高寒动车组热工设计参数研究

李永恒，杨 弘

（中国北车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）

运用与检修

高寒动车组热工设计参数研究

李永恒，杨 弘

（中国北车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）

重点介绍车体传热系数、采暖负荷参数的选取及车体隔热结构设计研究。通过分析国外高寒动车组技术指标，结合哈大地区的运用环境，研究选取了CRH380B型动车组热工设计参数；在不提高采暖功率的前提下，通过采暖负荷需求计算，确定车体传热系数，以计算结果为目标优化车体隔热壁的结构，并通过车体K值、－40℃低温环境的采暖试验证明了CRH380B型动车组满足热舒适度要求。

传热系数；采暖负荷；热工设计参数；结构优化

随着世界高速铁路的快速发展，高速列车的运行区域和运行环境不断拓展，在高寒地区建成多条高速铁路，与此同时阿尔斯通、庞巴迪、西门子相继开发出适应在最低环境温度为－40℃运行的高寒型高速列车。

近年来，我国在引进高速列车技术的基础上相继研制出适应－25℃～＋40℃环境运用的CRH系列高速动车组。哈大高速客运专线的开通，需要一批高寒高速动车组投入使用。为满足哈大高速客运专线的需求，长客股份率先研制出适应－40℃～＋40℃运行环境要求的CRH380B型高寒动车组。

CRH380B型高寒动车组在CRH380BL动车组平台基础上，解决了车体隔热保温能力与采暖热负荷平衡问题，攻克了计算参数选取、车体隔热保温、空调采暖、防雪密封、材料低温特性等技术难题，在满足安全性、热舒适度要求的同时，还实现了节能环保的目的。

1 国内外高寒动车组技术性能指标

近年来相继有不同速度等级的动车组在北欧和俄罗斯等低温地区运营，我国首次开发出的CRH380B型高寒动车组也已投入使用，国内外高寒动车组技术性能指标对比见表1。

表1 国内外高寒动车组主要技术参数

由表1可知，CRH380B型高寒动车组的各项技术指标都达到国际先进水准。

2 根据运用环境选取设计参数

2.1 欧洲运用环境分析与设计参数的选取

欧洲铁路系统为便于节能和管理，根据气候区对欧洲国家进行分类，其冬季气候区见表2。

表2 欧洲冬季气候区

根据列车运用环境，北欧铁路系统又将铁路系统分为3个温度等级，见表3。

由以上可见，欧洲铁路系统早已将环境控制、节能设计纳入铁路管理中来，针对瑞典、挪威、芬兰 这3个地处北欧的最冷地区，按照UIC553《客车加热、通风和空调系统》选取车内采暖通风的设计参数，设计制造耐低温的轨道车辆。

表3 北欧铁路系统温度等级

2.2 确定CRH380B型高寒动车组设计参数

2.2.1 国内没有动车组热舒适度设计标准

TB/T1955《铁道客车采暖通风设计参数》规定，客车采暖设计应分为运行在北京以南地区客车和非限定运用区间客车的各项与热舒适度相关的设计参数，并确定了北京以南地区客车冬季计算温度为－14℃，非限定运用区间客车冬季计算温度为－35℃；我国现有CRH系列的动车组招标技术条件规定动车组适应的环境温度为－25℃～40℃，所以TB/T1955《铁道客车采暖通风设计参数》不适用于CRH系列动车组，因此在高寒动车组设计过程中需要根据运用环境研究确定相关设计参数。

2.2.2 高寒动车组车外最低计算温度

为进行高寒高速动车组设计，调查研究了东北地区近10年极端温度，见表4。

表4 东北地区城市2000－2009年极端温度

以上数据显示，哈尔滨地区最低温度为－37.3℃、最高温度为39.2℃，因此运用环境温度可定为－40℃～＋40℃；而动车组运行时间均在凌晨5：00～24：00之间，避开日出前的最低温度时间，所以高寒动车组车外计算最低温度可选定为－35℃。

