼結構僅考慮骨架的傳熱，所有與外層鋼板相連的金屬，其溫度與鋼板溫度相同，小金屬零件的導熱性不予考慮。

二等座車隔熱斷面中含有許多幾何形狀復雜的金屬和非金屬元件，既有均質結構，也有多層非均質結構。整車K值計算時，按照上述假設將車體各隔熱斷面簡化為均質結構，求得各隔熱斷面傳熱系數Ki和斷面傳熱面積，再按照非均質結構求得整車K值。

2.1 車體隔熱斷面傳熱系數

將二等座車車體各隔熱斷面按均質結構計算，各隔熱斷面傳熱系數Ki可用式(1)求出[6]：

(1)

式中：δi——各隔熱斷面材料的厚度，m；

λi——各隔熱斷面材料的導熱系數，W/(m·K)；

αW——車內表面對流傳熱系數,8 W/(m2·K)；

αN——車外表面對流傳熱系數,16 W/(m2·K)。

車體各隔熱斷面傳熱系數和傳熱面積的計算結果如表4所示。

表4 車體鋼結構各隔熱斷面傳熱系數及傳熱面積

2.2 整車傳熱系數

整車按照非均質結構計算，其傳熱系數K值可用式(2)求出：

(2)

式中：Ai——各隔熱斷面傳熱面積，m2。

按照Q/CR 205—2014要求并結合日本標準經驗，對表4中車體各隔熱斷面參數乘以安全系數2[7]，并將表5中整車各安裝設備傳熱系數及傳熱面積代入式(1)和式(2)，求得整車K值為1.04 W/(m2·K)，滿足拖車技術條件要求。由于計算簡化了模型，忽略了部分熱橋的影響，計算結果一般小于試驗結果。

表5 整車各安裝設備傳熱系數及傳熱面積

3 隔熱性能試驗

按照TB/T 1674—1993《鐵路客車隔熱性能試驗方法》要求[8]，在二等座車車內客室區第1排、第11排和第21排座椅處分別布置1個測溫斷面，在每個測溫斷面布置8個溫度測點，在2個廁所、洗臉間、配電柜、乘務員室車窗中心處各布置1個測點，車內共計布置29個溫度測點。在車外布置3個測溫斷面，位置與車內測溫斷面一致，每個斷面布置8個溫度測點，外端門兩側中部分別布置1個溫度測點，車外共計布置28個溫度測點。測點布置圖詳見圖4，圖4中紅點為車內溫度測點，藍點為車外溫度測點。

圖4 二等座車隔熱試驗測點布置圖

按照TB/T 1674—1993規定對二等座車進行加熱，熱穩定時間不少于8 h，8 h內車內外各溫度測點平均空氣溫度波動不大于±0.5 K，車內加熱功率波動不得大于3%。熱穩定后，每30 min記錄一次溫度傳感器及電功率計的數據，取連續8組有效數據,結果如表6所示。

表6 二等座車隔熱性能試驗采集數據表

用式(3)計算求得整車傳熱系數K值，計算結果為1.09 W/(m2·K)，滿足技術條件要求。

(3)

式中：P——車內加熱功率，W；

Δt——車體內外平均空氣溫度差，K。

4 高寒地區運用存在的問題及原因分析

“復興號”CR200J型動力集中電動車組2019年1月正式上線，運用中拖車整車隔熱和密封性能較25T型客車有明顯改善，空調制冷采暖效率提升，提高了旅客乘坐舒適度。但在沈陽局、烏魯木齊局等高寒地區長時間運用時，發生拖車車窗膠條出現冷凝水并聚集成股流至窗臺的情況。CR200J型拖車車窗沿用了25T型客車單元式車窗結構，為改善車窗隔熱性能，在窗框四周增加了防寒框。從運用情況看，增加防寒框對車窗隔熱性能稍有改善，能夠防止車窗在高寒地區運用出現結冰現象，但仍會產生冷凝水，如圖5所示。

圖5 25T型客車及CR200J型拖車高寒地區運用情況

針對CR200J型拖車車窗冷凝水問題，對車窗隔熱性能、運用環境和驗證過程進行了分析，分析結果表明，造成車窗產生冷凝水的主要原因有：

(1) 車窗隔熱性能較差。CR200J型拖車單元式車窗窗框為整體鋁型材并貫通車體結構內外，鋁型材傳熱系數高達210 W/(m2·K)，對車體隔熱性能的影響較大[9]，雖然拖車車窗在窗框上增加了防寒框，但是其并未隔斷窗框與車內的熱橋，車窗隔熱性能提升有限，與其他高寒客車或動車組車窗相比，隔熱性能相對較差，如表7所示。

表7 CR200J型拖車及高寒車型車窗隔熱性能對比

(2) 運用環境溫差及濕度較大。高寒地區車內外溫差較大，由于窗框鋁型材的熱傳遞，導致車窗膠條溫度較低，加之大量旅客產生的水蒸氣加大了客室的濕度，因此產生冷凝水現象。

(3) 試驗驗證不夠充分。拖車車窗隔熱性能試驗按照TB/T 3107—2011《鐵道客車單元式組合車窗》要求實施[9]，標準未規定極端溫度差及不同濕度環境下的凝露試驗要求。

5 改進措施

針對上述原因分析，對CR200J型拖車車窗結構進行優化，同時增加極端溫度差及高濕度環境下的凝露試驗。

5.1 車窗結構優化

原CR200J型拖車單元車窗的整體窗框結構優化為內外窗框結構，并采用粘接膠實現內外窗框的連接和熱橋的隔斷(圖6)，優化后車窗隔熱性能明顯提升，如表8所示。

圖6 CR200J型拖車車窗優化結構

表8 CR200J型拖車車窗結構優化后車窗隔熱性能

5.2 凝露試驗

為驗證車窗在極端溫度差及不同濕度環境下抗凝露性能，增加凝露試驗。在外部環境溫度為-40 ℃、-20 ℃，內部環境溫度20 ℃，室內空氣相對濕度分別為35%、40%、50%和55%時，要求內側玻璃及內框表面1 h內不形成任何冷凝水或霜。以隔熱性能相對差的活動車窗為例，分別對比優化前的普通車窗和優化后隔熱車窗凝露情況，試驗結果如表9所示。試驗結果表明，優化后的車窗結構凝露現象明顯降低。

表9 車窗結構優化前后不同濕度工況下凝露情況對比

6 結束語

為了改善CR200J型拖車單元式車窗在高寒地區運用中出現的冷凝水問題，本文在25T型客車基礎上，通過車體隔熱設計對車窗進行了結構優化，減小了車體傳熱系數，提升了整車隔熱性能，降低了空調能耗，有效解決了CR200J型拖車單元式車窗在高寒地區運用中出現的冷凝水問題。

裝用優化結構隔熱車窗的高原雙源動力集中動車組在高寒地區開行，運用良好，未出現冷凝水問題。2021年CR200J型拖車再次配屬沈陽局，在外溫-20 ℃、客室內溫度10 ℃環境下，窗框溫度為7.6 ℃，上線后車窗未出現冷凝水問題，表明優化結構的CR200J型拖車單元式車窗改善了車窗冷凝水問題，在沈陽局高寒地區運用后效果良好。建議對TB/T 3107—2011《鐵道客車單元式組合車窗》進行修訂，增加在高寒地區運用不同空氣濕度下抗凝露要求。