西北地区某列车整备库冬季供暖情况实测研究

林琳，项翔坚，张涛，刘晓华

近年来，我国铁路建设飞速发展，截止到2016年，铁路运营里程已达12.4万 km[1]。随着“一带一路”战略的推动实施，铁路作为重要的基础设施将获得更进一步的快速发展。铁路建设的迅猛发展使得与之配套的附属建筑也迅速发展，铁路站房、车辆段用房等相关配套设施建设也如火如荼。在配套建筑中，高大厂房、库房等占到了总建筑面积的一半以上。此类建筑承担着列车维护、检修等重要辅助功能，其室内舒适热环境的营造尤为重要。对于位于严寒、寒冷地区的铁路配套库房，由于室外环境的影响，冬季采暖负荷占到建筑能耗的主要部分。如何较好地满足其室内热环境需求、降低此类建筑的冬季采暖能耗是亟需解决的重要难题。铁路库房等建筑的采暖系统形式、运行管理情况与一般工业建筑存在较大差异。铁路工程厂房面积较大，高度较高，建筑内部发热量小，大门开启时间较长，同时列车进出还会带入吸热物体，导致冷风侵入[2-7]，这些特点使得厂房的热负荷大，热环境较难保证。此类建筑通常采用散热器与热风机联合供暖的方式[8-11]，这种方式具有热惰性小、升温快、设备简单和投资低的特点，但竖直方向仍有较大的温度梯度。同时为了减少列车进出时的冷风侵入，有的库房会在大门上方布置横向热风幕[12]，在列车进出时开启，以阻隔冷空气入侵。杨秀娟[13]对目前高大空间地铁车库主要采用的“散热器+暖风机”系统和“燃气辐射供暖”这2种供暖方式进行了对比，通过对实际工程案例的分析，提出大空间地铁车库应根据工艺的不同采用不同的供暖方式。黄保民[14]采用计算流体动力学和数值传热学对某铁路检修库进行了模拟计算，通过建立多个采用不同供暖系统形式模型并对模拟结果对比分析，最终认为“燃气辐射采暖系统+检查沟散热器+暖风吹车系统”是满足工艺要求并且节能的室内环境控制系统和运行方案。本文对我国西北地区两处典型列车运用整备库的冬季供暖情况进行介绍，详细阐述冬季室内热环境、风环境以及供暖系统的运行状况，为提出降低其供暖能耗的切实途径提供基础数据。

1 测试概况

测试建筑位于我国西北地区，地处青藏高原河湟谷地。2处列车运用整备库位于同一车辆段内，外观、结构基本相同，其中运用整备1库(以下简称1库)建成于2013年，建筑面积11 290 m2；运用整备 2库(以下简称 2库)建成于 2015年，建筑面积11 549 m2。2处厂房轴向长度达528 m，可停靠19节长度为26 m的标准列车；横向跨度均为21 m，高度8.5 m。2库窗墙比均为0.2。建筑基本结构如图1所示，每个整备库有3扇5.5 m×4.2 m(高×宽)的大门，分别对应3条客车整备停车检修线，线路中心距6 m。客车进出由柴油机车驱动，客车入库后机车离开，在库中由作业人员进行检修、清洗等整备工作，作业时间从5 h至数天不等。

图1 列车运用整备库现场图Fig. 1 Photos of railway depots

整备库采暖热媒为热水，由车辆段内锅炉房提供，1库设计供回水温度为90/65 ℃，2库为85/60℃。2库的室内采暖末端均为散热器、热风机和热风幕3种形式的组合，如图2所示。东侧每扇大门上方设置2台热风幕。南北外墙内侧分散布置散热器和热风机(安装高度约为 3 m)，采暖系统室内管道均不设置保温。设计工况下，热风幕开闭与大门开闭联动。1库和2库的室内末端装置如表1所示，设计工况下 1库采暖末端单位面积总供热能力为159.1 W/m2，2 库为 229.2 W/m2。

图2 整备1库室内采暖末端装置局部图Fig. 2 Indoor heating device of depot No.1

表1 2库设计参数Table 1 Parameters of the design of the two depots

2 采暖系统测试

于2017年1月份进行测试，室外温度在-14～7℃。实际运行时，热风机基本不开启。分别对2处库房不同位置全天温度、垂直铁轨方向温度以及热风机运行效果进行了测试，以下分别介绍采暖水系统及室内热环境的测试结果。

