新型高速轨道列车生态设计研究

何天

(唐山轨道客车有限责任公司， 河北 唐山 063035)

新型高速轨道列车生态设计研究

何天

(唐山轨道客车有限责任公司， 河北 唐山 063035)

高速轨道列车生态设计体现了新的设计理念，以及人与自然的和谐进步。从生态设计概念出发，介绍了高速列车生态设计的主要内容及采取的相应措施，保持设计的环保、循环再生性，体现出列车、人和自然的和谐发展。

生态设计；高速轨道列车；环境；自然

0 引言

21世纪世界高速动车组技术发展迅猛，其核心是列车的高速化，在人们一味的追求速度的同时却带来了一连串的负面反应。列车的高速化增加了能源消耗的需求量，带来了资源环境的破坏和环境污染的加剧。为了人与环境的和谐相处，就必须增强人们对自然生态规律的认识，对传统的设计理论和方法进行改革和创新，因此提出了高速轨道列车生态设计概念。生态设计就是推进自然资源循环利用、减小产品对环境的潜在威胁，指导人们开发环保产品的设计技术[1]。

1 新型高速轨道列车生态设计概念

生态设计是一种资源循环利用的技术，在与自然环境和谐共处的前提下，利用资源和环境容量实现生产活动的生态转变，通过提高产品零部件的可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等一系列设计标准，延长产品的使用周期，提高零部件及材料的重复使用率，在产品完成其使用功能后，经过回收处理，又重新变为可以利用的资源，参与生产的再循环，从而提高资源利用率。

新型高速列车产品生态设计就是利用生态学的思想和理论，在产品开发阶段综合考虑列车产品在全寿命周期内对生态环境的影响，设计出环境友好、满足人们需求的新型高速列车产品。

2 新型高速轨道列车生态设计理念

传统的列车设计理论把产品的报废回收利用排斥在外，报废产品在回收时造成的环境污染采用“事后处理”的方式进行弥补。这种先污染再治理的方式，治理成本高、难度大，是一种被动的环境保护。列车产品生态设计方法是应用生态系统理论，把环境保护工作从产品末端移到开发设计阶段，从源头开始考虑列车产品在全寿命周期内对自然的潜在影响。即在列车产品设计时就充分考虑产品制造、销售、使用、维护、报废后的回收利用、最终废弃物处理等环节可能对环境造成的影响，对产品的耐用性、再使用性、再制造性、再循环性以及最终废弃物处理等问题进行系统分析和综合评价，从而缓解列车产品对自然资源和环境的压力。

列车生态设计的主要任务是：1) 产生更少的污染或无污染，2) 能源消耗更少或使用再生能源，3) 产品系统对人类社会和自然环境更加友好。作为新型高速列车生态设计主要是从列车的设计制造、运行、维护等方面进行设计。从生态设计思维考虑，新型高速列车设计时从列车的全寿命周期的各个方面出发，做到列车产品与自然环境的和谐发展，如图1所示。

图1 设计理念图

新型高速列车生态设计的造型可以描述为：列车的编组具有自主性，可以随意的组合编组长度；更加轻量化和更高空间利用率的车型结构；使用新的轻量化外观材料和环保材料；改变动力系统空间布置和内饰空间布置；更新驾驶界面和内饰功能布置等。

在轨道交通产品的生态设计中，主要以环境为重点，形成环境友好型设计产品系列，形成能源、效率、经济和生态的平衡发展关系。因此新型轨道交通产品的生态设计思想主要表现如表1所示 。

表1 生态设计标准

3 新型高速轨道列车生态设计规范

如今社会，能源消耗比较庞大，新型轨道交通产品就必须从材料能源和可持续发展的角度出发，实现能源的可循环使用、环境友好。因此新型轨道交通的生态设计是以环境方面和产品全寿命周期进行设计考虑。在产品的全寿命周期，实现能量的循环使用，减小环境污染、噪声污染，减少能量资源的消耗，实现材料环保和可回收性等。

3.1 生态设计规范——模块设计

模块化设计就是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求。利用模块化设计可以很好地解决产品品种、规格与设计制造周期和生产成本之间的矛盾。模块化设计提高了产品品质，方便维修，有利于产品废弃后的拆卸回收[2]。

