動車檢查庫庫內熱源特性實測與分析

鄒 磊 于靖華 郭 輝 畢慶煥 田利偉 趙金罡 曾現宏 宋 一 冷康鑫

（1.華中科技大學建筑環境與能源應用工程系 武漢 430074；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

0 引言

根據《中長期鐵路網發展規劃》，到2025年我國鐵路網規模達到17.5 萬公里左右，其中高速鐵路3.8 萬公里左右[1]。在鐵路高速發展的背景下，大量動車運營使用，同時也需要建設大量動車檢查庫對動車進行各級檢修，以保證動車組安全完好地投入運營。動車檢查庫在夏季庫內溫度高，主要工作區域超過35℃[2]，主要的原因是通風系統的設計和庫內得熱不匹配，無法將庫內余熱及時排至室外，造成庫內溫度過高。目前針對檢查庫的研究主要是采用軟件模擬的方法，對庫內的通風組織形式[3,4]、庫內熱環境[5,6]、庫內空調形式[7]進行了研究，但是缺乏庫內熱源散熱特性的實測及分析研究。本文針對夏熱冬冷及夏熱冬暖地區五個檢查庫的庫內熱源特性進行測試調研為動車檢查庫通風降溫方案設計提供理論依據和數據支撐。

1 測試概況

測試地點位于夏熱冬冷地區（武漢、長沙）和夏熱冬暖地區（廣州），檢查庫規模上包括四線庫、六線庫、十線庫。測試時間為2020年8～9月。檢查庫的幾何尺寸如表1所示。

表1 檢查庫幾何尺寸Table 1 Building size of the depots

2 庫內得熱來源及測試方法

檢查庫作為動車檢修、整備、卸污、司乘等一體化作業的場所，其庫內的熱源散熱特性影響著室內的熱環境。庫內得熱包括外擾得熱如通過圍護結構的傳熱、以及太陽輻射得熱和內擾得熱如人員、照明、設備等，此外，庫內的檢修作業過程中列車空調系統散熱及新入庫車輛外表面散熱將成為重要的熱量來源。

2.1 圍護結構傳熱

通過測量圍護結構內表面溫度以及近壁面空氣溫度及風速，計算圍護結構與室內空氣的對流傳熱量，內表面對流換熱系數計算方法參考文獻[8]提供的計算公式。

將各圍護結構得熱代數和作為通過圍護結構庫內總的得熱量，若其值為負值，則認為向庫內的傳熱量為0。各檢查庫圍護結構測試數據匯總如表2所示。

表2 圍護結構得熱量Table 2 Heat gain through envelope

2.2 太陽輻射得熱量

太陽輻射得熱主要來自天窗、側窗和外門。天窗太陽輻射得熱采用庫內部地面（不受外窗和外門影響）的太陽輻射強度和地面面積計算。側窗和外門太陽輻射得熱采用各自開口面積和開口處測得的太陽輻射強度計算。武漢十線庫、長沙六線庫、長沙四線庫、廣州六線庫、廣州十線庫在測試期間室外水平面平均太陽輻射照度為827W/m2、792W/m2、560W/m2、627W/m2、31W/m2（陰雨天）。各地檢查庫太陽輻射得熱量測試數據匯總如表3所示。

表3 太陽輻射得熱Table 3 Solar radiation heat gain

續表3 太陽輻射得熱

在室外太陽輻射較大的檢查庫內太陽輻射得熱最大能達到35.1W/m2，而廣州十線庫由于室外陰雨天氣，庫內太陽輻射得熱很小。西窗是下午庫內太陽輻射得熱主要的來源，在檢查庫西側采用遮陽設施有助于減少庫內太陽輻射得熱。

2.3 室內人員、照明、設備

庫內檢修工作全天分為兩個班次，其中8:00～18:00 為白班，19:00～次日8:00 為夜班。庫內工作人員包括檢修人員和保潔人員，人員數量與檢修任務安排有關。庫內人員按散熱量61W（28℃條件下）計算。

