高寒動車組熱工設計參數研究

李永恒，楊 弘

（中國北車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

運用與檢修

高寒動車組熱工設計參數研究

李永恒，楊 弘

（中國北車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

重點介紹車體傳熱系數、采暖負荷參數的選取及車體隔熱結構設計研究。通過分析國外高寒動車組技術指標，結合哈大地區的運用環境，研究選取了CRH380B型動車組熱工設計參數；在不提高采暖功率的前提下，通過采暖負荷需求計算，確定車體傳熱系數，以計算結果為目標優化車體隔熱壁的結構，并通過車體K值、－40℃低溫環境的采暖試驗證明了CRH380B型動車組滿足熱舒適度要求。

傳熱系數；采暖負荷；熱工設計參數；結構優化

隨著世界高速鐵路的快速發展，高速列車的運行區域和運行環境不斷拓展，在高寒地區建成多條高速鐵路，與此同時阿爾斯通、龐巴迪、西門子相繼開發出適應在最低環境溫度為－40℃運行的高寒型高速列車。

近年來，我國在引進高速列車技術的基礎上相繼研制出適應－25℃～＋40℃環境運用的CRH系列高速動車組。哈大高速客運專線的開通，需要一批高寒高速動車組投入使用。為滿足哈大高速客運專線的需求，長客股份率先研制出適應－40℃～＋40℃運行環境要求的CRH380B型高寒動車組。

CRH380B型高寒動車組在CRH380BL動車組平臺基礎上，解決了車體隔熱保溫能力與采暖熱負荷平衡問題，攻克了計算參數選取、車體隔熱保溫、空調采暖、防雪密封、材料低溫特性等技術難題，在滿足安全性、熱舒適度要求的同時，還實現了節能環保的目的。

1 國內外高寒動車組技術性能指標

近年來相繼有不同速度等級的動車組在北歐和俄羅斯等低溫地區運營，我國首次開發出的CRH380B型高寒動車組也已投入使用，國內外高寒動車組技術性能指標對比見表1。

表1 國內外高寒動車組主要技術參數

由表1可知，CRH380B型高寒動車組的各項技術指標都達到國際先進水準。

2 根據運用環境選取設計參數

2.1 歐洲運用環境分析與設計參數的選取

歐洲鐵路系統為便于節能和管理，根據氣候區對歐洲國家進行分類，其冬季氣候區見表2。

表2 歐洲冬季氣候區

根據列車運用環境，北歐鐵路系統又將鐵路系統分為3個溫度等級，見表3。

由以上可見，歐洲鐵路系統早已將環境控制、節能設計納入鐵路管理中來，針對瑞典、挪威、芬蘭 這3個地處北歐的最冷地區，按照UIC553《客車加熱、通風和空調系統》選取車內采暖通風的設計參數，設計制造耐低溫的軌道車輛。

表3 北歐鐵路系統溫度等級

2.2 確定CRH380B型高寒動車組設計參數

2.2.1 國內沒有動車組熱舒適度設計標準

TB/T1955《鐵道客車采暖通風設計參數》規定，客車采暖設計應分為運行在北京以南地區客車和非限定運用區間客車的各項與熱舒適度相關的設計參數，并確定了北京以南地區客車冬季計算溫度為－14℃，非限定運用區間客車冬季計算溫度為－35℃；我國現有CRH系列的動車組招標技術條件規定動車組適應的環境溫度為－25℃～40℃，所以TB/T1955《鐵道客車采暖通風設計參數》不適用于CRH系列動車組，因此在高寒動車組設計過程中需要根據運用環境研究確定相關設計參數。

2.2.2 高寒動車組車外最低計算溫度

為進行高寒高速動車組設計，調查研究了東北地區近10年極端溫度，見表4。

表4 東北地區城市2000－2009年極端溫度

以上數據顯示，哈爾濱地區最低溫度為－37.3℃、最高溫度為39.2℃，因此運用環境溫度可定為－40℃～＋40℃；而動車組運行時間均在凌晨5：00～24：00之間，避開日出前的最低溫度時間，所以高寒動車組車外計算最低溫度可選定為－35℃。

