“复兴号”CR200J型动力集中电动车组拖车隔热设计及车窗优化

徐 涛，高健飞，贲晓东，姜艳林，岳文志

(1.中车南京浦镇车辆有限公司 总体研发部，江苏 南京 210031；2.中车南京浦镇车辆有限公司 设备研发部，江苏 南京 210031)

“复兴号”CR200J型动力集中电动车组拖车(以下简称CR200J型拖车)作为25T型客车的改进产品，研发之初就提出了提升旅客乘坐舒适性的需求。车体传热性能影响空调负荷及客室内热环境，是确保旅客舒适度的一项重要指标[1]。为改善旅客乘坐舒适性，降低空调能耗，按照技术条件要求对CR200J型拖车整车进行了隔热设计；提升了塞拉门和给排水系统的密封性能，减少了空气的对流；按照Q/CR 205—2014《铁路空调客车热工计算方案》要求对车体传热系数进行了计算和试验验证，结果显示，CR200J型拖车车体传热系数满足技术条件小于等于1.11 W/(m2·K)的要求。本文针对在高寒地区运用时车窗发生凝露并产生冷凝水的情况对CR200J型拖车运用环境进行了分析，并根据分析结果对其车窗结构进行了优化，优化后的车窗再次运用于高寒地区进行试验验证，没有出现凝露情况，表明该优化方案有效解决了车窗凝露问题。

1 隔热设计

静止状态下车体传热系数K是反映整车隔热性能的参数，通过车体的隔热设计，可以减小车体传热系数，提升整车隔热性能，降低空调能耗，实现节能减排[2]。

1.1 技术条件要求

不同于25T型客车，CR200J型拖车技术条件中对K值进行了统一要求，除软卧车外，整车K值由1.16 W/(m2·K)减小到1.11 W/(m2·K)，如表1所示。

表1 25T型客车及CR200J型拖车K值要求

1.2 隔热设计

CR200J型拖车隔热设计主要内容有：使用隔热材料隔断热桥和减少热传递；提高整车密封性能以减少空气的对流。

1.2.1安装隔热材料

CR200J型拖车隔热材料采用改性玻璃棉，符合Q/CR 794—2020《铁路客车及动车组室内材料 保温材料》的要求[3]，其性能指标如表2所示。

表2 改性玻璃棉性能指标参数

在CR200J型拖车底架、车顶、侧墙和端墙铺设改性玻璃棉，车体隔热断面如表3和图1所示。

表3 车体隔热断面

图1 车体隔热断面结构

1.2.2提升整车密封性能

CR200J型拖车在25T型客车基础上提高了塞拉门和给排水系统的密封性能，减少空气的对流。塞拉门组装采用整体密封门框、多级锁闭压紧和多道密封胶条密封，提升了车门密封性能，如图2所示。

1.前挡密封胶条；2.上挡密封胶条；3.下挡密封胶条；4.后挡密封胶条。图2 塞拉门密封胶条

采用密封式电热排水导筒，下部排水口安装橡胶密封装置，灰水在重力作用下使橡胶密封装置变形从而排至车外，灰水排空后橡胶密封装置自动恢复至密封状态。图3为密封式电热排水导筒及自密封结构。

图3 密封式电热排水导筒及自密封结构

2 拖车车体传热系数K计算

铁道机车车辆实际运行中，外界条件随地理位置、季节、昼夜等不断变化，车辆内部的热量也随着设备发热和旅客的多少而变化，因此车辆隔热断面的传热过程是一个不稳定过程。以二等座车为例，按照Q/CR 205—2014《铁路空调客车热工计算方案》要求进行拖车车体传热系数K计算[4]，为简化计算做出如下假设[5]：

(1) 平均外气温度视为常数；

(2) 在隔热断面热工性能计算中应用稳定传热原理，即隔热断面中的温度分布和热流大小保持固定数值，不随时间变化；

(3) 不同材料间相互密接，嵌在乙型钢、槽钢等翼板内部的隔热材料的热阻不计；

(4) 车体钢结构仅考虑骨架的传热，所有与外层钢板相连的金属，其温度与钢板温度相同，小金属零件的导热性不予考虑。

二等座车隔热断面中含有许多几何形状复杂的金属和非金属元件，既有均质结构，也有多层非均质结构。整车K值计算时，按照上述假设将车体各隔热断面简化为均质结构，求得各隔热断面传热系数Ki和断面传热面积，再按照非均质结构求得整车K值。

2.1 车体隔热断面传热系数

将二等座车车体各隔热断面按均质结构计算，各隔热断面传热系数Ki可用式(1)求出[6]：

(1)

式中：δi——各隔热断面材料的厚度，m；

λi——各隔热断面材料的导热系数，W/(m·K)；

αW——车内表面对流传热系数,8 W/(m2·K)；

αN——车外表面对流传热系数,16 W/(m2·K)。

车体各隔热断面传热系数和传热面积的计算结果如表4所示。

表4 车体钢结构各隔热断面传热系数及传热面积

2.2 整车传热系数

整车按照非均质结构计算，其传热系数K值可用式(2)求出：

(2)

式中：Ai——各隔热断面传热面积，m2。

按照Q/CR 205—2014要求并结合日本标准经验，对表4中车体各隔热断面参数乘以安全系数2[7]，并将表5中整车各安装设备传热系数及传热面积代入式(1)和式(2)，求得整车K值为1.04 W/(m2·K)，满足拖车技术条件要求。由于计算简化了模型，忽略了部分热桥的影响，计算结果一般小于试验结果。