2.3 确定车内热舒适度设计参数

我们分别对UIC 553《客车加热、通风和空调系统》和TB/T 1955《铁道客车采暖通风设计参数》中规定的车内各区域的温度和不同温度时新风量进行对比分析，结果如表5、表6。

表5 各区域温度对比表 ℃

表6 各季节新风量对比表 m3·h－1

经过分析，我们以国际标准选取CRH380B型高寒动车组的热舒适度设计参数如表7。

表7 高寒动车组的冬季热舒适度参数表

3 采暖负荷的计算

根据所确定的设计参数，分别对－35℃和－40℃进行采暖加热设备功率进行计算。

3.1 计算公式

3.1.1 热平衡方程式

式中P为采暖设备加热功率，k W；Q1为通过车体隔热壁损失的热量，k W；Q2为加热送入车内新鲜空气所需热量，k W；Q3为旅客的散热量，k W；Q4为机电设备散热量，k W。

3.1.2 通过车体隔热壁损失的热量按下式计算

式中K为车体传热系数，W/（m2·K）；F为车体传热面积，m2；K为车体内外空气温差，K；△t为车体内外空气温差，K。

3.1.3 加热送入车内新鲜空气所需热量按下式计算。

式中VA为空气容积流量，m3/s；ρ为空气密度，kg/m3；CP为空气定压比热，kJ/（kg·K）。

3.1.4 旅客的散热量按下式计算

式中：n为车内定员数；q为平均每人散发的热量，W。

3.1.5 机电设备散热量Q4通常被当作采暖设备的安全贮备热在计算中不予考虑。

3.2 外温－35℃工况下采暖负荷计算

3.2.1 计算条件

外界环境温度 －35℃；

车内温度 22℃；

车辆静态传热系数 1.2 W/（m2·K）

车辆350 km/h运行时传热系数1.6 W/（m2·K）

车辆定员 80人

3.2.2 计算结果

（1）通过车体隔热壁损失的热量

（2）加热送入车内新鲜空气所需热量

（3）车内冷负荷为（无旅客）

（4）旅客散热

（5）车内冷负荷为（有旅客）

3.3 外温－40℃工况下采暖负荷计算

3.3.1 计算条件

外界环境温度 －40℃；

车内温度 20℃；

车辆静态传热系数 1.2 W/（m2·K）

车辆350 km/h运行时传热系数1.6 W/（m2·K）

车辆定员 80人

3.3.2 计算结果

（1）通过车体隔热壁损失的热量

（2）加热送入车内新鲜空气所需热量

（3）车内冷负荷为（无旅客）

（4）旅客散热

（5）车内冷负荷为（有旅客）

3.4 采暖计算结论

在车外温度为－35℃的情况下，CRH380B型高寒动车组以350 km/h速度运行时，如果车体静止传热系数小于1.2 W/（m2·K），要保持车厢内温度为22℃以上，需要配备采暖功率37.5 k W；目前CRH380B系列动车组采用的采暖功率为46.9 k W的客室空调机组，满足CRH380B型高寒动车组采暖功率要求，其安全系数为1.25。

在车外温度为－40℃的情况下，CRH380B型高寒动车组以350 km/h速度运行时，如果车体静止传热系数小于1.2 W/（m2·K），车厢内温度可保持在20℃以上。

4 车体隔热结构设计

为了使CRH380B型高寒动车组的车内温度保持在一定范围内，除了安装制冷和采暖设备外，还必须要求车体具有较好的隔热性能。CRH系列高速动车组车体大都采用铝合金车壁结构，并采用多层复合结构，加上玻璃丝棉等保温材料来保证车辆隔热性能。

为实现车体具有理想的隔热保温功能，我们对CRH380B型高寒动车组提出3种车体隔热结构方案，针对车体各区域的特殊结构，分别采用不同的保温材料，以争取使车体各区域具有等效传热系数，从而保证在高寒地区动车组的热舒适度并降低车辆的能量损耗。