2.3 確定車內熱舒適度設計參數

我們分別對UIC 553《客車加熱、通風和空調系統》和TB/T 1955《鐵道客車采暖通風設計參數》中規定的車內各區域的溫度和不同溫度時新風量進行對比分析，結果如表5、表6。

表5 各區域溫度對比表 ℃

表6 各季節新風量對比表 m3·h－1

經過分析，我們以國際標準選取CRH380B型高寒動車組的熱舒適度設計參數如表7。

表7 高寒動車組的冬季熱舒適度參數表

3 采暖負荷的計算

根據所確定的設計參數，分別對－35℃和－40℃進行采暖加熱設備功率進行計算。

3.1 計算公式

3.1.1 熱平衡方程式

式中P為采暖設備加熱功率，k W；Q1為通過車體隔熱壁損失的熱量，k W；Q2為加熱送入車內新鮮空氣所需熱量，k W；Q3為旅客的散熱量，k W；Q4為機電設備散熱量，k W。

3.1.2 通過車體隔熱壁損失的熱量按下式計算

式中K為車體傳熱系數，W/（m2·K）；F為車體傳熱面積，m2；K為車體內外空氣溫差，K；△t為車體內外空氣溫差，K。

3.1.3 加熱送入車內新鮮空氣所需熱量按下式計算。

式中VA為空氣容積流量，m3/s；ρ為空氣密度，kg/m3；CP為空氣定壓比熱，kJ/（kg·K）。

3.1.4 旅客的散熱量按下式計算

式中：n為車內定員數；q為平均每人散發的熱量，W。

3.1.5 機電設備散熱量Q4通常被當作采暖設備的安全貯備熱在計算中不予考慮。

3.2 外溫－35℃工況下采暖負荷計算

3.2.1 計算條件

外界環境溫度 －35℃；

車內溫度 22℃；

車輛靜態傳熱系數 1.2 W/（m2·K）

車輛350 km/h運行時傳熱系數1.6 W/（m2·K）

車輛定員 80人

3.2.2 計算結果

（1）通過車體隔熱壁損失的熱量

（2）加熱送入車內新鮮空氣所需熱量

（3）車內冷負荷為（無旅客）

（4）旅客散熱

（5）車內冷負荷為（有旅客）

3.3 外溫－40℃工況下采暖負荷計算

3.3.1 計算條件

外界環境溫度 －40℃；

車內溫度 20℃；

車輛靜態傳熱系數 1.2 W/（m2·K）

車輛350 km/h運行時傳熱系數1.6 W/（m2·K）

車輛定員 80人

3.3.2 計算結果

（1）通過車體隔熱壁損失的熱量

（2）加熱送入車內新鮮空氣所需熱量

（3）車內冷負荷為（無旅客）

（4）旅客散熱

（5）車內冷負荷為（有旅客）

3.4 采暖計算結論

在車外溫度為－35℃的情況下，CRH380B型高寒動車組以350 km/h速度運行時，如果車體靜止傳熱系數小于1.2 W/（m2·K），要保持車廂內溫度為22℃以上，需要配備采暖功率37.5 k W；目前CRH380B系列動車組采用的采暖功率為46.9 k W的客室空調機組，滿足CRH380B型高寒動車組采暖功率要求，其安全系數為1.25。

在車外溫度為－40℃的情況下，CRH380B型高寒動車組以350 km/h速度運行時，如果車體靜止傳熱系數小于1.2 W/（m2·K），車廂內溫度可保持在20℃以上。

4 車體隔熱結構設計

為了使CRH380B型高寒動車組的車內溫度保持在一定范圍內，除了安裝制冷和采暖設備外，還必須要求車體具有較好的隔熱性能。CRH系列高速動車組車體大都采用鋁合金車壁結構，并采用多層復合結構，加上玻璃絲棉等保溫材料來保證車輛隔熱性能。

為實現車體具有理想的隔熱保溫功能，我們對CRH380B型高寒動車組提出3種車體隔熱結構方案，針對車體各區域的特殊結構，分別采用不同的保溫材料，以爭取使車體各區域具有等效傳熱系數，從而保證在高寒地區動車組的熱舒適度并降低車輛的能量損耗。

