上海轨道车辆空调供暖季负荷特性分析

2018-04-26吴楠楠臧建彬

制冷 2018年1期

吴楠楠，吴妍，臧建彬

( 同济大学机械与能源工程学院，上海 201804 )

0 引言

随着我国城市化进程的不断加快，地面交通状况愈来愈拥挤。城市轨道交通因具有运输量大、快捷便利和舒适性高等优势，成为现代城市交通的重要组成部分。作为城市居民出行的主要交通工具，以空调系统为主的车辆辅助系统的能耗约占列车总能耗的30%～50%[1]。目前城市轨道车辆通过空调自带电加热配合车辆地板加热实现冬季供暖，能效比小于1。本文基于传热学原理，结合上海地区气象资料及上海轨道交通1号线客流量实时统计数据，对上海轨道交通1号线供暖季车辆空调实时负荷进行计算，并分析其特性，所得结果对于合理选择上海乃至华东地区地铁空调供暖方式、空调系统设计以及运行都有一定的参考价值。

1 供暖季热负荷计算依据及方法

根据《TB/T 1957-91铁路空调客车热工计算方法》[2]，城市轨道交通车辆供暖季热负荷可表示为：

QS=Q1+Q2-Q3-Q4

(1)

式中：QS—地铁车辆供暖季热负荷，kW；

Q1—通过车体隔热壁损失的热量，kW；

Q2—加热送入车内新鲜空气所需热量，kW；

Q3—乘客的散热量，kW；

Q4—机电设备散热量，kW。通常被当作安全储备热，在计算中不予考虑。

其中，加热送入车内新鲜空气所需热量按下式计算：

Q2=VA·ρ·CP·△tAB

(2)

式中：VA—新风量，m3/h；供暖季供给每人的新鲜空气量为20m3/h[3〗。

ρ—新鲜空气密度，kg/m3；

CP—新鲜空气比热容，kJ/(kg·℃)；

△tAB—列车内、外温差，℃。

乘客散热量计算方式如下：

Q3=0.955·n·q

(3)

式中：n—载客量，人；

Q—平均每人散发的热量，根据文献[3]取值。

结合列车发车时间、车内人员情况以及车外实时气象参数等实时参数对供暖季实时负荷进行计算。计算时，以列车发车时刻的车外气象参数作为室外计算温度，发车时车内的乘客数为此时的载客量，根据载客量及车外温度的实时变化，进行实时热负荷计算。

2 计算基础数据

2.1 列车基础信息

2.2 供暖季车内外空气计算参数

根据《TB/T 1951-87客车空调设计参数》可知，供暖季列车内设计温度为18℃[3]。利用典型年气象统计数据进行负荷计算，上海供暖季为11月3日～3月30日[4]。图1为供暖季中列车运营时间的逐时温度，单日最低温-4.48℃，出现在12月20日，将其定义为典型日。对供暖季列车运营时段逐时温度进行统计，结果如表1所示。供暖季气温集中在0～18℃，占整个供暖季的93.42%。

图1 供暖季列车运营时段车外逐时温度

表1 上海供暖季车外气温统计结果

图2 工作日列车载客量

图3 非工作日载客量变化

2.3 实时载客量

选取某趟列车的一节车厢，将列车在每一站发车时的车厢内人数定义为该站点的载客量，从始发站开始进行实时载客量统计，直至列车到达终点站。工作日与非工作日的载客量呈现不同规律，如图2、3所示[5]。工作日载客量高、低峰明显，高峰出现在出行早高峰08∶00，峰值一度接近AW2(额定荷载即每节车厢310人)工况。低峰出现在22∶00，与高峰载客量差异较大。非工作日各时刻载客量相对平稳，无明显峰值。

3 计算结果及分析

3.1 供暖季实时负荷

供暖季列车实时热负荷计算结果如图4所示，其中横轴为日期，纵轴为列车发车时刻，竖轴为计算所得的热负荷。从图4可以得出以下结论：

(1)受到室外气温变化的影响，整个供暖季的热负荷变化大致呈现先增大后减小的趋势。由于载客量的变化，使得热负荷非连续增减。

图4 供暖季实时热负荷

(2)供暖季热负荷峰值出现在12月20日8∶00，最大热负荷为39.37kW。除室外气温的影响外，还因为此时为早高峰，列车载客量大，所需新风量大，故而热负荷达到供暖季峰值。

(3)对比不同列车发车时刻的热负荷变化情况，8∶00负荷变化差异最为显著，22∶00负荷变化最为平稳。因为工作日8∶00发车的列车处于载客量变化显著的高载客量工况，而22∶00发车的列车处于平稳的低载客量工况。

3.2 结果分析

3.2.1 供暖季负荷特性分析

深圳作为全国加快实施最严格水资源管理制度试点城市，围绕最严格水资源管理“三条红线”，把生态文明建设放在突出地位，创新管理理念，突出用水总量“控”、水资源配置“优”、节水管理“全”、非常规水资源利用“新”、水生态保护“实”、河道排水设施监管“严”的理念，取得了一定成效，较好提升了城市生态品质，保障了深圳“有质量的稳定增长，可持续的全面发展”。

结合以上计算结果，将供暖季热负荷分为8个区间。虽然供暖季最大热负荷达到39.37kW，但仅出现在12月20日早高峰。由图5可知，35kW以上的热负荷时间频率仅为整个供暖季的0.07%，主要出现在室外气温最低的12月20日这一天和12月中其他气温较低的时刻。25kW以上的热负荷时间频率仅占供暖季的0.53%，出现在12月下旬和1月中上旬。结合表2可发现，供暖季热负荷主要集中在20kW以下，占据整个供暖季的97.3%。

表2 上海供暖季列车空调热负荷时间频数

图5 热负荷时间频数曲线

另外，对供暖季各月列车空调热负荷累积值进行了分析，结果如表3所示。由计算结果可以看出，十二月、一月和二月三个月的累积热负荷占供暖季总热负荷的80.63%。其中，因为一月室外平均温度最低，所以一月的累积热负荷最大为34.43%，十二月和二月累积热负荷比例相近。

表3 供暖季各月列车空调热负荷累积值比例关系

3.2.2 典型日负荷特性分析

在对整个供暖季的热负荷特性进行了分析之后，接下来对典型日的逐时空调热负荷进行分析。将达到最大热负荷的12月20日定义为典型日，典型日负荷的计算可以体现热负荷的组成情况，分析出最大热负荷出现的时间和原因。

热负荷由车体散热负荷、乘客散热和新风加热负荷三部分组成。典型日逐时负荷变化曲线如图6所示。从图6我们可以看出，车体散热负荷随着室外温度的升高而减小，在室外温度最低时，车体散热负荷最大。载客量与乘客散热和新风负荷显著相关，在一天中受到出行早、晚客流高峰的影响，实时热负荷在一天中会出现两个高峰，分别在8∶00和18∶00。其中8:00热负荷峰值涨幅显著，18∶00热负荷峰值不显著。22∶00热负荷相对稳定，波动较小，因为此时载客量较为平稳。