现在国内外轨道交通车辆均采用模块化生产，大量采用铝合金或不锈钢作为轻量轨道交通车辆制造材料。基于车辆模块生产的概念，根据编组车辆的数量，每列动车组的长度可以改变，根据其设备和预定服务的不同，每辆车的定员可以变化的。生态设计模块化概念分为两类：可变模块和不变模块，可以通过组合尽可能多的不变模块来形成独立的动车组。

a) 零部件的模块设计

其原则就是要减少零件的数量，同时要满足更高的专业化要求和更大规模化的生产制造。模块化的设计能使备件的管理简单化，而且修理和维护的时间降至最低。

b) 功能区域的模块设计

列车的生态设计也可以根据不同的功能，将整列车分为带动力的头车、不带动力的头车、带动力的中间车、不带动力的中间车。每节车辆可以根据不同的功能分为不同的部分，可以选择或者结合不同的选项组成不同类型的车种，例如不同保护系统的列车，不同定员的一等车和二等车类型，是否包含带有快餐饮料区及其他选择或特别配置的功能区域等。

根据功能可以简单分为司机室区和客室区，司机室区可以根据列车车头外形的不同和配置的不同提供多种方案；客室区又可以根据不同的功能进行区分，除了一些特定的区域不做改变外，如端墙部区等，另外的区域可以进行个性化、分区域设计。为了满足客户的需求，减小设计周期，就可以随意的组合方案，形成特色的设计理念，满足不同的客户需求。这样特色分区组合的概念可以满足不同客户的需求，而且每一系列的车都不一样，给旅客带来了一种特别的旅途感觉，符合现代人对列车的要求。

c) 编组的模块设计

根据生态设计理念，列车的编组情况是可以选择的，根据用户的需求和实际的运行，运行商可以自由组合列车的编组情况。每一个系列的车具有相同的互换性和相同的接口性能，根据运行商的运营情况自行组合。根据现代动车设计理念：动车分为动力分散式和动力相对集中式。为了满足不同环境和线路速度要求，提出了动力混合动车概念和电力机车、内燃机车混合编组等概念，可以进行不同动力的组合和动力单元的分配；可以根据客流量大小以及路程行程距离组合不同定员、车门数量、动力单元的列车编组形式。而且电力机车和内燃机的混合编组是通过电动和内燃机车的经典推拉式运行，实现特殊地区的铁路运输情况。基于生态设计的车辆可以自由组合，用于区域和远途运输的最多样的运行应用。不同车辆产品也可以组合。

3.2 生态设计规范——优化设计

a) 空气动力学性能优化

随着列车速度的提高，空气动力学效应在高速列车上尤为明显。空气动力效应(压力波、空气阻力、列车风、微气压波等)对列车运行的安全性、旅客乘坐的舒适性及隧道周围环境均有不良影响[3]。通过对列车拖拽和侧风稳定性等进行优化设计，可以提高列车的运行安全性。

在高速列车运行过程中，空气阻力占车体阻力的80%以上，因此在设计过程中更应该注意空气压力脉冲。从结构疲劳极限来看，车体能够承受运行期间压力脉冲引起的运营服务内一次使用寿命的空气动力载荷总和。由于列车在隧道中运行导致气压变化，因此高速列车需要高气密性确保旅客的舒适性。通过采用焊接铝材车体结构以及组成压力密闭车体的系统要求和解决方案的精细选择，确保了气密性，如进气口和排气口，门，窗户，厕所和通过台。

b) 舒适自适应系统

列车车厢是一个公共区域，而且是一个相对封闭的区域，在人多嘈杂的环境中如何提供大家一个舒适的环境，是现代列车人性化考虑的出发点。例如，夏季，上下班高峰期地铁的人群密度比平时超出几倍之多，为了营造一个凉爽的环境就可能加大空调的工作效率。但是这样就会出现一个问题：空调功率恒定时，在不同的运营区间，客流量的不同，就会给乘客带来忽冷忽热的感觉。

如何解决这样的问题，生态设计提出舒适自适应系统，满足人体热舒适。人体热舒适在ASHRAE 标准中的定义为人对热环境表示满意的意识状态[4]。通过研究人体对热环境的主观热反应，得到人体热舒适的环境参数组合的最佳范围和允许范围以及实现这一条件的控制、调节方法。在生态设计中，舒适自适应系统既可以满足人的舒适度要求，又可以满足节能要求。