4.1 3種隔熱結構方案介紹

3種不同隔熱設計方案見表8。

4.2 車體傳熱系數計算

4.2.1 車體傳熱系數計算原理

熱量從車體一側的空氣中傳至另一側的空氣中，其傳熱過程可以分為3個階段：

（1）表面傳熱：熱量從一側的空氣中傳至車體的該側表面。

（2）車體內部傳熱：熱量從車體的一側表面傳至另一側表面。

（3）表面傳熱：熱量從車體另一側表面傳至該側的空氣中。

表8 3種隔熱結構方案

這些傳熱過程包括了以熱傳導為主的車體內部的導熱和以對流及輻射為主的車體和車內外環境之間的傳熱，這些傳熱過程的總體性能可由車體的傳熱系數K來表征。

為達到合理利用每種隔熱材料的特性、有效地提高車輛隔熱性能之目的，分別對以上3種隔熱結構方案進行車體傳熱系數K計算，并通過對比和分析尋找節能環保的方案。

具體計算公式如下：式中Ci非均勻材料的總熱阻；Sj為均勻材料的厚度；λj為均勻材料的傳熱系數；αi為吸熱系數；αj放熱系數。

4.2.2 各材料的熱工參數

各種材料的熱工計算參數見表9。

表9 各材料傳熱系數

4.2.3 3種方案K值計算結果

表10 K值計算匯總

4.3 3種方案對比分析

（1）在3種防寒材料安裝的方案中，方案1與方案2的隔熱性能基本相同，方案3的K值較大。

（2）雖然采用玻璃絲棉材料的成本較低，但玻璃絲面不僅環保性差、不可回收，而且當列車運行一定時間后玻璃絲棉開始下墜，與車體密貼性不好，車輛的保溫性能不斷下降，從保溫、節能、環保角度與其他方案相比方案3都不理想。

（3）方案2與方案1相比雖然隔熱性能相當，但是考慮到如果外端墻采用納能＋隔聲隔熱棉將會提高成本，所以CRH380B型高寒動車組采用方案一隔熱材料方案。

5 試驗驗證

CRH380B型高寒動車組在2012年上半年分別完成了車體傳熱系數試驗和－40℃靜止采暖試驗。車體傳熱系數試驗結果：一等車K值為0.94 W/（m2·K），二等車（帶受電弓）K值為1.04 W/（m2·K），證明車體隔熱性能良好；靜止采暖試驗結果：在－40℃情況下車內溫度均保證在20℃以上；各車從0℃升到18℃所用時間都在30 min左右，遠遠小于UIC553［2］的標準所規定的70 min的要求。

CRH380B高寒動車組已經過了一個冬季在哈大線上載客運營考驗，客室溫度始終大于22℃，完全滿足旅客熱舒適度要求。

6 結束語

動車組節能環保設計是一項復雜、繁瑣的系統工程。通過熱工設計參數研究以及采用高效節能環保材料及隔熱結構，在沒有增加采暖負荷的前提下，滿足了更低溫度環境運用要求，驗證了熱工設計參數選取及隔熱結構設計的正確性，開創了適用于－40℃ 環境的節能環保型高速動車組的先河。

［1］ UIC 553－2004.客車的加熱、通風和空調系統［S］.

［2］ TB/T 1951－1987.客車空調設計參數［S］.

［3］ TB/T 1957－1991.鐵路空調客車熱工計算方法［S］.

［4］ TB/T 1955－2000.鐵路客車采暖通風設計參數［S］.

Research of Low Temperature EMU Thermal Design Parameters

LI Yongheng，YANG Hong
（CNR Changchun Railway Vechicle Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China）

This paper focuses on the heat transfer coefficient of car body，selection of heating load parameters，the study on the design of insulation structure.The thermal parameters of CRH380B is determined according to analysis of technical indexes of Low temperature EMU abroad and the application environment of Harbin to Dalian.The heat transfer coefficient is determined by calculating the heating load demand on the invariant premise of heating power.Car body heat insulation structure is optimized by the calculation results.It was proved that CRH380B meets the requirements of thermal comfort by the heat transfer coefficient test and heating test in minus 40 degrees environment.

heat transfer coefficient；heating load；thermal design parameters；structure optimization

U266.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.02.14

1008－7842（2014）02－0055－05

1—）男，工程師（

2013－11－13）