高速列车上的热管式热回收系统.

高速列车上的热管式热回收系统
近年来我国高速列车发展迅速，但还存在不少问题，如车内人员密度大，空间相对较小，空气品质不佳，车内旅客往往会出现胸闷、头晕等症状。

于是，乘客对车厢内空气品质的要求越来越高，只有增加新风量才是改善车内空气品质最直接有效的方法。

但是，由于室外空气焓值和气温与室内空气焓值和气温存在差异，新风送入车厢内之前需要经过空调系统的处理，势必要消耗热量和加湿量。

在不同室温下，新风带来的显热和潜热占冷负荷的百分比为22.3%~36.0%。

由此可见，新风带来的显热和潜热占了空调装置冷负荷的很大一部分。

另一方面，为保持室内压力，需要将车厢内空气排入大气，如果直接排出，将会造成排风中能量的白白浪费。

因此，如果在空调系统中设置热管式热回收系统，使新风与排风进行热量的交换，将排风带走的能量尽可能地转移给新风，以减少新风负荷，将是一种节约能源的有效措施。

1.新风量的确定
由于空调车厢基本处于一个密闭的状态，空调车厢内每人必须保证有一定的新风量，以满足卫生要求。

目前，运行中的列车空调车厢所需新风量的大小主要是根据室内允许CO2的浓度作为控制指标。

我国空调车车内CO2控制标准为：容积浓度小于或等于0.15%。

但是，CO2不能作为衡量空气品质的唯一指标，影响人的舒适及健康的气体还包括空气中的CO2、SO2、NO2、CO以及臭气、粉尘和各类复杂的有机污染物等。

ASHRAE62-1989R认为用以确定新风量的污染物来自人员和室内气体污染源两个方面，所以室内最小新风量指标按每人最小新风量指标Rp与每平方米地板所需最小新风量指标Rb之和确定。

把这种方法应用于铁路空调客车中，即可以按式（1）计算最小新风量：
Vmin=RpP+RbA（1）
式中：Vmin—列车最小新风量，m3/s；
Rp—每人所需要的新风量，m3/（人·s）；
P—车厢内人员数，人；
Rb—单位车厢地板面积所需要新风量，m3/（m2·s）；
A—车厢地板面积，m2。

另一方面，对于高速空调客车，空调处于一个高速的运行环境，车速越高，车厢外表面的负压值越大（见表1）。

当客车时速为140km/h时，新风量将比静态时减少12%左右；当客车时速为160km/h时，新风量减少15%左右。

这主要是由于车体外表面的负压值增大，使克服新风系统阻力所需风机风压提高，从而导致新风量的减少。

新风量的减少必然会造成车厢内空气品质的降低，而且高速客车还不同于一般的地面建筑，它还具有人员密集度高、流动性大、人在车内的驻留时间一般较长、车厢外环境条件变化大等特点。

因此，对于高速列车的新风量的确定应综合考虑各种影响因素，不能简单地将其作为普通地面空调建筑来对待。

所以在列车空调实际运行时，列车空调系统的新风量应按式（2）进行计算：
jV=V+V0min（2）
式中：V0——进行空调系统设计时应确定的新风量，m3/s；
Vj——由于车体外表面负压值而使新风量减少的风量，m3/s。

Vj的大小由车速确定，车速越大Vj也越大。

此外，由于空调客车处于一个不断变化的外部大气环境下，列车在运行期间，随着室外大气质量的变化，车内的空气品质会受到明显的影响。

当大气质量好时对车内空气品质起好的作用，可以按照上述方法确定新风量；但是当大气质量差时，室外空气进人车内会反而会降低车内的空气品质。

客车运行时，内燃机车及餐车会排放大量的废气和油烟，在客车穿越隧道时，也会明显地影响着车内的空气品质。

在这种情况下，往往会不引入室外新风，或者引入很少的新风，新风完全靠门窗及其它缝隙的自然渗透和乘客上下车时门的开启进入车内。

2 热管换热器工作原理
热管是一种具有高效传热性能的元件，可以将大量的能量通过很小的截面积进行远距离的传输，而无需外加的动力。

它具有很多其它换热元件不具备的特性：高导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向可逆性、可控性以及很强的适应性。

热管换热器主要由热管束，隔板以及箱体组成（如图1所示）。

冷热流体分别从隔板的两侧通过，实现热量的传递。

以夏季为例，室内温度低于室外环境温度，经热管换热器，排出的冷风吸收新风所携带的部分热量，从而使送入的新风的温度沿流程逐渐降低，离开换热器后，以低于环境温度进入空调机组，新风O在热管换热器中处理到状态点O’，和室内回风混合后达到状态点M再流经表冷器，达到露点状态D再经加热后，达到送风状态点S，由风机送入室内后达到室内状态点R。

