高速鐵路動車組靜置空調(diào)試驗(yàn)結(jié)果分析

李作良 劉 靜

(中車集團(tuán)唐山機(jī)車車輛有限公司， 唐山 063035)

高速鐵路動車組靜置空調(diào)試驗(yàn)結(jié)果分析

李作良 劉 靜

(中車集團(tuán)唐山機(jī)車車輛有限公司， 唐山 063035)

在環(huán)境試驗(yàn)室進(jìn)行的CRH380BL型高速動車組的空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)試驗(yàn)，證明動車組車體具有很好的隔熱性能，空調(diào)系統(tǒng)在冬季和夏季環(huán)境溫度下都能為乘客提供足夠的新風(fēng)量。文章通過對典型車型空氣調(diào)節(jié)能力的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，證明風(fēng)道結(jié)構(gòu)對動車組客室內(nèi)溫度場有較大的影響?？照{(diào)系統(tǒng)采用冷暖風(fēng)道分開供風(fēng)，保證了在制熱和制冷兩種工況下，車內(nèi)溫度均勻性都能達(dá)到UIC 553-2004標(biāo)準(zhǔn)的要求。但是由于受電弓裝置占用了大量車頂空間，導(dǎo)致該車型前排座椅位置的舒適性較差，應(yīng)根據(jù)車內(nèi)溫度分布對車頂風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

高速鐵路空調(diào)系統(tǒng)； 模擬環(huán)境試驗(yàn)； 風(fēng)道結(jié)構(gòu)

隨著國內(nèi)高速鐵路的迅猛發(fā)展，乘坐高速鐵路出行已經(jīng)成為廣大民眾普遍選擇。我國地域遼闊，高速鐵路運(yùn)行期間可能要跨越幾個氣候條件不同的地區(qū)。在長時間乘坐高速鐵路時，客室內(nèi)的溫度值和溫度均勻性是影響乘客舒適性的重要因素，這對高速動車組空調(diào)系統(tǒng)提出了較高的要求。

1 高速動車組的空調(diào)系統(tǒng)

CRH380BL型高速動車組是我國正在運(yùn)營的主要動車組型號之一，其空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)結(jié)構(gòu)主要包括以下幾部分：車頂?shù)膯卧娇照{(diào)機(jī)組、安裝在車頂并貫穿于整車的供風(fēng)道組成和風(fēng)道兩側(cè)與側(cè)墻風(fēng)道連接的軟風(fēng)道，空調(diào)兩側(cè)的新風(fēng)系統(tǒng)和車下的廢排系統(tǒng)[1]。

根據(jù)設(shè)計(jì)思想，此型動車組在靜置模擬環(huán)境下的HVAC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)選擇在青島四方車輛研究所的熱工實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用UIC 553-1-2005《客車的通風(fēng)、采暖和空調(diào)-型式試驗(yàn)》[2]作為試驗(yàn)依據(jù)。

CRH380BL動車組的車內(nèi)結(jié)構(gòu)主要有頭車、中間車和餐車3種，也是空調(diào)試驗(yàn)選取的車型，試驗(yàn)內(nèi)容包括隔熱、通風(fēng)、采暖、制冷4項(xiàng)。

2 隔熱性能試驗(yàn)

車體的隔熱性能試驗(yàn)是檢驗(yàn)動車組隔熱設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[3]，評價指標(biāo)是車體傳熱系數(shù)(K值)，即單位面積車體在內(nèi)外溫差為1 K時傳遞的熱量。傳熱系數(shù)越小則車體的隔熱性能越好，如表1所示。

表1 CRH380BL車體傳熱系數(shù)

頭車有司機(jī)室，其導(dǎo)流罩以及前窗的換熱面積較大，這些部件的隔熱能力比其他部位要差，導(dǎo)致頭車的車體傳熱系數(shù)比其他車型大0.1。3種車型的傳熱系數(shù)都遠(yuǎn)低于動車組采購技術(shù)條件的限值1.5，也低于國標(biāo)客車技術(shù)條件對鋁合金結(jié)構(gòu)客車傳熱系數(shù)1.4的限值[4]，證明CRH380BL具有非常良好的隔熱性能。

3 通風(fēng)性能試驗(yàn)

動車組的通風(fēng)性能試驗(yàn)主要考察空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)能力和人均新風(fēng)量，與送風(fēng)能力相關(guān)的風(fēng)閥開度和通風(fēng)量、廢排量等數(shù)據(jù)是進(jìn)行恒溫試驗(yàn)的基礎(chǔ)，而人均新風(fēng)量是考核旅客舒適性的重要指標(biāo)。如果動車組運(yùn)行時沒有足夠的新鮮空氣進(jìn)入車廂內(nèi)，會導(dǎo)致CO2濃度升高引起旅客不適。近年有的動車組發(fā)生故障，長時間停車導(dǎo)致旅客胸悶昏厥就是由于新風(fēng)不足導(dǎo)致的。但是動車組運(yùn)行時新風(fēng)口處的壓力情況與靜止不同，新風(fēng)量隨車速增加而變化[5]，CRH380BL動車組采用了可調(diào)解的新風(fēng)閥來保證運(yùn)行狀態(tài)的新風(fēng)量。