2.1 采暖水系统测试

测试期间锅炉采取间歇运行策略，1 d运行14 h，开启的时间段为1:00～3:00，6:30～10:30，13:00～16:00和18:00～23:00。对2库的供暖系统供、回水温度进行测试，结果如图3所示，可以看出，供、回水温度的波动与锅炉的启停时间相一致。锅炉稳定运行阶段，水温呈现周期性波动。其中1库供水温度为75 ℃左右，热风机回水温度为60 ℃左右，散热器为53 ℃左右。2库的供水温度为70 ℃左右，热风机回水温度为 57 ℃左右，散热器回水温度为43 ℃左右。

图3 2库南侧供回水温度Fig. 3 Southern-side temperatures of supply and return water of the two depots

测试中发现，库内热风机虽未运行，仍存在10℃左右的供回水温差，这是由于管道未做保温，热量通过自然对流散出造成的。而1库散热器供回水温差为20 ℃左右，2库为27 ℃左右。

2.2 室内不同高度的温度分层

列车整备库是典型的高大空间，为了测试库内不同位置的空气温度，在2库内3处位置分别布置温度测点，如图4所示，每个位置在竖直方向布置5个温度探头，高度分别为 0.6，2.5，4.0，5.5和7.0 m。对各测点的温度进行监测，即可得到库内全天温度变化情况，2库测试期间室外空气参数相近。

测试期间，1库大门夜间及上午10:45～11:45处于关闭状态，其余大部分时间开启。室内不同位置、不同高度处的温度测试结果如图5所示，可以看出，在现有散热器供暖方式下，室内水平、竖直方向温度分布不均匀：门口位置受冷风侵入的影响较大，整体温度远低于其余区域，全天温度在-1.4～13.5℃之间波动，其中，早晨大门开启后，由于室外温度较低，室内空气温度甚至可达0 ℃以下；而1库中间位置全天温度在5.1～16.4 ℃之间波动，中心处温度略低于南侧位置；库内垂直方向温度梯度为1～7℃，中间位置相对于靠近门口处与靠里处垂直温度梯度偏大。整体来看，1库人员活动区域空气温度低于设计要求。

图4 整备1库平面布置示意图Fig. 4 Layout schematic illustration of depot No.1

图5 室内空气温度测试结果Fig. 5 Results of depots’ room temperature

在该库测试期间，2库大门夜间处于关闭状态，白天则频繁开闭。测试的结果如图5所示，可以看出，门口位置受冷风侵入的影响较大，全天温度在2.9～20.6 ℃之间波动。而该库中间位置全天温度在14.6～25.7 ℃之间波动，中心处温度略高于南侧位置。大库中间位置在夜间几乎没有垂直方向的温度梯度，白天开启大门后温度梯度为3～6 ℃。靠近门口处垂直方向全天温度梯度为1～11 ℃。整体来看，除大门附近区域，2库人员活动区域空气温度基本满足设计要求。

2.3 室内跨度方向温度分布

由于库内采暖仅依靠南、北墙下部的散热器，而大库跨度较大，为了测试散热器的作用范围及效果，在2库中部区域1.5 m高度处沿南北方向均匀布置了 10个温度测点，对垂直铁轨方向的温度进行测试，测试结果如图6所示。从测试结果可以看出，库内南北侧垂直铁轨方向的温度基本对称，中间位置比靠近散热器处温度低3 ℃左右。

图6 2库垂直铁轨方向温度分布Fig. 6 Temperature distribution in the direction perpendicular to rail

2.4 热风机运行效果测试

2库的热风机均沿南、北墙布置在3 m高度处，百叶风口方向向下，不可调节，实际运行时基本不开启。选取2库可正常运行的热风机，对其实际运行效果进行测试，见图 7(a)。选取的热风机位于 2库北侧中间区域，热风机附近无检修步道遮挡，相邻轨道无列车停留。结果如图7(b)和7(c)所示，由于热风机百叶风口方向向下，在开启热风机后，热风机下方小范围区域温度升高，但水平方向影响范围很小，对相邻铁轨处温度影响很小。

图7 热风机测试测点布置及结果Fig. 7 Gauging points and testing results of auxiliary heater

2.5 大门冷风侵入及热风幕作用效果测试

为了防止车辆进出、大门开启时的冷风侵入，在大库每扇大门上方设置2台热风幕，设计工况下，热风幕与大门开关联动，仅在大门开启时开启。而实际运行时，大库大门长时间开启，而热风幕手动控制，通常全天开启。本文针对大门、热风幕不同开闭模式下的室内热环境及冷风侵入情况进行测试，此处以2库的测试结果为例进行说明。

