空调列车夏季行驶热舒适性分析

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；
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
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
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；
& Electric Power Machinery 与电力机械
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
t
t
B=
t t
0
0
t
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
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℃
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
专题研讨
制冷空调 Refrigeration Air Conditioning
& Electric Power Machinery 与电力机械
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）
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
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：
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
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，
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
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
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
（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]：
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。
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）；
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总第131期 第31卷