庫內照明系統包括頂部的吊燈、布置在各工作面上方的側燈和列車軌道下方的地燈，白天庫內照明系統一般不開啟。

檢查庫內的設備主要分為操作設備、檢修設備和輔助設備等。包括工位終端操作臺、隔離開關操作柜、風扇電器柜、移動式輪輞輪輻探傷設備和風扇。各檢查庫庫內人員、照明及設備散熱量如表4所示。

表4 人員、照明及設備得熱測試數據匯總Table 4 Summary of heat gain of test data for personnel,lighting and equipment

照明一般僅在夜間開啟，在白天依靠屋頂的采光天窗和兩側立窗進行自然采光。人員得熱最大為0.18W/m2，長沙四線庫內測試時段人員較少，人員得熱僅0.05W/m2。庫內設備得熱最大為5.4W/m2，武漢十線庫內無風扇等設備開啟，庫內設備得熱僅0.04W/m2。

經調研，夜間人員數量與白天不相同，照明全部開啟，因此夜間得熱量如表5所示。

表5 夜間人員、照明設備得熱量Table 5 Heat gain of personnel and lighting equipment at night

2.4 車體表面散熱

通過測量剛入庫車輛的車體表面溫度（包括車頂、側面及車底），近表面空氣溫度以及風速，計算車體表面對流散熱量。車體表面溫度采用紅外測溫儀測量，在測試過程中選擇剛入庫的車輛取車頭車中及車尾不同位置進行測量。車體近表面風速及空氣溫度用熱線風速儀測量，儀器型號為TSI 9565。庫內停放的車型多為CRH2A，頭車長度25700mm，中間車長度25000mm，車輛寬度3380mm，車輛高度3700mm。均按照8 節車廂為一個編組。由于列車表面為流線型，將車體簡化為201400mm×3380mm×3700mm 的長方體進行計算。

對在庫車輛和剛入庫的車輛進行測量，取其各表面平均溫差計算單列動車車體表面散熱量。車體表面溫度低于室內空氣溫度時，將其散熱量記為0。

表6 車體表面散熱量Table 6 Heat dissipation on the vehicle surface

2.5 列車空調系統散熱

動車在檢修時列車門為打開狀態，列車內冷風向外滲透，并最終將冷量滲透到動車檢查庫，列車空調向庫內散發的有效熱量應該等于空調系統實際輸入功率。測試了空調系統冷凝器排風口面積，排風溫度、排風風速，動車冷凝器排風口一般為百葉風口，其開口面積系數取0.5，計算得到空調系統的冷凝器實際散熱量。

以和諧號CRH2 系列車輛計算庫內動車額定工況下單個冷凝器散熱量。CRH2 型動車司機室設1 臺空調裝置，空調制冷能力7.1kW/臺，輸入功率是4kW；每標準車廂即客室車廂設2 臺空調裝置，標準條件下制冷能力37.21kW/臺；壓縮機耗電量為2×3.7kW（2 臺壓縮機），冷凝器風機耗電量：4×1.5kW（2 臺冷凝器，4 個冷凝器風機），制冷總輸入功率為20kW；因此，CRH2 型動車單個空調冷凝器向外的散熱量為47.6kW（制冷量+壓縮機+冷凝器風機，即37.21+3.7×2+1.5×2）。冷凝器實際散熱量與額定工況之比為部分負荷率，從而根據總輸入功率與部分負荷率的乘積計算空調向庫內有效散熱量。計算結果見表7。

表7 檢查庫冷凝器散熱Table 7 Condenser heat dissipation

在五個檢修庫中，武漢十線庫和廣州十線庫中測試到了冷凝器散熱的情形。動車檢修時分為通電作業和無電作業，檢修共90 分鐘，通電40 分鐘。冷凝器的通電檢修率按4/9 計算，庫內總散熱量計算公式為：

3 測試結果分析

3.1 實測結果分析

測試工況下庫內各項熱源測試結果如表8所示。

表8 各地區檢查庫實測工況各項熱源強度數據匯總Table 8 Summary of heat source intensity data for each measured working condition

由表中數據可知，武漢十線庫庫內得熱實測值最大，其單位面積散熱強度為69.5W/m2，在有檢修工作的庫中，列車空調系統散熱和太陽輻射是庫內得熱的主要來源，列車空調系統散熱單位面積散熱強度可達28.8～31.0W/m2，太陽輻射單位面積散熱強度可達24.2～35.2W/m2。檢查庫內車體表面散熱量熱源強度為6.0～14.2W/m2。通過圍護結構的傳熱最大可達10.12W/m2，人員得熱最大可達0.18W/m2，照明在白天一般不開啟，設備得熱最大可達5.4W/m2。

