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(shè)的飛速發(fā)展和城市人口數(shù)量大幅增加，城市軌道交通系統(tǒng)在城市建設(shè)和發(fā)展進(jìn)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(zhì).在部分城市100%低地板車輛因具有快捷、舒適、準(zhǔn)時、方便和不受天氣環(huán)境影響等諸多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用［1-3］.

車輛隔熱性能直接影響著空調(diào)冷熱負(fù)荷的大小和旅客乘坐的舒適性［4-5］.目前，國內(nèi)外諸多學(xué)者已對車體隔熱性能進(jìn)行了大量的研究，日本山田雅士［6］對在隧道內(nèi)運行的碳鋼車、不銹鋼車和鋁車K值進(jìn)行了大量研究.張錫寧，李培清［7］提出車體結(jié)構(gòu)邊界條件采用經(jīng)驗匹配法時，車體綜合傳熱系數(shù)可以通過兩個二維導(dǎo)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(yīng)用CFD軟件對簡化后的模型進(jìn)行計算并得到傳熱系數(shù)，通過面積加權(quán)的方法得出整車傳熱系數(shù).孫寶紅［9］在車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能與客室內(nèi)流組織方面進(jìn)行了深入研究，對非靜止條件下車體傳熱系數(shù)進(jìn)行了計算，對靜止條件下的車體傳熱系數(shù)進(jìn)行了計算和實驗.杜子學(xué)，尉遲志鵬等［10］以重慶2號線單軌列車為基礎(chǔ)，通過分析研究得到了車體分區(qū)域和整車傳熱系數(shù)的計算公式，并以公式為依據(jù)計算得到了整車靜止條件下的傳熱系數(shù)。城軌車輛在車體結(jié)構(gòu)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(nèi)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(qū)域溫度變高，空調(diào)出風(fēng)口處的格柵受冷風(fēng)影響溫度降低，極易在格柵上出現(xiàn)凝露現(xiàn)象.因此合理的布置車頂部位的隔熱材、改善該區(qū)域溫度，降低格柵與周圍的溫度差至關(guān)重要.本文對南方某沿海城市100%低地板車輛車頂部位的內(nèi)裝隔熱方案進(jìn)行了優(yōu)化，采用STAR-CCM+仿真分析軟件進(jìn)行了仿真分析計算，對車頂部位的隔熱材進(jìn)行選擇和布置，并通過試驗對優(yōu)化方案進(jìn)行了驗證.

1 計算模型及參數(shù)

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(biāo)記為A車，B車和C車，由于冷凝水問題C車最嚴(yán)重，因此，本文僅對C車車頂隔熱方案進(jìn)行優(yōu)化.C車斷面如圖2所示，C車車頂模型包括PET泡沫板，鋼結(jié)構(gòu)，隔熱材，鋁型材滑槽(斷面圖中未顯示)，客室頂板、鋁蜂窩側(cè)頂板和格柵，材料導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示.邊界條件，車外溫度取該地區(qū)夏季最高溫度36℃，車內(nèi)溫度取空調(diào)設(shè)定溫度24℃，車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)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(dǎo)熱系數(shù)

采用STAR-CCM+仿真分析軟件，通過更改不同的變量對隔熱材優(yōu)化方案進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)行仿真計算，根據(jù)仿真計算結(jié)果選擇合適厚度的隔熱材.根據(jù)計算要求，將頂板區(qū)域劃分為3個典型結(jié)構(gòu)，編號分別為A1、A2和A3，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成如下:

(1)典型結(jié)構(gòu)A1構(gòu)成為PET泡沫板，隔熱材，空氣、客室頂板、鋁蜂窩側(cè)頂板和格柵;

(2)典型結(jié)構(gòu)A2構(gòu)成為PET泡沫板，鋼結(jié)構(gòu)，隔熱材，空氣、客室頂板、鋁蜂窩側(cè)頂板和格柵;

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

布置不同厚度隔熱材時，典型結(jié)構(gòu)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(qiáng)，當(dāng)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(jié)構(gòu)A1不同厚度隔熱材溫度分布

圖4 典型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)A2和A3分別進(jìn)行了仿真計算，計算結(jié)果如圖4所示.從圖中可以看出，典型結(jié)構(gòu)A2和典型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(qū)域所占面積較大，這是因為鋼結(jié)構(gòu)橫梁和鋁型材滑槽構(gòu)成了熱橋，由此可見，熱橋?qū)図敻魺嵝Ч绊戄^大.

2.2 對熱橋進(jìn)行處理后仿真計算

選取厚度為19 mm的隔熱材將車頂鋼結(jié)構(gòu)橫梁和鋁型材滑槽全部包裹，根據(jù)計算要求，將頂板區(qū)域劃分為2個典型結(jié)構(gòu)，編號分別為B1和B2，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成如下:

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

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

典型結(jié)構(gòu)B1和典型結(jié)構(gòu)B2仿真計算結(jié)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(jié)構(gòu)B1最大溫度為31.82℃，與典型結(jié)構(gòu)A2相比，最大溫度降低1.01℃，最高溫度出現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)未包隔熱材的端部，除此區(qū)域外，其他區(qū)域溫度明顯小于典型結(jié)構(gòu)A2.典型結(jié)構(gòu)B2最大溫度為29.42℃，與典型結(jié)構(gòu)A3相比，最大溫度降低3.4℃，最大溫度所占區(qū)域面積很小，大部分區(qū)域較典型結(jié)構(gòu)A3相比明顯溫度降低.由此可見，采用隔熱材對熱橋進(jìn)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(jié)構(gòu)B1、B2的仿真分析

2.3 試驗結(jié)果

依據(jù)仿真計算結(jié)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(jìn)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(jìn)行了記錄，改造前鋼結(jié)構(gòu)橫梁和鋁型材滑槽無隔熱材，改造后在鋼結(jié)構(gòu)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(jìn)行記錄，測得站臺處最高溫度35℃，最大濕度96%.車頂端部鋼結(jié)構(gòu)橫梁處優(yōu)化前后溫度對比如圖6(a)所示，格柵區(qū)域優(yōu)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(yōu)化后車頂區(qū)域受外界溫度影響明顯減小，鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yōu)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(jìn)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(qū)域優(yōu)化前后溫度對比

3 結(jié)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(jìn)行了仿真計算和試驗，對不同方案進(jìn)行了對比分析，得出結(jié)論如下:

(1)從仿真計算結(jié)果可以看出，在隔熱材鋪裝區(qū)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(qū)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(qiáng)，當(dāng)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(qū)域溫度受外界環(huán)境的影響;

(2)從仿真計算結(jié)果可以看出，車頂鋼結(jié)構(gòu)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(jìn)行合理的處理，可以有效改善該區(qū)域溫度;

(3)試驗結(jié)果表明，使用隔熱材將車頂鋼結(jié)構(gòu)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(qū)域的溫度受外界環(huán)境的影響，起到降低露點溫度的作用.車頂端部區(qū)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(xiàn)冷凝水.