在列车的生态设计中，舒适自适应系统是通过传感信息、自然通风以及室内动态等温空气等措施，在满足人体热感觉和一定程度的热舒适基本要求的同时，又可以实现节能降耗的目标。易变的新风速率系统使用传感器信息确定旅客占有量并据此调整新风速率；热交换机系统通过使用废排空气中的80%的能量对新风进行预热或预冷。以及对流加热通过地板和侧墙进行热分配确保适宜的内部气候。

c) 能量自我管理系统

在生态设计中，能量自我管理系统是整车的能量管理核心，既可以有效地为列车提供能量，又可以减小不必要的能量损失。能量管理系统集保护、控制、测量、信号采集、故障录波、谐波分析、电能质量管理、负荷控制和运行管理为一体，实现了列车系统高、低压电气设备分散监控、集中管理功能，全面提高列车现代化管理水平[5]。

能量自我管理系统主要功能模块包括：

1) 能量消耗管理：能量消耗管理包括能量监视、分析以及控制能量使用，从而列车能量的整体使用成本，同时将能量数据转化，用于掌握和分析各个部分的能量使用情况。

2) 关键能耗负载分布和能耗负载特性分析：测定和记录来自各个能量消耗模块在每个需用时限的能源使用数据，用户可以根据实际确定负载系数、最高要求负荷周期，以及与之相关的设备的能耗。

3) 电能品质控制与报警：通过测定系统和站点的电能品质，发现潜在电能品质危害，捕捉系统的越限情况和能源消耗异常，发出报警信息。

4) 节能措施及优化：通过能源数据的收集和设备状态的分析，发觉节能空间领域和对各项节能措施和实际效果进行优化，如再生制动能量利用、谐波治理、照明控制、通风、空调制冷等，提高系统或设备的使用效率。

3.3 生态设计规范——环境设计

a) 生态材料设计

生态材料又称环境协调材料或绿色材料，是指具有良好功能或使用性，在制备、使用、废弃直至再生循环的整个过程，都与环境协调共存的一大类材料。其主要特点是：1) 资源和能源消耗少；2) 对生态环境污染少；3) 有利于人类健康；4) 再生利用率高或可降解循环利用。生态材料的主要概念包括材料本身的生态性(即生产能耗低的优质材料)；生产过程的生态性(即低噪声、无污染、高安全环保型)；材料使用的生态性(即节省的、可回收的)以及符合现代工学的要求等。

在新型列车生态设计的生态材料选用中应注意：

1) 选择有利于保护资源的材料，如可再生材料、可循环使用材料、可回收材料等，使用这些材料不但可以做到回收，并且能够收集和再生产，或者使用废弃的产品，并将其作为再生产过程中的原材料等；减小对环境的破坏和污染，从而保护环境。

2) 选择对环境影响小的材料，及在生态设计中尽可能选用安全材料。这包括要求材料本身无害，使用过程中不能释放有毒和有害物质；在生产过程中不污染环境、破坏环境的材料；以及低能耗、不会对人造成损害的材料。

3) 考虑材料在整个生命周期(生命周期包括加工生产过程、使用过程、废弃过程、回收过程)中对环境产生的综合影响。

例如列车生态设计中，根据UIC规定的环保方面和生命周期为评估基础确定车辆内装材料，避免材料的残余毒性对乘客和环境造成影响。在选购中采用不燃或低燃的材料，或者某些无卤低烟难燃或无卤低烟阻燃材料，避免材料在使用或者发生火灾过程中释放有害气体。在列车生态设计过程中采用可以回收的材料，可以避免材料对环境的污染。列车零部件按照生态设计原则做好标记以便在后期使用阶段更好辨认、分类和回收处理。

b) 低噪声污染设计

随着列车速度的提高，铁路沿线的振动和噪声污染日益加剧，这样不但影响乘客的身心健康，而且还降低了铁路沿线居民的工作和生活质量。高速列车噪声由牵引噪声、轮轨噪声、空气动力学噪声、集电系统噪声和高架桥噪声等组成[6]。