3.2 設計工況下得熱分析

綜合各檢查庫的測試結果，提出夏季設計工況下庫內總得熱的計算方法，為通風系統設計提供數據參考。根據《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50019-2015[9]，設計工況下庫內外設溫度，太陽輻照度如表9所示。其中室外溫度為夏季室外通風設計溫度，室內溫度取生產廠房工作地點與夏季通風室外設計溫度允許最大溫差（3℃）進行設計，且最高不得超過35℃。

表9 設計工況下室內外參數Table 9 Indoor and outdoor parameters under design working conditions

車體表面的散熱量和車體表面溫度和庫內設計溫度有關。根據測試數據，車體表面溫度和室外空氣綜合溫度的如圖1所示。設計工況下車體表面計算參數如表10所示，其中對流換熱系數取測試時的平均值。

圖1 實測工況車體表面平均溫度和室外空氣綜合溫度關系圖Fig.1 The relationship between the average surface temperature of the vehicle body and the outdoor sol-air temperature

表10 設計工況單列標準列車（8 節編組）車體表面散熱量Table 10 Heat dissipation on the vehicle surface of a standard EMU(8-section group)under design working conditions

設計工況下單輛車表面散熱取平均值66.5kW/列，且庫內車輛按停滿計算，剛入庫車輛占在庫車輛的比值取測試時的平均值0.478。設計工況下庫內總的車體表面散熱量為：

武漢十線庫和廣州六線庫單輛車空調系統散熱量分別為287kW/列、177.2kW/列。設計工況下，庫內考慮停滿動車。檢查庫內動車檢修時空調散熱量取測試時的均值232.1kW/列計算，列車空調同時開啟率取平均值0.31。因此庫內空調器總散熱量為：

檢查庫內太陽輻射得熱與室外太陽輻照度（s）、庫內外溫差與通過圍護結構進入檢查庫內的熱量均有明顯的相關性。測試時相關數據見表11，對實測數據按線性擬合后提出設計工況下庫內太陽輻射得熱計算的公式（4）以及圍護結構內表面散熱量計算公式（5）。

表11 測試工況太陽輻射得熱及圍護結構得熱數據Table 11 Solar radiation heat gain and envelope heat gain data for measured working conditions

其中，圍護結構、太陽輻射以及車體表面的散熱量與室外環境有關，在設計工況下夜間庫內不存在這部分熱量。由人員、燈光、設備散入檢查庫內的熱量與檢修庫規模有關，以實測數據作為設計工況下的得熱。

夏熱冬冷（暖）地區設計工況白天和夜間的室內得熱如表12所示。

表12 設計工況庫內總得熱對比Table 12 Comparison of total heat gain for design working conditions

庫內得熱白天比夜間大，夏熱冬冷武漢和長沙檢查庫設計工況白天的庫內熱源強度為90.5～96.4W/m2，夜間庫內熱源強度為47.6～55.6W/m2。夏熱冬暖廣州檢查庫設計工況白天熱源強度78.4～85.7W/m2，夜間庫內熱源強度為43.5～50.1W/m2。由于在庫內面積上存在較大差異，所以單位面積散熱在夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區存在差異。

4 結論

本文對夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區五個檢查庫庫內得熱進行了測試調研，得出了以下結論：

（1）檢查庫內得熱的來源包括通過圍護結構的傳熱、太陽輻射得熱、人員、照明設備得熱、以及車體表面散熱、列車空調系統散熱；

（2）實測到庫內總得熱的最大值達69.5W/m2；

（3）列車空調系統散熱以及太陽輻射是庫內得熱的主要來源。列車空調系統散熱單位面積散熱強度可達28.8～31.0W/m2，太陽輻射單位面積散熱強度可達24.2～35.2W/m2；

（4）設計工況下庫內白天得熱范圍為78.4～96.4W/m2，在夏熱冬冷和夏熱冬暖地區間差異不大。