动车检查库库内热源特性实测与分析

2022-08-01于靖华毕庆焕田利伟赵金罡曾现宏冷康鑫

制冷与空调 2022年3期

邹磊于靖华郭辉毕庆焕田利伟赵金罡曾现宏宋一冷康鑫

（1.华中科技大学建筑环境与能源应用工程系武汉 430074；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉 430063）

0 引言

根据《中长期铁路网发展规划》，到2025年我国铁路网规模达到17.5 万公里左右，其中高速铁路3.8 万公里左右[1]。在铁路高速发展的背景下，大量动车运营使用，同时也需要建设大量动车检查库对动车进行各级检修，以保证动车组安全完好地投入运营。动车检查库在夏季库内温度高，主要工作区域超过35℃[2]，主要的原因是通风系统的设计和库内得热不匹配，无法将库内余热及时排至室外，造成库内温度过高。目前针对检查库的研究主要是采用软件模拟的方法，对库内的通风组织形式[3,4]、库内热环境[5,6]、库内空调形式[7]进行了研究，但是缺乏库内热源散热特性的实测及分析研究。本文针对夏热冬冷及夏热冬暖地区五个检查库的库内热源特性进行测试调研为动车检查库通风降温方案设计提供理论依据和数据支撑。

1 测试概况

测试地点位于夏热冬冷地区（武汉、长沙）和夏热冬暖地区（广州），检查库规模上包括四线库、六线库、十线库。测试时间为2020年8～9月。检查库的几何尺寸如表1所示。

表1 检查库几何尺寸Table 1 Building size of the depots

2 库内得热来源及测试方法

检查库作为动车检修、整备、卸污、司乘等一体化作业的场所，其库内的热源散热特性影响着室内的热环境。库内得热包括外扰得热如通过围护结构的传热、以及太阳辐射得热和内扰得热如人员、照明、设备等，此外，库内的检修作业过程中列车空调系统散热及新入库车辆外表面散热将成为重要的热量来源。

2.1 围护结构传热

通过测量围护结构内表面温度以及近壁面空气温度及风速，计算围护结构与室内空气的对流传热量，内表面对流换热系数计算方法参考文献[8]提供的计算公式。

将各围护结构得热代数和作为通过围护结构库内总的得热量，若其值为负值，则认为向库内的传热量为0。各检查库围护结构测试数据汇总如表2所示。

表2 围护结构得热量Table 2 Heat gain through envelope

2.2 太阳辐射得热量

太阳辐射得热主要来自天窗、侧窗和外门。天窗太阳辐射得热采用库内部地面（不受外窗和外门影响）的太阳辐射强度和地面面积计算。侧窗和外门太阳辐射得热采用各自开口面积和开口处测得的太阳辐射强度计算。武汉十线库、长沙六线库、长沙四线库、广州六线库、广州十线库在测试期间室外水平面平均太阳辐射照度为827W/m2、792W/m2、560W/m2、627W/m2、31W/m2（阴雨天）。各地检查库太阳辐射得热量测试数据汇总如表3所示。

表3 太阳辐射得热Table 3 Solar radiation heat gain

续表3 太阳辐射得热

在室外太阳辐射较大的检查库内太阳辐射得热最大能达到35.1W/m2，而广州十线库由于室外阴雨天气，库内太阳辐射得热很小。西窗是下午库内太阳辐射得热主要的来源，在检查库西侧采用遮阳设施有助于减少库内太阳辐射得热。

2.3 室内人员、照明、设备

库内检修工作全天分为两个班次，其中8:00～18:00 为白班，19:00～次日8:00 为夜班。库内工作人员包括检修人员和保洁人员，人员数量与检修任务安排有关。库内人员按散热量61W（28℃条件下）计算。

库内照明系统包括顶部的吊灯、布置在各工作面上方的侧灯和列车轨道下方的地灯，白天库内照明系统一般不开启。

检查库内的设备主要分为操作设备、检修设备和辅助设备等。包括工位终端操作台、隔离开关操作柜、风扇电器柜、移动式轮辋轮辐探伤设备和风扇。各检查库库内人员、照明及设备散热量如表4所示。

表4 人员、照明及设备得热测试数据汇总Table 4 Summary of heat gain of test data for personnel,lighting and equipment

照明一般仅在夜间开启，在白天依靠屋顶的采光天窗和两侧立窗进行自然采光。人员得热最大为0.18W/m2，长沙四线库内测试时段人员较少，人员得热仅0.05W/m2。库内设备得热最大为5.4W/m2，武汉十线库内无风扇等设备开启，库内设备得热仅0.04W/m2。

经调研，夜间人员数量与白天不相同，照明全部开启，因此夜间得热量如表5所示。

表5 夜间人员、照明设备得热量Table 5 Heat gain of personnel and lighting equipment at night

2.4 车体表面散热

通过测量刚入库车辆的车体表面温度（包括车顶、侧面及车底），近表面空气温度以及风速，计算车体表面对流散热量。车体表面温度采用红外测温仪测量，在测试过程中选择刚入库的车辆取车头车中及车尾不同位置进行测量。车体近表面风速及空气温度用热线风速仪测量，仪器型号为TSI 9565。库内停放的车型多为CRH2A，头车长度25700mm，中间车长度25000mm，车辆宽度3380mm，车辆高度3700mm。均按照8 节车厢为一个编组。由于列车表面为流线型，将车体简化为201400mm×3380mm×3700mm 的长方体进行计算。

