鐵路客車的車內熱響應的數值研究*

許建柳，劉衛華

(南京航空航天大學宇航學院，江蘇 南京 210016)

在夏、冬季，空調客車在行駛之前，都要進行預冷(熱)，以便乘客一進入車廂就有一個舒適的環境。車廂內預熱時間的直接影響到空調節能，為了減少預熱時間，有必要對鐵路客車的車廂內的熱響應特性進行研究。以往研究都是集中于對鐵路客車的空調負荷進行計算，對鐵路客車尤其是高速鐵路客車的車廂內熱響應研究，國內外還沒有報道過。本文對空調鐵路客車的車廂內熱響應進行研究，并與普通鐵路客車進行對比。

1 高鐵的車體圍護結構分析

高鐵車體一般采用輕量化材料，動車鋁合金車體圍護結構由抗振阻尼漿、防震油漆、擠壓鋁型材、熱聲學絕緣夾層(由多種隔熱材料復合而成)、蜂窩板。隔熱壁材料的化學成分有醋酸纖維薄膜、聚酯纖維［4］組成。中空擠壓鋁型材雖然有空氣夾層，但由于2張鋁板之間有很多肋連接，存在很大的熱橋現象，傳熱性能接近加厚單層均質鋁板，本文中，為了簡化模型，把中空擠壓鋁型材作為加厚單層均質材料處理，這樣，高鐵車體就可以看成是由多層均質材料組成的復合結構。玻璃窗采用中空夾層玻璃。

普通鐵路客車車體圍護結構從外到內依次是鐵皮、膠合板、隔熱材料、塑料等多層結構。

2 數學模型

(1)對車體圍護結構建立非穩態導熱方程［5］:

當τ=0時，Ti=0=Tw(初始條件)

式中:ρ為空氣密度，kg/m3;c為空氣比熱容，kJ/(kg·k);λ為車體導熱系數，W/(m·K);Tn為車內空氣溫度，℃;Tw為車外溫度，℃;Tcn為車體內表面溫度，℃;Tcw為車體外表面溫度，℃。hn為車體內表面對流換熱系數，W/(m2·K);hw為車體外表面對流換熱系數，W/(m2·K)。

(2)對車體建立熱量平衡方程［6］:

式中:Q1為空調制冷量，W;Q2為車箱圍護結構傳熱量，W;Q3為照明、設備等散熱量，W。由于車體圍護結構主要包括車窗和車實體結構，所以，

式中:Qwall為通過車實體的傳熱量，W;Qwindow為通過車窗的傳熱量，W;Fwall為車實體傳熱面積，m2;λwall為車實體導熱系數，W/(m·K);kwall為車窗傳熱系數，W/(m2·K);Fwindow為車窗傳熱面積，m2。

3 計算條件

對鋁 合 金［7］:ρ =2820 kg/m3，c=857 J/(kg·K)，λ =138 W/(m·K)。

對聚酯纖維［7］:ρ=1380 kg/m3，c=1360 J/(kg·K)，λ =0.05 W/(m·K)。

對薄 鋼 板［7］:ρ =7833 kg/m3，c=465 J/(kg·K)，λ =54 W/(m·K)。

對聚氨酯塑料［7］:ρ=30 kg/m3，c=2000 J/(kg·K)，λ =0.018 W/(m·K)。

對膠 合 板［7］:ρ =600 kg/m3，c=2500 J/(kg·K)，λ =0.17 W/(m·K)。

每節車廂的空調制冷量取55 kW，制熱量取30 kW。

夏季，列車空調制冷前，為了與實驗條件一致，假設車內、外起始溫度為33℃;冬季，列車空調制熱前，假設車內、外起始溫度為0℃。

4 車廂內空氣溫度的計算方法

為了計算開始開空調后車廂內的溫降情況，需要聯立求解關于車體圍護結構熱傳導的偏微分方程(1)和關于空氣溫度的常微分方程(2)。

關于空氣溫度的常微分方程，可采用隱式的歐拉方法或四階龍格－庫塔方法來求解。關于圍護結構熱傳導的偏微分方程，采用控制容積有限差分方法求解。

車體結構包括車窗和車體2個部分，它們可以分別具有不同的邊界條件和初始條件。這意味著要求解2個初邊值條件不同的偏微分方程。

列車制冷量可以按照空調設備的實際制冷功率來計算。

在計算車窗的傳熱量時沒有考慮它的熱慣性，它的傳熱系數可從供熱工程設計方面的手冊中得到。

計算中涉及的其他有關數據均從有關的設計規范或手冊中獲得。計算步驟如下:

(1)首先給定空氣的初始溫度和其他相關的初邊值條件及時間步長;

(2)估計下個時間步的空氣溫度;

(3)計算各部分熱量，進行能量平衡;

(4)若能量基本平衡，則轉入下個時間步;否則，估計新的空氣溫度重新返回第3步進行計算。

(5)完成每個時間步的計算并保存計算結果。

5 實驗論證

按車廂熱工測試要求進行實驗測試，分夏季和冬季兩個季節進行。在夏季工況下，車外溫度為33℃，車廂內有1臺單元式空調機組，開動制冷機組前，首先打開車窗和車門，將自然通風器和排廢氣口置“正常位”，將車內恒溫器開關置“手動位”，然后，對整個車廂進行加熱和加濕。當車廂內溫度和濕度接近車外氣象條件時，調節制熱量和加濕量，使車內外溫度和濕度達到均衡并維持2 h，讓車體及內部設備充分吸熱。2 h后，關嚴車門和車窗，開動制冷機組，制冷機組制冷開始，每隔100 s記錄溫度，在車廂的兩端、中部3個斷面各設3個測溫點，每次溫度取這3個點溫度的平均值，測溫儀器為熱電偶溫度計。在冬季工況下，車廂外溫度為0℃左右，實驗方法與夏季工況的相同。

6 結果及討論

圖1所示為制冷工況下的車內熱響應情況，圖2所示為制熱工況下的車內熱響應情況。

圖1 制冷工況下車內熱響應Fig.1 Thermal response in cooling condition

圖2 制熱工況下車內熱響應Fig.2 Thermal response in heating condition

從圖1和圖2可以看出:對車廂內熱響應的數值計算結果與實驗結果基本吻合;在相同制冷條件下，高速鐵路客車比普通鐵路客車降溫時間要快，高速鐵路客車的車廂內溫度從33℃降到24℃為1500 s左右，而普通鐵路客車需要2000 s左右，慢500 s左右;在相同制熱條件下，高速鐵路客車比普通鐵路客車升溫要快，高速鐵路客車的車廂內溫度在制熱開始2500 s左右后從0℃升到18℃，而普通鐵路客車要3000 s左右。高速鐵路客車的車內熱響應要比普通鐵路客車要快，這主要是車體材料不同所致。

本文數值模型采用簡化模型，把中空擠壓鋁型材作為加厚單層均質材料處理，這導致車體圍護結構的傳熱系數和蓄熱性與實際值有所不同，車廂內熱響應的數值模擬結果要比實驗結果要迅速一點，這說明簡化模型的車體圍護結構的蓄熱性能要低于實際值。

用本文數值模型對鐵路客車的車廂熱響應研究是可行的。下面對假設的2種內表面材料進行熱響應模擬。在相同制冷制熱情況下，對同一個普通鐵路客車車廂，假設一種情況是車廂內表面材料采用聚氨酯材料，而假設的另一種情況是車廂內表面材料采用膠合板材料，熱響應情況分別見圖3和圖4。

圖3 制冷工況下車內熱響應Fig.3 Thermal response in cooling condition

圖4 制熱工況下車內熱響應Fig.4 Thermal response in heating condition

從圖3和圖4可以看出:車廂采用聚氨酯內表面材料與膠合板內表面材料對比，在相同制冷條件下，當制冷開始500 s后，前者比后者車廂內空氣溫度低3℃左右;當制冷開始1000 s后，前者比后者車廂內空氣溫度低2℃左右。在相同制冷條件下，當制熱開始500 s后，前者比后者車廂內空氣溫度高5℃左右;當制熱開始1000 s后，前者車廂內空氣溫度高3℃左右。這些說明車廂采用聚氨酯內表面材料可以提高車廂的熱響應。

7 結論

用數值模型來模擬列車車廂熱響應是可行的，計算結果與實驗結果較符合。用數值模擬來部分代替試驗，可以降低列車設計費用，從而選出一種比較好的車廂隔熱材料。另外，要指出的是，本文的簡化數值模型還待進一步完善，以使數值模擬結果更接近真實結果。

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