新风处理过程的焓湿图见图2。

热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面式换热器。

其结构简单，换热效率高，在相同传热量的条件下，热管换热器的金属耗材少，流体通过换热器时的压力损失小，从而动力消耗也小。

由于冷、热流体是通过热管换热器不同部位换热，而热管元件相互又是独立的，单根热管失效不会对整体换热产生影响，热管换热器可以方便地调整冷热侧换热面积比。

目前常用的其他类型的热回收装置包括转轮式，板式，盘管热环式，热泵以及热管热回收装置。

转轮式换热器换热效率高，但是由于是两种介质交替转换，不可避免产生交叉污染，另外还带有传动设备，需要消耗一定能量；板式换热器传热效率较低，设备体积大，需要占用较大的建筑空间，接管位置固定，因些灵活性很差；盘管式换热器管道布置灵活，但需要增加额外的加压泵，需要很高的密封性；热泵式换热器可以回收大量的潜热，热效率高，但是要配备压缩机，冷凝器等配套设备，设备投资比较高。

表2是几种热回收装置的对比。

对于列车空调而言，由于其特殊的运行环境，车厢内外空间有限，维护保养比较不便，而且外部运行环境比较恶劣。

热管换热器的维护保养简单，无需要辅助设备，占用空间小并且不需要其它能耗，以及抗冻能力好等特点，正好适用于列车空调。

从表中可以清楚的看出热管换热器相对于其他换热器的整体性优势。

3 采用热管热换热器进行热回收前后能耗分析以夏季为例，在未采用热管换热器对空调排风进行热回收处理新风时，空调新风冷负荷按下式计算：
Qc,o=M0（h0-hR) （3）
M0=V0×ρ（4）
式中：Qc,o—夏季新风冷负荷，kW；
Mo—新风量，kg/s；
Ρ—空气密度，kg/m3；
ho—室外空气的焓值，kJ/kg；
hR—室内空气的焓值，kJ/kg。

采用热管换热器后，新风经过热管换热器后，比焓为：
h\'=h0-α（h0-hR)（5）
式中：h\'—新风经热管换热器处理后比焓，kJ/kg；
α—热管换热器换热效率。

节约的新风能耗为：
Q\'c,o=M0(h0-h\')（6）
下面为应用于建筑空调的实例：一个上海地区的空调系统，其新风量和排风量都是20000m3/h（0.667kg/s），室内设计条件是室温24℃和相对湿度65%（比焓是50.49kJ/kg），室外温度34℃（比焓是90.94kJ/kg）。

现采用热管换热器对此排风能量回收系统进行节能分析。

在未进行排风能量回收时新风负荷是：0.667×（90.94-50.49）=26.98kW
当采用换热效率为50%的热管换热器之后，新风出热管换热器的比焓值为：90.94-0.5×（90.94-50.49）=70.72kJ/kg
节约的新风能耗为：0.667×（90.94-70.72）=13.49kW
由此，空调系统中新风负荷减少为：
26.98-13.49=13.49kW
从以上实例可看出，采用热管换热器对空调排风进行热回收处理新风后，节约新风耗能的50%，利用热管换热器从排风中回收能量，可以减少新风负荷，从而降低整个空调机组的能耗，提高能源的利用效率，达到节能的目的。

利用热管换热器从排风中回收能量，可节约新风耗能70～80%，节约空调负荷10～20%，可见其节能效果非常明显。

4 热管换热器应用于列车空调存在的影响因素
鉴于热管换热器在房间空调热排风热回收系统中的应用，也可将热管换热器用于列车空调的排风热回收处理新风。

但是列车空调与建筑房间空调存在着差异，这也对热管换热器在列车空调中的应用带来了一些影响因素，主要分为热管自身因素和环境因素。

（1）热管自身因素
首先是热管工质的选择，要选择一种适合于列车运行环境的热管工质，既要工作稳定，又要有较大的传热量，并且不造成环境破坏。

管壳与工质的相容性，以及管壳材料的腐蚀溶解会对热管使用寿命及效率产生影响。

热管自身结构的一些参数（如直径、长度、壁厚、翅片结构等）以及热管在换热器中的排列形式，都会对热管的传热性能产生很大的影响，从而影响换热器的性能。

热管换热器的紧凑性，也会涉及热管的投资、运行费用。

另一方面，热管本身存在许多因素制约着其工作能力，即它存在一系列的传热极限（包括携带极限、声速极限、沸腾极限、黏性极限、毛细极限等），特别是毛细极限、声速极限和沸腾极限是热
管运行中最普遍遇到的。

这些传热极限与热管的尺寸、形状、工作介质、工作温度等有关，限制热管的传热能力。

（2）环境因素
列车空调处于一个动态的运行环境下，随着列车行驶不同的地点，季节，时间会发生变化，车厢内的负荷也在不断的变化，新风负荷不断变化，而空调机组的制冷量是不能自行调节的，这就需要一定的自动控制技术与之相匹配。

另外，由于列车空调的特殊运行条件，大部分时间处于行驶中，铁路周边空气含尘量很大，热管换热器中气流速度过快，会加速热管的磨损，从而影响其换热能力，于是对热管换热器的使用寿命提出了更高的要求。

5 结论
铁路客运作为我国最主要的一种客运方式,如何同时解决节能与环保两大问题，是很多研究、工作人员研究研究的重点。

如果在采用在传统的列车空调节能措施的同时，将热管换热器应用于列车排风热回收，对新风进行预处理，可以大幅减少新风负荷，从而降低车厢冷负荷，减少空调机组能耗。

但是由于列车空调比较恶劣的运行环境以及热管本身存在的一些影响因素，需要对热管换热器在列车空调热回收中的可行性进行更加深入的分析研究，这将是一个比较重要的研究课题。