實(shí)驗(yàn)人員采用TSI多功能風(fēng)速計(jì)和自制導(dǎo)筒，測量3種車型的新風(fēng)量結(jié)果如表2所示。由于3種車型安裝的空調(diào)機(jī)組功率和送風(fēng)能力一致，所以針對不同載客量的車型和不同車外溫度，采用不同的新風(fēng)閥開度，既能夠滿足人均新風(fēng)的要求(冬季15 m3/s，夏季20 m3/s)[6]，也利于在動車組運(yùn)行時進(jìn)行調(diào)節(jié)。

表2 CRH380BL動車組新風(fēng)量

4 空氣調(diào)節(jié)性能試驗(yàn)

空氣調(diào)節(jié)性能試驗(yàn)分為采暖性能和制冷性能試驗(yàn)，檢驗(yàn)動車組在高溫和低溫環(huán)境下，是否能夠給乘客提供舒適的溫度環(huán)境。對于不同車型的動車組來說，風(fēng)道結(jié)構(gòu)是空氣調(diào)節(jié)性能的基礎(chǔ)，風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理直接影響車廂內(nèi)的溫度均勻性。

CRH380BL動車組的空調(diào)主風(fēng)道為雙層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。且在夏季制冷模式和冬季制熱模式下送風(fēng)方式不同。在制冷模式下，大約75%的風(fēng)量通過中間風(fēng)道輸送，中央風(fēng)道的空氣主要通過風(fēng)道下面的出風(fēng)孔及調(diào)整板后從多孔天花板上排出，25%由外側(cè)的暖氣風(fēng)道輸送，沿車體側(cè)墻內(nèi)的風(fēng)道到達(dá)車底排出。在制熱模式下，熱風(fēng)主要通過外側(cè)暖風(fēng)風(fēng)道供風(fēng)(大約80%)，其余從車頂中間風(fēng)道送出。07車風(fēng)道立體示意如圖2所示[9]。

圖1 主風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 07車風(fēng)道的立體示意圖

CRH380BL動車組的02/07車作為中間車型有一定的代表性，由于車頂安裝有受電弓，導(dǎo)致該車的主風(fēng)道比普通中間車的短一截，影響送風(fēng)均勻性，因此以07車為例，對其空調(diào)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

UIC553標(biāo)準(zhǔn)中對在-25℃～35℃環(huán)境溫度下運(yùn)行的動車組客室內(nèi)溫差的要求為車廂內(nèi)代表旅客主要活動范圍的距離地面1.1 m的測點(diǎn)溫差不超過2 K[5]。實(shí)驗(yàn)中通過在座椅的相應(yīng)高度上布置測點(diǎn)，能夠監(jiān)控客室內(nèi)水平溫度和垂直溫度的分布，并判斷車內(nèi)溫度場的均勻性。

5 空氣調(diào)節(jié)性能試驗(yàn)結(jié)果

5.1 采暖試驗(yàn)

采暖試驗(yàn)共分為4個工況，如圖3所示。選取車外溫度分別為為0℃和-25℃，檢測時間90 min，其中“有負(fù)載”指車內(nèi)用加熱器模擬定員乘客的散熱，工況1～工況3是在外溫0℃下，將客室內(nèi)的溫度分別設(shè)定為22℃(0偏置)、24℃(+2偏置)、20℃(-2偏置)，主要檢驗(yàn)外溫不變條件下，空調(diào)機(jī)組對車內(nèi)溫度的精確控制能力。工況4是在外溫-20℃下，檢驗(yàn)空調(diào)系統(tǒng)對車內(nèi)的制熱能力。

圖3 采暖工況下車內(nèi)平均溫度變化

圖4 采暖工況下車內(nèi)水平溫差變化

試驗(yàn)中客室內(nèi)的平均溫度變化很小，平均溫度的波動基本上都小于0.5℃。水平溫差的變化如圖4所示。采暖試驗(yàn)各個工況中客室內(nèi)水平溫差都小于2℃，工況2在試驗(yàn)開始的30 min內(nèi)變化比較劇烈，但是當(dāng)車內(nèi)流場進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后，溫差也減小到1.7℃以下，與車內(nèi)平均溫度的變化相符。比較車內(nèi)模擬定員乘客和空車兩種狀態(tài)，有負(fù)載時車內(nèi)溫差的穩(wěn)定性較差，符合實(shí)際情況。另外，在環(huán)境溫度達(dá)到-20℃時，水平溫差仍然維持在1.7℃以下，而且波動平緩，顯然得益于車輛良好的隔熱性能。