4.1 3种隔热结构方案介绍

3种不同隔热设计方案见表8。

4.2 车体传热系数计算

4.2.1 车体传热系数计算原理

热量从车体一侧的空气中传至另一侧的空气中，其传热过程可以分为3个阶段：

（1）表面传热：热量从一侧的空气中传至车体的该侧表面。

（2）车体内部传热：热量从车体的一侧表面传至另一侧表面。

（3）表面传热：热量从车体另一侧表面传至该侧的空气中。

表8 3种隔热结构方案

这些传热过程包括了以热传导为主的车体内部的导热和以对流及辐射为主的车体和车内外环境之间的传热，这些传热过程的总体性能可由车体的传热系数K来表征。

为达到合理利用每种隔热材料的特性、有效地提高车辆隔热性能之目的，分别对以上3种隔热结构方案进行车体传热系数K计算，并通过对比和分析寻找节能环保的方案。

具体计算公式如下：式中Ci非均匀材料的总热阻；Sj为均匀材料的厚度；λj为均匀材料的传热系数；αi为吸热系数；αj放热系数。

4.2.2 各材料的热工参数

各种材料的热工计算参数见表9。

表9 各材料传热系数

4.2.3 3种方案K值计算结果

表10 K值计算汇总

4.3 3种方案对比分析

（1）在3种防寒材料安装的方案中，方案1与方案2的隔热性能基本相同，方案3的K值较大。

（2）虽然采用玻璃丝棉材料的成本较低，但玻璃丝面不仅环保性差、不可回收，而且当列车运行一定时间后玻璃丝棉开始下坠，与车体密贴性不好，车辆的保温性能不断下降，从保温、节能、环保角度与其他方案相比方案3都不理想。

（3）方案2与方案1相比虽然隔热性能相当，但是考虑到如果外端墙采用纳能＋隔声隔热棉将会提高成本，所以CRH380B型高寒动车组采用方案一隔热材料方案。

5 试验验证

CRH380B型高寒动车组在2012年上半年分别完成了车体传热系数试验和－40℃静止采暖试验。车体传热系数试验结果：一等车K值为0.94 W/（m2·K），二等车（带受电弓）K值为1.04 W/（m2·K），证明车体隔热性能良好；静止采暖试验结果：在－40℃情况下车内温度均保证在20℃以上；各车从0℃升到18℃所用时间都在30 min左右，远远小于UIC553［2］的标准所规定的70 min的要求。

CRH380B高寒动车组已经过了一个冬季在哈大线上载客运营考验，客室温度始终大于22℃，完全满足旅客热舒适度要求。

6 结束语

动车组节能环保设计是一项复杂、繁琐的系统工程。通过热工设计参数研究以及采用高效节能环保材料及隔热结构，在没有增加采暖负荷的前提下，满足了更低温度环境运用要求，验证了热工设计参数选取及隔热结构设计的正确性，开创了适用于－40℃ 环境的节能环保型高速动车组的先河。

［1］ UIC 553－2004.客车的加热、通风和空调系统［S］.

［2］ TB/T 1951－1987.客车空调设计参数［S］.

［3］ TB/T 1957－1991.铁路空调客车热工计算方法［S］.

［4］ TB/T 1955－2000.铁路客车采暖通风设计参数［S］.

Research of Low Temperature EMU Thermal Design Parameters

LI Yongheng，YANG Hong
（CNR Changchun Railway Vechicle Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China）

This paper focuses on the heat transfer coefficient of car body，selection of heating load parameters，the study on the design of insulation structure.The thermal parameters of CRH380B is determined according to analysis of technical indexes of Low temperature EMU abroad and the application environment of Harbin to Dalian.The heat transfer coefficient is determined by calculating the heating load demand on the invariant premise of heating power.Car body heat insulation structure is optimized by the calculation results.It was proved that CRH380B meets the requirements of thermal comfort by the heat transfer coefficient test and heating test in minus 40 degrees environment.

heat transfer coefficient；heating load；thermal design parameters；structure optimization

U266.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.02.14

1008－7842（2014）02－0055－05

1—）男，工程师（

2013－11－13）