对在库车辆和刚入库的车辆进行测量，取其各表面平均温差计算单列动车车体表面散热量。车体表面温度低于室内空气温度时，将其散热量记为0。

表6 车体表面散热量Table 6 Heat dissipation on the vehicle surface

2.5 列车空调系统散热

动车在检修时列车门为打开状态，列车内冷风向外渗透，并最终将冷量渗透到动车检查库，列车空调向库内散发的有效热量应该等于空调系统实际输入功率。测试了空调系统冷凝器排风口面积，排风温度、排风风速，动车冷凝器排风口一般为百叶风口，其开口面积系数取0.5，计算得到空调系统的冷凝器实际散热量。

以和谐号CRH2 系列车辆计算库内动车额定工况下单个冷凝器散热量。CRH2 型动车司机室设1 台空调装置，空调制冷能力7.1kW/台，输入功率是4kW；每标准车厢即客室车厢设2 台空调装置，标准条件下制冷能力37.21kW/台；压缩机耗电量为2×3.7kW（2 台压缩机），冷凝器风机耗电量：4×1.5kW（2 台冷凝器，4 个冷凝器风机），制冷总输入功率为20kW；因此，CRH2 型动车单个空调冷凝器向外的散热量为47.6kW（制冷量+压缩机+冷凝器风机，即37.21+3.7×2+1.5×2）。冷凝器实际散热量与额定工况之比为部分负荷率，从而根据总输入功率与部分负荷率的乘积计算空调向库内有效散热量。计算结果见表7。

表7 检查库冷凝器散热Table 7 Condenser heat dissipation

在五个检修库中，武汉十线库和广州十线库中测试到了冷凝器散热的情形。动车检修时分为通电作业和无电作业，检修共90 分钟，通电40 分钟。冷凝器的通电检修率按4/9 计算，库内总散热量计算公式为：

3 测试结果分析

3.1 实测结果分析

测试工况下库内各项热源测试结果如表8所示。

表8 各地区检查库实测工况各项热源强度数据汇总Table 8 Summary of heat source intensity data for each measured working condition

由表中数据可知，武汉十线库库内得热实测值最大，其单位面积散热强度为69.5W/m2，在有检修工作的库中，列车空调系统散热和太阳辐射是库内得热的主要来源，列车空调系统散热单位面积散热强度可达28.8～31.0W/m2，太阳辐射单位面积散热强度可达24.2～35.2W/m2。检查库内车体表面散热量热源强度为6.0～14.2W/m2。通过围护结构的传热最大可达10.12W/m2，人员得热最大可达0.18W/m2，照明在白天一般不开启，设备得热最大可达5.4W/m2。

3.2 设计工况下得热分析

综合各检查库的测试结果，提出夏季设计工况下库内总得热的计算方法，为通风系统设计提供数据参考。根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2015[9]，设计工况下库内外设温度，太阳辐照度如表9所示。其中室外温度为夏季室外通风设计温度，室内温度取生产厂房工作地点与夏季通风室外设计温度允许最大温差（3℃）进行设计，且最高不得超过35℃。

表9 设计工况下室内外参数Table 9 Indoor and outdoor parameters under design working conditions

车体表面的散热量和车体表面温度和库内设计温度有关。根据测试数据，车体表面温度和室外空气综合温度的如图1所示。设计工况下车体表面计算参数如表10所示，其中对流换热系数取测试时的平均值。

图1 实测工况车体表面平均温度和室外空气综合温度关系图Fig.1 The relationship between the average surface temperature of the vehicle body and the outdoor sol-air temperature

表10 设计工况单列标准列车（8 节编组）车体表面散热量Table 10 Heat dissipation on the vehicle surface of a standard EMU(8-section group)under design working conditions

设计工况下单辆车表面散热取平均值66.5kW/列，且库内车辆按停满计算，刚入库车辆占在库车辆的比值取测试时的平均值0.478。设计工况下库内总的车体表面散热量为：

武汉十线库和广州六线库单辆车空调系统散热量分别为287kW/列、177.2kW/列。设计工况下，库内考虑停满动车。检查库内动车检修时空调散热量取测试时的均值232.1kW/列计算，列车空调同时开启率取平均值0.31。因此库内空调器总散热量为：

检查库内太阳辐射得热与室外太阳辐照度（s）、库内外温差与通过围护结构进入检查库内的热量均有明显的相关性。测试时相关数据见表11，对实测数据按线性拟合后提出设计工况下库内太阳辐射得热计算的公式（4）以及围护结构内表面散热量计算公式（5）。

表11 测试工况太阳辐射得热及围护结构得热数据Table 11 Solar radiation heat gain and envelope heat gain data for measured working conditions

其中，围护结构、太阳辐射以及车体表面的散热量与室外环境有关，在设计工况下夜间库内不存在这部分热量。由人员、灯光、设备散入检查库内的热量与检修库规模有关，以实测数据作为设计工况下的得热。

夏热冬冷（暖）地区设计工况白天和夜间的室内得热如表12所示。

表12 设计工况库内总得热对比Table 12 Comparison of total heat gain for design working conditions

库内得热白天比夜间大，夏热冬冷武汉和长沙检查库设计工况白天的库内热源强度为90.5～96.4W/m2，夜间库内热源强度为47.6～55.6W/m2。夏热冬暖广州检查库设计工况白天热源强度78.4～85.7W/m2，夜间库内热源强度为43.5～50.1W/m2。由于在库内面积上存在较大差异，所以单位面积散热在夏热冬冷地区和夏热冬暖地区存在差异。