空调列车夏季行驶热舒适性分析

T —车厢内壁面节点温度，℃。
转换为状态空间如下：
状态方程：
dX（τ）= dτ
A·X（τ）+
B·U（τ）
（4）
X（τ）=[Tw Tps Tt ]T U（τ）=[Tout_d 0 T ]T
太阳辐射得热的当量温度与外气温度共同构成车
16 No.1/2010 总第131期 第31卷
专题研讨
制冷空调 Refrigeration Air Conditioning
关键词：列车空调； 状态空间法； PMV； 双位控制
中图分类号：TU83
文献标识码：A
文章编号：1006- 8449（2010）01- 0015- 05
0 引言
空调列车在现代社会交通中十分重要，好的车辆 空调应该能最大限度地满足人们在旅行中对热舒适性 的要求，以减少乘客的疲劳感。但通常人们会发现，乘 坐空调列车有时会有不舒适的感觉。本文以上海始发 郑州终点的 K152 次列车为例，讨论空调硬座列车夏 季行驶过程中列车空调温度控制策略对乘客热舒适性 造成的影响。
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与电力机械 & Electric Power Machinery
专题研讨
表 3 K152 次沿途主要站点及时间、气象参数
外空气的综合温度。外气综合温度反映了
站台
上海
南京
蚌埠
商丘
郑州
日期
6 月 22 日 6 月 22 日 6 月 23 日 6 月 23 日 6 月 23 日
有强冷、弱冷与全关三种挡位。 1.2 车体基本参数
以 YZ25G 空调硬座车为物理模型，定员 118 人， 车厢几何尺寸为：25.5m×3.105m×4.433m。车厢共有 24 扇窗户，每扇尺寸为：0.98m×0.93m[3]。车体结构参 数见表 1，相关材料的物性参数见表 2。
1.3 外气参数及相关设计参数
（12）
式中 Hload —维持舒适状态热平衡所需体内热负荷，即
人体产热量与散热量之差。
冷热舒适感预计不满率即暴露于环境中的被验者
在反映某种冷或热感觉的不舒适人数占总体被验者的
百分比：
PPD = 100- 95e（- 0.03353PMV4 - 0.2179PMV2）
（13）
PMV 生理心理热感标尺见表 4[8]：
摘要：利用 MATLAB/ SIMULINK 平台，建立了空调硬座列车的围护结构动态传热及 PMV 的计算模型；其中在 PMV 的计算中，考虑了人体散湿量、空气相对湿度及内壁温度和平均辐射温 度对 PMV-PPD 值的影响。对空调硬座列车空调双位控制分别采用不同的反馈信号对热舒适性的 影响，进行了理论上的分析。本文建立的模型，可用于列车空调相关问题的研究。
（2）
式中 v —列车运行速度，km/h。
2.1.3 状态空间方程
得到外气综合温度后，进行围护结构动态传热负
荷的计算。由于列车围护结构较薄，对每层围护结构采
2.1 车厢围护结构传热
用集总热容法，在每层中间取温度计算点，参考热电类
在列车空调负荷计算中，车厢围护结构传热包括 对流传热和太阳辐射得热两部分。车厢围护结构分为 车顶、地板、受太阳辐射的车壁、不受太阳辐射的车壁 及车窗五个部分。对于不透明的围护结构，采用状态 空间的方法（热电类比）计算其动态负荷[5]，如图 1 所 示。
T T
TTTTTCp·s ddTτps = Kp（s Tw - Tp）s - Kps_（t Tps - T）t
T
TTTTTTC·t ddTτt = Kps_（t Tps - T）t - K（t Tt - T）
（3）
式中 Cw —车厢结构外层热容，J/K；
Cps —车厢保温层热容，J/K；
Ct —车厢结构内层钢板热容，J/K；
图 1 车壁围护结构计算示意图 Tout_d - 外气综合温度 Tw - 车厢外壁面节点温度 Tps - 车厢保温层节点温度 Tt - 车厢结构内层节点温度 T- 车厢内壁面节点温度 Tin - 车厢内部节点温度 Cw - 车厢结构外层热容 Cps - 车厢保温层热容 Ct - 车厢结构内层钢板热容 Kout_r - 车厢外表面传热系数 Kps - 车厢保温层传热系数 Kps_t - 车厢结构中层传热系数 Kt - 车厢结构内层传热系数 Kin_r - 车厢内表面传热系数