高速列车产生的噪声，主要与列车的结构、速度、质量、行车密度，线路状况、线路两旁的建筑物和绿化状况，以及隧道的几何尺寸和材料、司机驾驶技术等有关。控制高速列车给环境带来的污染，就必须从声源上降低噪声、传播途径上隔断及吸收噪声、对噪声接收的对象进行必要的保护。从列车生态设计结构方面提出防治噪声污染的措施：

1) 优化轮设计，制动盘增大噪声阻尼，提供光滑的转动表面；

2) 避免车体与转向架等零部件，以及车辆与轨道的共振；

3) 采用流线型车头形状和车体断面，改进受电弓结构，以控制空气动力噪声；

4) 设计车辆端部防冲撞和减振装置，控制车辆端部的振动与噪声；

5) 采用可变阻尼减振器控制尾车的振动；

6) 降低噪声源的噪声辐射，采用吸声材料和吸声结构；

7) 加强车体的气密性，减少噪声的透射；

8) 控制车辆设备等大部件的振动和噪声指标；

9) 实现无声运行；

10) 实现噪声系统的控制管理。

除了在车辆上采取减噪措施避免车辆各部件之间的共振、车体上采取隔声和吸声结构等优化高速列车的声学设计措施以外；在车流管理方面要完善铁路网、加强运行和物流管理；在线路建设方面改善线路质量、投入必要的环保设施；还需要在沿线建设防噪工程，减小沿线居民的噪声污染。

c) 低能低耗设计

高速列车作为一种快速的交通工具，是一个庞大的能量消耗体系。列车的能源消耗涉及诸多因素，包括列车的牵引制动性能、列车质量、线路条件以及列车的操纵方式等，通过对相关条件改变，可以实现列车节能的目的。在高速列车设计方面，为了达到较高的速度就必须要加大元器件功率，元器件功率增大必然引起能量消耗的增大，如何节能减耗是个难题。在生态设计中为了能够实现节能减耗尽量使用新方法新工艺：

1) 降低能耗：蓄电池或者超级电容器蓄能提供节约宝贵的电能的可能，否则电能将通过制动以热能损耗。

2) 改进列车性能：最新工艺的动力模块(IGBT)的发展提供同动力等级轻量化列车的可能，降低轨道车辆与基础设施的生命周期成本。

3) 节能运行控制方式：模拟、预测和优化整个系统的所有能量流，能够在多样化的线路上优化整列车的驱动性能，生成列车时刻表按需进行供电和系统分配。

4) 再生制动节能方式：在不降低行车间隔的情况下，通过列车制动系统所提供的再生制动的节能方式来提高再生能利用率。

5) 混合动力方案：油电混合动力、液化天然气或压缩天然气燃料动力机车、燃料电池系统动力、生物气体动力。

6) 新光源：LED光源使白炽灯与主光源更换成本降低了10倍。

4 总结

列车的生态设计解决了人与自然的和谐关系，从列车的设计理念到列车的回收利用，展现生态设计概念、生态环保材料的应用等。生态设计更加适应环境、更加舒适安全、更加经济、更加和谐，推动高速列车的进一步发展。

[1] 刘彬霞.汽车产品的技术研究[J].江苏大学，2009.

[2] 唐涛，刘志峰，刘光复，等.绿色模块化设计研究[M].北京：机械工业报2003.

[3] 李刚，梅元贵.国外高速列车进出隧道空气动力学模型研究方法[J].隧道建设，2007.

[4] 罗明智，李百战，郑洁.人体热适应性和热舒适[J].制冷与空调，2005.

[5] 周铁军.地铁电能量管理系统[J].技术交流.

[6] 高军.高速铁路的噪声控制方法研究[J].铁道运输与经济，2006，28(7)：83-85.

Study of Ecological Design in New High-speed Rail Trains

HE Tian

(Tangshan Railway Vehicle Co.,Ltd.Tangshan 063035,China)

High-speed rail trains ecological design reflects the new design concept, as well as the harmony between man and nature progress. From this design concept, this paper introduces various aspects in this design and the corresponding measures, in order to maintain the ecological environmental and the harmonious development of man and nature and the train.

eco-design;high-speed rail train;environment;nature

何天(1985-)，男，河北张家口人，工程师，硕士，研究方向为先进制造与动车设计。

TH12；U266

B

1671-5276(2014)02-0053-04

2013-02-28