空调列车运行时围护结构传入热量的研究

在中国，空调列车是主要的客运交通工具，其车厢内的热环境状况直接影响到旅客的乘车舒适性．目前已经有许多学者就如何改善室内热环境提出了对策和措施［１，２］．由于中国土地辽阔，气候相当复杂，铁路的分布极广，空调列车运行的区间又很长，这些均导致空调列车在运行过程中，其外部热环境参数随时间和空间的不同而变化．外部热环境参数的波动必将影响到进入车厢内的热量，最终将影响车厢内旅客的热舒适性．因此必须要掌握空调列车运行过程中围护结构传热量的变化规律，只有掌握了这一规律，才可以依据这一规律来调节空调机组提供的冷量并采取其他相关措施来削弱外部热环境对车厢内热环境的影响，以维持车厢内相对稳定的热湿环境，提供一个较为舒适的乘车环境．１车厢围护结构传热过程分析夏季，外部气温通过围护结构传入室内时存在温度波的衰减和延迟，如图１所示［３］．图中，ｔｚｈ，ａｖ为车厢外综合温度平均值；Ｈｗ为车厢外壁温度波的振幅；Ｈｎ为车厢内壁温度的振幅；ｔｓ为车厢内空气温度的平均值．就实际情况而言，温度在做谐性变化的同时牵涉到非谐量，由于温度的非谐性变化具有周期性，将这些变化展开为傅立叶级数，并用余弦曲线之和的形式表示出来，如公式（１）所示［４］：ｔ（τ）＝Ｈ０＋Ｈ１ｃｏｓ３６０τＺ－φ１!"＋Ｈ２ｃｏｓ２×３６０τＺ－φ２!"＋Ｈ３ｃｏｓ３×３６０τＺ－φ３!"＋……（１）式中，Ｈ为温度波动的振幅，℃；τ为从某一已知的起始时刻开始计算的时间，ｈ；Ｚ为波动的周期，ｈ；φ为这些波动的初相角，度；其中，第一项Ｈ０与时间无关，是温度波动的平均值，傅立叶级数的第二项为第一阶谐量，其周期Ｚ等湖南科技大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．２１Ｎｏ．１Ｍａｒ．２００６空调列车运行时围护结构传入热量的研究杨培志（中南大学制冷空调研究所，湖南长沙４１００７５）摘要：空调列车运行期间，车厢外部热环境参数随时间和空间的变化而导致车厢围护结构传入热量的波动．以Ｔ９７次和Ｔ９８次空调列车为例，通过计算一个设计日内车厢各朝向围护结构对外界温度波的衰减和延迟，得到列车运行期间各朝向围护结构传热量的波动规律，为今后列车车厢内热舒适性研究及列车空调机组实时运行调节提供了参考．图７，表２，参８．关键词：空调；传热；温度波；热舒适；列车中图分类号：Ｕ２７０文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－９１０２（２００６）０１－００４６－０４收稿日期：２００５－０９－２５作者简介：杨培志（１９７７－），男，湖南浏阳人，中南大学博士生，讲师，主要从事列车空调系统的研究．第２１卷第１期２００６年３月图１不稳定传热时的温度变化Ｆｉｇ．１ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖａｒｉｅｔｙｆｏｒｕｎｓｔｅａｄｙｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒＨｗＨｎｔｓＨｎＨｗｔｚｈ，ａｖ于已知曲线的周期，以后各项（高阶谐量）的周期比基本谐量的周期减小２，３，４，……倍［５］．由围护结构传入的热量可由公式（２）进行计算［６］．Ｑ＝Ｋ（ｔｚｈ，ａν－ｔｓ）＋αｉｎＨ１ν１ｃｏｓ３６０τＺ－φ１－ε１!"＋αｉｎＨ２ν２ｃｏｓ２×３６０τＺ－φ２－ε２!"＋……（２）式中，Ｋ为围护结构各层材料的传热系数，Ｗ／（ｍ２・Ｋ）．由于太阳辐射和车厢内外温差的综合作用，通过窗玻璃有热量传入室内．这里有两个传递过程：一是有一部分太阳辐射能量透过玻璃以短波辐射的形式直接进入车厢内；二是玻璃吸收了另一部分太阳辐射，提高了自身的温度，然后以对流和长波辐射的方式向室内外散热．车窗进入的热量由公式（３）进行计算［７］．Ｑ＝ＣｇＣｎＤｓ＋Ｋｃ（ｔｚｈ－ｔｓ），（３）式中，Ｃｇ为窗玻璃的遮挡系数；Ｃｎ为窗内遮阳设施的遮阳系数；Ｄｓ日射得热因数．２车厢围护结构对外部温度的延迟和衰减由于车厢围护结构本身具有一定的热惰性（或热稳定性），所以室外综合温度波动作用通过围护结构各层传至内表面时，其波动幅度将逐渐衰减，而且两者的波动过程会出现相位差，即内表面温度的波动过程整个要比室外综合温度波动过程延迟一段时间．对傅立叶级数的每一项按温度沿波通过的已知途径上的衰减，相应地得到振幅衰减ν１，ν２，ν３，……以及相位的推移ε１，ε２，ε３，……，如公式（４）所示．ｔ（τ）＝ｔａν＋Ｈ１ν１ｃｏｓ３６０τＺ－φ１－ε１!"＋Ｈ２ν２ｃｏｓ２×３６０τＺ－φ２－ε２!"＋Ｈ３ν３ｃｏｓ３×３６０τＺ－φ３－ε３!"＋……（４）式中，ｔａν是在Ｈ０的基础上根据稳定状况的规律单独确定的．