Tw —车厢外壁面节点温度，℃；
Tps —车厢保温层节点温度，℃；
Tt —车厢结构内层节点温度，℃； Kout_r —车厢外表面传热系数，W（/ m2·K）； Kps —车厢保温层传热系数，W（/ m2·K）； Kps_t —车厢结构中层传热系数，W（/ m2·K）。
Tout_d —外气综合温度，℃； Kt —车厢结构内层传热系数，W（/ m2·K）；
αin 为内表面对流换热系数，取温差为 5℃，得 αin =3.955 W（/ m2·K）。
2.2 车厢内部产热
2.2.1 人员产热量
以成年男子散热量为基准，用群集系数修正：
Qpeople
=
C·n（qs + 1000
qL）
（9）
式中 n —车厢旅客定员人数，为 118 人；
qs —男性旅客单位时间散发显热量，W；
Qnewair =
25n·Cp·ρ（Tin 3600
Tou）t
（11）
式中 Cp —干空气室压比热容，J（/ kg·K）； ρ —空气密度，kg/m3。
3 人体舒适性指标 PMV
Fanger 提出了室内热环境的评价与测量的新标准
化方法，其中预计冷热感指标为：
PMV =（0.303e-0.036M + 0.028）Hload
水平面散射辐射强度，W/m2 78.5
0
0
6.2
201.9
外气温度与太阳辐射对隔热壁所起的双重
热作用[6]。对按一定方向行驶的车辆，由于
受太阳照射的不同，所取的综合外气温度
也是不同的。
太阳辐射得热的当量温度：
Td
=
ρJ αout
（1）
式中 Td —太阳辐射的当量温度，℃；
本文假定列车由东向西行驶，以 6 月 22 日这天为 例。查得上海始发郑州终点的 K152 次列车沿线主要 站点典型气象年气象参数如表 3 所示[4]。
2.1.1 太阳辐射得热 太阳辐射得热的计算比较繁琐。根据表 3 的太阳
辐射强度值，按车顶、侧壁、地板及车窗对其太阳辐射 强度进行计算。由于假定列车由东向西行驶，隔热壁 传热计算中墙面方位角 x 为 0。另外，车窗部分计算中 取遮阳系数为 0.55。 2.1.2 外气综合温度
比法列出下列方程组：
TTTTTCw·ddTτw = K （T out_r out_d - Tw）- Kp（s Tw - Tp）s
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气湿度等有关[9]。在工程应用中，可近似认为平均辐射
温度等于围护结构内表面平均温度，围护结构内表面
C = [0 0 Kt]
D = [ 0 0 - Kt ] 如果输出近车身内侧温度，则：
T（τ）= T
系数矩阵：
C = [0 0 1]
D =[0 0 0]
式（3）~ 式（5）中，各结构层及车厢内外表面传热
系数 K 用式（6）求得：
t t K =
1
Σ
Ri
+1 αi
+1 hri
Fi
（6）
式中 Ri —车厢围护结构各结构层相关材料热阻，
t
0 t
t tt
0
t
t
0t t
t
t
t
t
0t t
t
Kt
t
t t
C tt tt
输出方程：
t
0
t t
t
t
t
t
Kps_t
t t
Cps
t t t
t
- Kps_t + Kt
t t t
Ct
tt t
Y（τ）= C·X（τ）+ D·U（τ）
（5）
输出状态量为内表面热量，则：
Y（τ）= K·t （Tt- T） 系数矩阵：
ρ —外表面吸收系数； J —外表面总辐射强度，W/m2； αout —外表面对流换热系数，W（/ m2·K），与列车
行驶速度相关为：
2 列车空调负荷计算
列车空调负荷由车厢的热源得热负荷和新风负荷 组成。车厢冷负荷主要包括通过车厢围护结构的传热 负荷和车厢内部产生负荷。
αout = 9+ 3.5v0.66
1 基本参数及假设
1.1 列车空调相关标准
根据标准 TB/T1951- 1987，按北京以南地 区各铁路沿线空调客车综合得热量的变化规 律，确定出我国客车空调的夏季外气计算参数 取武汉地区的数值比较合适，并采用稳态传热 方法得到列车空调负荷[1]。空调客车外气计算
表 1 车体结构参数
车厢
外层
中层
内层
表 4 PMV 热感标尺