表5 整车各安装设备传热系数及传热面积

3 隔热性能试验

按照TB/T 1674—1993《铁路客车隔热性能试验方法》要求[8]，在二等座车车内客室区第1排、第11排和第21排座椅处分别布置1个测温断面，在每个测温断面布置8个温度测点，在2个厕所、洗脸间、配电柜、乘务员室车窗中心处各布置1个测点，车内共计布置29个温度测点。在车外布置3个测温断面，位置与车内测温断面一致，每个断面布置8个温度测点，外端门两侧中部分别布置1个温度测点，车外共计布置28个温度测点。测点布置图详见图4，图4中红点为车内温度测点，蓝点为车外温度测点。

图4 二等座车隔热试验测点布置图

按照TB/T 1674—1993规定对二等座车进行加热，热稳定时间不少于8 h，8 h内车内外各温度测点平均空气温度波动不大于±0.5 K，车内加热功率波动不得大于3%。热稳定后，每30 min记录一次温度传感器及电功率计的数据，取连续8组有效数据,结果如表6所示。

表6 二等座车隔热性能试验采集数据表

用式(3)计算求得整车传热系数K值，计算结果为1.09 W/(m2·K)，满足技术条件要求。

(3)

式中：P——车内加热功率，W；

Δt——车体内外平均空气温度差，K。

4 高寒地区运用存在的问题及原因分析

“复兴号”CR200J型动力集中电动车组2019年1月正式上线，运用中拖车整车隔热和密封性能较25T型客车有明显改善，空调制冷采暖效率提升，提高了旅客乘坐舒适度。但在沈阳局、乌鲁木齐局等高寒地区长时间运用时，发生拖车车窗胶条出现冷凝水并聚集成股流至窗台的情况。CR200J型拖车车窗沿用了25T型客车单元式车窗结构，为改善车窗隔热性能，在窗框四周增加了防寒框。从运用情况看，增加防寒框对车窗隔热性能稍有改善，能够防止车窗在高寒地区运用出现结冰现象，但仍会产生冷凝水，如图5所示。

图5 25T型客车及CR200J型拖车高寒地区运用情况

针对CR200J型拖车车窗冷凝水问题，对车窗隔热性能、运用环境和验证过程进行了分析，分析结果表明，造成车窗产生冷凝水的主要原因有：

(1) 车窗隔热性能较差。CR200J型拖车单元式车窗窗框为整体铝型材并贯通车体结构内外，铝型材传热系数高达210 W/(m2·K)，对车体隔热性能的影响较大[9]，虽然拖车车窗在窗框上增加了防寒框，但是其并未隔断窗框与车内的热桥，车窗隔热性能提升有限，与其他高寒客车或动车组车窗相比，隔热性能相对较差，如表7所示。

表7 CR200J型拖车及高寒车型车窗隔热性能对比

(2) 运用环境温差及湿度较大。高寒地区车内外温差较大，由于窗框铝型材的热传递，导致车窗胶条温度较低，加之大量旅客产生的水蒸气加大了客室的湿度，因此产生冷凝水现象。

(3) 试验验证不够充分。拖车车窗隔热性能试验按照TB/T 3107—2011《铁道客车单元式组合车窗》要求实施[9]，标准未规定极端温度差及不同湿度环境下的凝露试验要求。

5 改进措施

针对上述原因分析，对CR200J型拖车车窗结构进行优化，同时增加极端温度差及高湿度环境下的凝露试验。

5.1 车窗结构优化

原CR200J型拖车单元车窗的整体窗框结构优化为内外窗框结构，并采用粘接胶实现内外窗框的连接和热桥的隔断(图6)，优化后车窗隔热性能明显提升，如表8所示。

图6 CR200J型拖车车窗优化结构

表8 CR200J型拖车车窗结构优化后车窗隔热性能

5.2 凝露试验

为验证车窗在极端温度差及不同湿度环境下抗凝露性能，增加凝露试验。在外部环境温度为-40 ℃、-20 ℃，内部环境温度20 ℃，室内空气相对湿度分别为35%、40%、50%和55%时，要求内侧玻璃及内框表面1 h内不形成任何冷凝水或霜。以隔热性能相对差的活动车窗为例，分别对比优化前的普通车窗和优化后隔热车窗凝露情况，试验结果如表9所示。试验结果表明，优化后的车窗结构凝露现象明显降低。

表9 车窗结构优化前后不同湿度工况下凝露情况对比

6 结束语

为了改善CR200J型拖车单元式车窗在高寒地区运用中出现的冷凝水问题，本文在25T型客车基础上，通过车体隔热设计对车窗进行了结构优化，减小了车体传热系数，提升了整车隔热性能，降低了空调能耗，有效解决了CR200J型拖车单元式车窗在高寒地区运用中出现的冷凝水问题。

装用优化结构隔热车窗的高原双源动力集中动车组在高寒地区开行，运用良好，未出现冷凝水问题。2021年CR200J型拖车再次配属沈阳局，在外温-20 ℃、客室内温度10 ℃环境下，窗框温度为7.6 ℃，上线后车窗未出现冷凝水问题，表明优化结构的CR200J型拖车单元式车窗改善了车窗冷凝水问题，在沈阳局高寒地区运用后效果良好。建议对TB/T 3107—2011《铁道客车单元式组合车窗》进行修订，增加在高寒地区运用不同空气湿度下抗凝露要求。