2库大门由南到北分别编号为门4～门6，在不同工况下对大门正下方 1.5 m高度处温度进行测试，结果如图8(a)所示，可以看出关闭大门可有效提高门口温度。针对门6和其对应的热风幕进行调节，图8(b)给出了与门6对应的轨道不同进深处1.5 m高度处温度测试结果。结果显示，在同样的热风幕运行情况下，关闭大门可将近门处温度提高8～16℃。若大门关闭，打开热风幕可减少冷风侵入，将近门处温度提高，而当大门开启时，可看出热风幕的启停并无明显影响。热风幕开启、关闭时，测得大门区域渗风风速无明显变化，因此认为热风幕对阻挡冷风侵入没有明显的效果。由测试结果可知，在无列车进出时关闭大门是提高室内温度的最有效的方式。

图8 大门冷风侵入及热风幕作用效果测试结果Fig. 8 Testing results of cold air intrusion and hot air curtain effect

3 采暖系统测试结果分析

3.1 2库性能对比

运用整备1库于2013年投入使用，2库于2015年投入使用，相对于1库，2库的使用时间较短，采暖系统运行情况也更优。取2库中心2.5 m高度处温度进行对比，由图5可以看出，2库的温度明显高于1库，2库的温差在2～12 ℃之间波动。

经测试，认为2库温度差异的主要原因为运行模式、围护结构与设备的不同。

3.1.1 运行模式

运行时1库大门在白天基本常开，而2库频繁开闭。因此，2库通过大门的冷风侵入量低于1库。

3.1.2 围护结构

2库均为门式钢架结构建筑，南、北两侧墙上开有大面积玻璃窗，库顶侧边设有天窗，其中2库的南侧墙上窗户均封死，不能开启。测试中发现，1库的建筑气密性较差，多处侧窗、天窗户无法完全关闭，墙上有多处孔洞未封死，冷风侵入较为严重。

3.1.3 采暖设备

2库散热器的区别如表2所示。1库所用散热器为传统的铸铁散热器，面积较小，而2库为钢制散热器，面积较大；且2库散热器设计工况供热能力优于1库；测试时2库散热器的供回水温差比1库大，散热器运行效果较好。

表2 2库散热器对比Table 2 Contrast of two depots’ radiators

3.2 供暖耗热量分析

列车整备库的热负荷主要来自围护结构散热、渗风、列车放热负荷等，如式(1)～(2)。

式(1)中：Q为整备库总散热量，W；Q围护结构为通过围护结构的散热量，W；Q渗风为由渗风导致的散热量，W；Q其他包括车体等蓄热物体带来的负荷，但测试时发现，列车进库时表面温度差异很大，且入库后车内供暖系统开启，车底也存在发热设备，因此车体放热的负荷并不显著，这里不考虑在内。式(2)中：Q墙体，Q外窗，Q屋面和Q天窗分别为通过墙体、外窗、屋面和天窗的散热量，W。

图9 车体红外热像图Fig. 9 Infrared thermogram of the body of the car

根据围护结构的传热性能参数及测试得到的渗风量，可以对2库的热负荷进行拆分。Q围护结构中各项散热量计算公式如式(3)所示，渗风导致的散热量计算如式(4)所示。

式中：Qx为各项围护结构散热量，W；Kx为围护结构传热系数，W/(m2·℃)；Ax为围护结构的面积，m2；tx为围护结构的温度，℃；tw为室外温度，℃。

式中：G为渗风量，m3/h；ρ为空气密度，kg/m3；c为空气比热容，kJ/(kg·℃)；tn为室内空气温度，℃。

图10 2库热量拆分结果Fig. 10 Results of heat partition

图10 (a)为1库的耗热量组成结果，可以看出，白天大门开启时，渗风占到负荷的主要部分，尤其是早上和傍晚阶段，室外温度较低，大门开启带来的渗风负荷可达1 500 kW以上。而在围护结构的传热中，由于建筑窗墙比较大，通过窗户的传热占到了围护结构传热的50%以上。对1库水系统各流量进行测试，并根据各处水温测试结果，可以计算全天1库总耗热量为105.3 GJ，平均为108.0 W/m2，而负荷拆分计算得到的全天总耗热量为99.1 GJ，平均为101.5 W/m2，误差为4%。

类似的，也可对2库的全天热负荷进行估算，结果如图10(b)所示。负荷拆分计算得到的全天总耗热量为90.9 GJ，平均为93.1 W/m2。

热量拆分结果表明渗风占到负荷的主要部分，因此减小渗风量则是降低两库热负荷的有效途径。同时维护结构中透过窗的传热占比较大，在保证采光与通风的情况下降低窗墙比也可以降低2库的热负荷。

4 结论

1) 实际运行中室内供暖仅采用散热器，热风机基本不开启。建筑大门白天长时间开启，而大门热风幕也全天连续运行。2库的室内采暖设计温度为16 ℃，对室内环境进行测试发现，1库的室温低于设计要求，2库除大门附近区域外，室温基本达标。同时，2库室内垂直方向均存在较大的温度梯度。测试结果表明热风机的运行效果并不显著，热风作用范围过小，可以考虑调整热风机位置，设置在大库中间离散热器较远的区域，提高局部温度。