热感觉 冷 凉 微凉 适中 微暖 暖 热
PMV 值 - 3 - 2 - 1
0
1
23
一般认为，在我国大部分地区可以接受舒适热环 境的 PMV 为[- 1，1]，相应的 PPD<26%。国际上这两个 值相应为[- 0.5，0.5]与 10%。PMV 与人体活动程度、衣 服热阻、空气温度、平均辐射温度、空气流动速度和空
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系数矩阵如下：
t
K + K t -t
out_r
ps
t t
Cw
t
t
t
K t
ps
A= - t
t
C t
ps
t
t
t t
0
tt
t
Kps Cw
- Kps + Kps_t Cps
Kps_t Ct
t
K t 0 t
out_r
C t
tw
twk.baidu.com
t
B=
t t
0
0
t
材料
耐候钢板 聚苯乙烯
胶合板 木板
钢化玻璃
表 2 相关材料物性参数
导热系数 W（/ m·K）
58.2 0.027 0.16 0.22 0.76
比热容 J（/ kg·K）
477 2000 2300 2600 840
密度 kg/m3 7850
30 1200 700 2500
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部位 材料 厚度，mm
材料
厚度，mm 材料 厚度，mm
顶部 耐候钢板 2 聚苯乙烯泡沫塑料 70 胶合板
5
底部 耐候钢板 2 聚苯乙烯泡沫塑料 85
木板
20
侧壁 耐候钢板 3 聚苯乙烯泡沫塑料 65 胶合板 10
车窗 钢化玻璃 6
空气
6 钢化玻璃 6
参 数 为 外 气 计 算 干 球 温 度 35℃ ， 相 对 湿 度 60%，夏季空调设计参数为室内 24~28℃，相对湿度 40%~65%，不超过 70%。送风温差不大于 8K。每人新 风量春季 20~25m3/h，客室内风速不超过 0.25m/s。一个 标准大气压下，列车每节车厢空调名义制冷量为 58.14kW[2]。K 系列列车车载空调机组为两台 KLD29 车 顶单元式机组，每台机组 29.07kW。K152 次列车空调 通过对两台压缩机的通断控制对车厢温度进行调节，
m2·K/W；
αi —内外表面对流换热系数，W（/ m2·K）； hri —内外表面辐射放热系数，W（/ m2·K）； Fi —车厢围护结构各结构层面积，m2。 对于外壁面：
t t hrout ≈ 0.233 ε1 ε2
Tm 100
3
（7）
式中
Tm
—平均辐射温度，Tm
=
Tw
+ 2
Tout
，Tout 为外气干
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空调列车夏季行驶热舒适性分析
宋宇尧 1，2， 赵兰萍 1，2， 杨志刚 1
（1.上海地面交通工具风洞中心，上海 201804；2.同济大学 机械工程学院，上海 201804）
球温度，K；
ε1、ε2 —相关物体材料吸收率，对于外表面，车壁
的材料为金属材料，吸收率等于温度为
姨Tw Tout 时的发射率，约为 0.8[7]。
对于车壁内表面：
Tαin =3.49+0.093|T - Tin|
αin =（2.67- 3.26）|T - Tin|0.25
|T - Tin|燮5℃ （8） |T - Tin|>5℃
qL —男性旅客单位时间散发潜热量，W；
C —群集系数，取 0.96。
2.2.2 照明产热量
照明灯数量为 24，功率 60W，镇流器散热系数取
1.2，灯罩隔热系数取 0.7[3]，得：
Qlightr = 1209W
（10）
2.3 其它冷负荷
包括新风冷负荷，在列车上，每人新风量春季
20~25m3/h，按额定人员计算：
时间
16:05 21:10 00:08 05:04 07:32
纬度，（°）
31.4
32
32.95 34.45 34.72
干球温度，℃
28.8
24.3
22.6
21.3
23.2
含湿量，g/kg 干空气 水平面总辐射强度，W/m2
18.29 78.5
17.33 0
16.13 0
15.16 8.2
13.71 211.9