温度ｔ（τ）的变化不是谐性的，而是周期性重复的，其周期与已知变化曲线的周期Ｚ相同．当材料一侧受到周期性波动热作用时，表面温度将按同一周期而波动，通过表面的热流波动的振幅与材料表面温度波动的振幅之比即为材料的蓄热系数，它反映这种材料对波动热作用反应的敏感程度．在同样波动热作用下，蓄热系数大的材料，表面温度波动较小，即热稳定性好，其计算式如公式（５）所示［７］．Ｓ＝２πＺλＣρ#，（５）式中，Ｓ为材料蓄热系数，Ｗ／（ｍ２・Ｋ）；Ｚ为热流波动的周期，以小时计；λ为材料的导热系数，Ｗ／（ｍ・Ｋ）；Ｃ为比热，（Ｗ・ｈ）／（ｋｇ・Ｋ）；ρ为密度，ｋｇ／ｍ３．内表面蓄热系数表示在周期性热作用下，直接受到热作用一侧的表面对周期性热作用反应敏感程度特性的指标．其计算式为［７］Ｙｎ＝ＲｎＳｎ２＋Ｙｎ－１１＋ＲｎＹｎ－１，（６）式中，Ｙｎ为第ｎ层围护结构内表面蓄热系数，Ｗ／（ｍ２・Ｋ），对于距周期性热作用最远的一层，在此次计算中为车厢内壁表面，其Ｙｎ－１值用内表面换热系数代替；Ｒｎ为第ｎ层围护结构材料的热阻，ｍ２・Ｋ／Ｗ；Ｓｎ为第ｎ层围护材料的蓄热系数．ν＝０．９ｅ∑Ｄ２#・Ｓ１＋αｉＳ１＋Ｙ１・Ｓ２＋Ｙ１Ｓ２＋Ｙ２・Ｓ３＋Ｙ２Ｓ３＋Ｙ３・Ｙ３＋αｗαｗ，（７）式中：ν为围护结构的衰减倍数；∑Ｄ为热惰性指标．公式（７）最后的乘数Ｙ３＋αｗαｗ是温度波由室外空气传至围护结构外表面时的衰减度［６］．ε＝４０．５∑Ｄ－ａｒｃｔｇαｉαｉ＋Ｙｉ２#＋ａｒｃｔｇＹｅＹｅ＋αｗ２#，（８）式中：ε为围护结构的延迟时间，度；ａｒｃｔｇ为以度计的反三角函数；Ｙｉ为围护结构内表面的蓄热系数；Ｙｅ为围护结构外表面的蓄热系数；αｉｎ为围护结构内表面换热系数，取值为８Ｗ／ｍ２・Ｋ［８］．公式（８）中最后一项ａｒｃｔｇＹｅＹｅ＋αｗ２#是外表面温度较室外综合温度波动的延迟时间．各层外表面的蓄热系数按下述步骤计算：（１）第一层外表面的蓄热系数当Ｄ１≥１时，Ｙ１＝Ｓ１；当Ｄ１＜１时，Ｙ１＝Ｒ１Ｓ１２＋αｉｎ１＋Ｒ１αｉｎ．（２）以后任一层外表面的蓄热系数当Ｄｍ≥１时，Ｙｍ＝Ｓｍ；当Ｄｍ＜１时，Ｙｍ＝ＲｍＳｍ２＋Ｙｍ－１１＋ＲｍＹｍ－１．依据公式（４）～（８）可以计算出围护结构各朝向各阶谐波的延迟时间和衰减倍数．３实例分析以Ｔ９７次和Ｔ９８次空调列车为例进行计算分析，这两列客车经过的主要站点及时间如表１和表２所示．在计算过程中，引用的参数均为各个站点在设计日的参数（在空调系统设计中所采用的各种室外计算气象参数一般都设想为某地点某天内的参数，该天称为设计日）．以起点站到终点站之间往返一次为一个周期，即７２ｈ．通过曲线拟合，得出由隔热壁和车窗传入的热量，如图２～５所示．为了了解外部热环境对整节车厢内负荷的影响，下面将就整个围护结构传入的热量进行计算．对某一节车厢而言，车厢两侧车窗的面积约为１４ｍ２，车厢长２５．５ｍ，宽３．１ｍ，高２．４２ｍ，根据这些已知条件，可以计算出整节车厢通过围护结构逐时传入的热量，其结果如图６和图７所示．从图６和图７可知：由于太阳辐射值随时间和朝向的不同而变化以及室外气温的波动，导致车厢围护结构传入的热量随时间存在一定的波动，但其变化是有规律的．对于Ｔ９７次空调列车，当运行到郑州地段时由围护结构传入的热量存在一个峰值，此时应该提供更多的制冷量来抑制车厢内负荷的增加，而当列车运行到长沙至广州这段区间时，由围护结构传入的热量不断降低，此时应减少制冷量以利于节能．对于Ｔ９８次空调列车，列车在深圳至武昌这段区间内由围护结构传入的热量逐渐降低，此时可适当减少制冷量，当表１Ｔ９７次列车的时刻表Ｔａｂ．１ＴｉｍｅｔａｂｌｅｆｏｒｔｒａｉｎＴ９７站点北京西石家庄郑州武昌长沙时间１０．０６１２．４５１６．４２２２．２２１．５０站点郴州韶关广州广州东深圳时间５．２０７．０１９．１５９．３１１３．１０表２Ｔ９８次列车的时刻表Ｔａｂ．２ＴｉｍｅｔａｂｌｅｆｏｒｔｒａｉｎＴ９８站点深圳广州东广州韶关郴州时间１５．００１７．４７１８．４９２１．０２２２．４１站点长沙武昌郑州石家庄北京西时间２．１０５．４１１１．２３１５．２１１８．０５图２Ｔ９７次列车由隔热壁传入的热量Ｆｉｇ．２ＨｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｑｕａｎｔｉｔｉｅｓｔｈｒｏｕｇｈｗａｌｌｓｏｆｔｒａｉｎＴ９７图４Ｔ９７次列车由车窗传入的热量Ｆｉｇ．４ＨｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｑｕａｎｔｉｔｉｅｓｔｈｒｏｕｇｈｗｉｎｄｏｗｓｏｆｔｒａｉｎＴ９７图５Ｔ９８次列车由车窗传入的热量Ｆｉｇ．５ＨｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｑｕａｎｔｉｔｉｅｓｔｈｒｏｕｇｈｗｉｎｄｏｗｓｏｆｔｒａｉｎＴ９８１２１０８６４２０传热量／（Ｗ／ｍ２）北京西郑州武昌长沙广州深圳车厢顶部车厢西侧车厢底部车厢东侧主要站点图３Ｔ９８次列车由隔热壁传入的热量Ｆｉｇ．３ＨｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｑｕａｎｔｉｔｉｅｓｔｈｒｏｕｇｈｗａｌｌｓｏｆｔｒａｉｎＴ９８车厢顶部车厢西侧车厢底部车厢东侧１４１２１０８６４２０深圳广州长沙武昌郑州北京西传热量／（Ｗ／ｍ２）主要站点３００２５０２００１５０１００５００由车窗传入的热量／（Ｗ／ｍ２）北京西郑州武昌长沙广州深圳主要站点车厢西侧车窗车厢东侧车窗３５０３００２５０２００１５０１００５００深圳广州长沙武昌郑州北京西主要站点车厢西侧车窗车厢东侧车窗由车窗传入的热量／（Ｗ／ｍ２）列车驶出武昌后传入的热量逐渐上升，此时必须提供更多的制冷量来削弱这一变化对车厢内热环境的影响．４结论列车运行期间由于外部热环境参数的变化导致传热量的变化，最终影响室内热舒适性．本文通过引用列车运行途中各主要站点的外气参数进行分析，并通过编程计算，求解围护结构各阶谐波的衰减倍数和延迟时间，较真实的模拟出列车运行期间外部传热量的变化情况，这一研究将有助于掌握车厢内空调负荷的变化趋势，同时为列车空调机组实时运行调节的研究提供了理论依据．参考文献：［１］ＴＡＦＦＥＰ．Ａｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅｒｅｓｐｏｎｓｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｏｍｆｏｒｔ［Ｊ］．Ｂｕｉｌｄ－ｉｎｇａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，１９９７，３２（２）：１１５－１２１．［２］ＪＯＡＣＨＩＭＣ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｌｏｗｉｎａｐａｓｓｅｎｇｅｒｃｏｍ－ｐａｒｔｍｅｎｔａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｍｆｏｒｔｏｆｔｈｅｏｃｃｕｐａｎｔｓ［Ｊ］．ＳＡＥｐａｐｅｒ，１９９７，２９（５）：８０６－８１６．［３］ＳＨＵＺＯＭ，ＳＨＩＮＳＵＫＥＫ，ＪＩＥＺ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａｉｒｆｌｏｗ，ｒａ－ｄｉａｔｉｏｎ，ａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｔｒａｎｓｐｏｒｔｆｏｒｈｅａｔｒｅｌｅａｓｅｆｒｏｍａｈｕｍａｎｂｏｄｙ［Ｊ］．ＢｕｉｌｄｉｎｇａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２０００，３５（２）：４８９－５００．［４］ＦＯＬＵＳＯＬ，ＭＩＣＨＥＬＬＥＤＮ．ＣＦＤＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅＨＶＡＣ＆ＲＩｎ－ｄｕｓｔｒｙ［Ｊ］．ＡＳＨＲＡＥＪｏｕｒｎａｌ，１９９７，３７（１）：４４－４８．［５］ＣＨＥＮＱ，ＳＲＥＢＲＩＣＪ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣＦＤｔｏｏｌｓｆｏｒｉｎｄｏｏｒａｎｄｏｕｔ－ｄｏｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＳｃｉ－ｅｎｃｅ，２０００，３４（１）：１４－２９．［６］徐湘波，胡益雄．建筑物及汽车空调负荷［Ｍ］．长沙：国防科技大学出版社，１９９７．ＸＵＸｉａｎｇ－ｂｏ，ＨＵＹｉ－ｘｉｏｎｇ．Ｂｕｉｌｄｉｎｇａｎｄａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｌｏａｄｆｏｒｃａｒ［Ｍ］．Ｃｈａｎｇｓｈａ：ＮａｔｉｏｎａｌＤｅｆｅｎｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒ－ｓｉｔｙＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ，１９９７．［７］叶歆．建筑热环境［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９６．ＹＥＹｉｎ．Ｔｈｅｒｍａｌｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｆｏｒｂｕｉｌｄｉｎｇ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＱｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ，１９９６．［８］章音，滕兆武．车辆设计参考手册［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９３．ＺＨＡＮＧＹｉｎ，ＴＥＮＧＺｈａｏ－ｗｕ．Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｍａｎｕａｌｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｄｅｓｉｇｎ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ，１９９３．图６Ｔ９７次列车由围护结构传入的热量Ｆｉｇ．６ＨｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｑｕａｎｔｉｔｉｅｓｔｈｒｏｕｇｈｅｎｃｌｏｓｕｒｅｏｆｔｒａｉｎＴ９７图７Ｔ９８次列车由围护结构传入的热量Ｆｉｇ．７ＨｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｑｕａｎｔｉｔｉｅｓｔｈｒｏｕｇｈｅｎｃｌｏｓｕｒｅｏｆｔｒａｉｎＴ９８ＳｔｕｄｙｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｑｕａｎｔｉｔｉｅｓｔｈｒｏｕｇｈｅｎｃｌｏｓｕｒｅｏｆｔｒａｉｎｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔＹＡＮＧＰｅｉ－ｚｈｉ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎａｎｄＡｉｒ－Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｔｅｒｉｏｒｔｈｅｒｍａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｖａｒｙｉｎｇｗｉｔｈｔｉｍｅａｎｄｓｐａｃｅｒｅｓｕｌｔｉｎｔｈｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｑｕａｎｔｉｔｉｅｓｔｈｒｏｕｇｈｅｎｃｌｏｓｕｒｅｏｆｔｒａｉｎｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ．ＴｒａｉｎＴ９７ａｎｄｔｒａｉｎＴ９８ｗｅｒｅｔａｋｅｎａｓｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎａｎｄｄｅｌａｙｆｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｕｒｉｎｇａｄｅｓｉｇｎｄａｙｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ｔｈｅｒｕｌｅｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｑｕａｎｔｉｔｉｅｓｔｈｒｏｕｇｈｅｎｃｌｏｓｕｒｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｔｏｆｆｅｒｅｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｏｍｆｏｒｔａｎｄｒｅａｌｔｉｍｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎａｂｏｕｔａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄｕｎｉｔ．７ｆｉｇｓ．，２ｔａｂｓ．，８ｒｅｆｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｖｅ；ｔｈｅｒｍａｌｃｏｍｆｏｒｔ；ｔｒａｉｎＢｉｏｇｒａｐｈｙ：ＹＡＮＧＰｅｉ－ｚｈｉ，ｍａｌｅ，ｂｏｒｎｉｎ１９７７，Ｐｈ．Ｄ．，ｌｅｃｔｕｒｅｒ，ａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｒａｉｎ．５．０４．５４．０３．５３．０２．５２．０１．５１．０北京西郑州武昌长沙广州深圳主要站点传热量／ｋＷ４．５４．０３．５３．０２．５２．０１．５传热量／ｋＷ深圳广州长沙武昌郑州北京西主要站点。