2) 对大门、热风幕不同开闭模式下的室内热环境及冷风侵入情况进行测试，结果表明，在无列车进出时关闭大门是减少冷风侵入，提高室内温度的最直接方式。而大门开启时，热风幕对冷风侵入的阻挡效果不明显，仅有送风口下方区域温度有所升高。

3) 对供暖耗热量进行拆分发现，大门开启时，渗风占到负荷的主要部分，尤其是早上和傍晚阶段，室外温度较低，大门开启带来的渗风负荷可达1 500 kW以上。而在围护结构的传热中，由于建筑窗墙比较大，通过窗户的传热占到了围护结构传热的50%以上。

参考文献：

[1] 乔继欣. 牡丹江铁路客车整备库采暖设计[J]. 铁道建筑技术, 2007, 24(2): 65-68.

QIAO Jixin. Heating design of Mudanjiang railway depot[J]. Railway Construction Technology, 2007, 24(2):65-68.

[2] 黄晨, 李美玲, 邹志军, 等. 大空间建筑室内热环境现场实测及能耗分析[J]. 暖通空调, 2000, 30(6): 52-55.

HUANG Chen, LI Meiling, ZOU Zhijun, et al. Analysis of indoor thermal environment and energy consumption in large space buildings[J]. HV & AC, 2000, 30(6): 52-55.

[3] 姜建军. 严寒地区高大空间供暖通风设计[J]. 林业科技情报, 2015, 47(4): 100-102.

JIANG Jianjun. Heating and ventilation design of large space in severe cold area[J]. Forestry Science and Technology Information, 2015, 47(4): 100-102.

[4] 张会琴. 高大厂房热风供暖系统的应用[J]. 建筑节能,2015, 43(3): 18-21.

ZHANG Huiqin. Application of hot air heating system for factory buildings of high and large space[J]. Building Energy Efficiency, 2015, 43(3): 18-21.

[5] FAN Cunyang. Large space air conditioning desigh abroad[J]. Journal of HVAC, 1996, 20(4): 4-6.

[6] 齐江浩, 赵蕾, 王君, 等. 西安地铁车站环境实测及公共区空调负荷计算分析[J]. 铁道科学与工程学报,2016, 13(6): 1206-1211.

QI Jianghao, ZHAO Lei, WANG Jun, et al. Field measurement of Xi’an Metro station environment and analysis of air conditioning load for the public zone[J].Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(6):1206-1211.

[7] 朱建章, 黄保民, 孙兆军, 等. 铁路建筑暖通空调设计综述[J]. 暖通空调, 2010, 40(5): 1-8.

ZHU Jianzhang, HUANG Baomin, SUN Zhaojun, et al.Review of HVAC system desigh of railway buildings[J].HV & AC, 2010, 40(5): 1-8.

[8] Hauser G, Kempkes C, Olesen B W. Computer simulation of hydronic heating/cooling system with embedded pipes[C]// ASHRAE Winter Meeting, Dallas, TX, US,2000.

[9] 贾学斌, 张雷, 陈敬文. 高铁站房大空间空调送风的气流组织分析与研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2015,12(4): 762-768.

JIA Xuebin, ZHANG Lei, CHEN Jingwen. Analysis and research of air distribution through air supply by air conditioning in waiting room of high-speed railway station with large space[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12(4): 762-768.

[10] Chen Q, Peter S, Alfred M. Influence of air supply parameters on indoor air diffusion[J]. Building and Environment, 1991, 26(4): 417-431.

[11] Jone B W, Niedringhaus W F, Imel M R. Field comparison of radiant and convective heating in vehicle repair buildings[J]. Ashrae Transactions, 1989, 95(1):1045-1051.

[12] 艾帅. 高大空间工业建筑采暖方式的对比研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 2014:1-66.AI Shuai. Comparative study on heating system of high space industrial building[D]. Xi’an: Department of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, 2014: 1-66.

[13] 杨秀娟. 高大空间地铁车库供暖方式分析[J]. 中国新技术新产品, 2012, 20(7): 187-187.

YANG Xiujuan. Analysis on heating mode of subway garage in large space[J]. New Technology & New Products of China, 2012, 20(7): 187-187.

[14] 黄保民. 铁路动车库高大空间采暖系统方案研究[C]//中国铁道学会. 铁路暖通空调专业2006年学术交流会论文集. 成都: 西南交通大学出版社, 2006: 73-76.

HUANG Baomin. Study on the scheme of large space heating system for railway depot[C]// China Railway Society. Symposium of 2006 Academic Conference on Railway HVAC. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 2006: 73-76.