5.2 制冷工況

制冷工況主要對外溫環(huán)境35℃時動車組空調(diào)制冷能力和溫度均勻性進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況分別為：(1)車內(nèi)溫度設(shè)定24℃(0偏置)有模擬乘客散熱；(2)車內(nèi)溫度設(shè)定22℃(-2偏置)有模擬乘客散熱；(3)車內(nèi)溫度設(shè)定22℃(-2偏置)無模擬乘客散熱。制冷工況下車內(nèi)的平均溫度變化都小于0.5℃，如圖5所示。溫度波動隨時間延長而減小，可知車內(nèi)溫度場逐漸達(dá)到穩(wěn)定?？哲嚑顟B(tài)下，平均溫度一直在緩慢單調(diào)下降，可能因?yàn)闆]有乘客散熱影響車內(nèi)溫度場，平均溫度會逐漸降到22℃并穩(wěn)定。

圖5 制冷工況下的平均溫度變化

水平溫差的變化趨勢如圖6所示。模擬無乘客工況時空調(diào)系統(tǒng)更容易控制車內(nèi)溫差，水平溫差隨著溫度場的穩(wěn)定逐漸降到了1℃。但是，當(dāng)車內(nèi)模擬定員載荷時，空調(diào)機(jī)組需要間歇性的增加功率以便平衡乘客的散熱，導(dǎo)致水平溫差變化趨勢呈現(xiàn)出劇烈的上下波動，在試驗(yàn)人員調(diào)試了接近5 h后才將水平溫差控制在2℃左右。

圖6 制冷工況下水平溫差變化

6 車內(nèi)溫度場分布

6.1 溫度場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的選取

07車客室內(nèi)共16排座椅，客室內(nèi)的溫度場達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，選取第一、六、十二、十六排座椅上方1.1 m位置的溫度點(diǎn)平均值，作為觀察車廂前部、中前部、中后部、后部的水平溫度梯度變化依據(jù)[8]。第一排座椅上方車頂安裝有受電弓裝置，第十六排座椅上方車頂安裝有空調(diào)機(jī)組。每隔15分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄90分鐘。

6.2 采暖工況下外溫0℃的車內(nèi)溫度分布

圖7給出了不同溫度偏置下07車從前到后的溫度分布情況。

圖7 外溫0℃下溫度設(shè)定分別偏置+2K、0K及-2K的車內(nèi)溫度分布

比較3種溫度分布，可以發(fā)現(xiàn)07車一位端(有受電弓)區(qū)域的溫度始終低于車廂其他位置，而車廂中前部的溫度較高。車內(nèi)溫度設(shè)定降低時，隨著空調(diào)制熱功率的減小，車內(nèi)的平均溫度逐步下降，但是第六排座椅中前部區(qū)域溫度相對下降得少，表明此區(qū)域的暖風(fēng)相對更多。

6.3 采暖工況更低環(huán)境溫度下的車內(nèi)溫度場分布

將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度分別調(diào)整至-10℃、-20℃、-25℃，空調(diào)處于全功率制熱工況下。此3種工況下車內(nèi)溫度場分布曲線如圖8所示。在3種外溫環(huán)境下，車內(nèi)的溫度梯度幾乎相同，車廂最前排的溫度明顯低于后排，舒適度較差，車廂中部溫度高于車廂后部。

圖8 外溫-10℃、-20℃、-25℃車內(nèi)溫度分布

根據(jù)采暖工況下空調(diào)的送風(fēng)模式(約75%的暖風(fēng)通過兩側(cè)風(fēng)道經(jīng)內(nèi)側(cè)墻板從車廂底部送出，頂部風(fēng)道的暖風(fēng)只占約25%)，分析07車受電弓下方區(qū)域舒適度較差的原因。對比車廂的風(fēng)道結(jié)構(gòu)可知，由于受電弓占用了大量車頂空間，造成此位置無法安裝主風(fēng)道，雖然受電弓下方與車廂頂板之間留有高10 cm的空間，使得主風(fēng)道吹出來的熱空氣能夠到達(dá)車廂前三排座椅上方，但是由于沒有風(fēng)道的集束作用和導(dǎo)流板的導(dǎo)流，暖風(fēng)的風(fēng)速很低，很難通過側(cè)墻風(fēng)道抵達(dá)乘客腳邊，只能堆積在車廂的頂部區(qū)域，并隨著回風(fēng)回到空調(diào)機(jī)組，座椅位置的熱空氣嚴(yán)重不足，溫度偏低。

6.4 制冷工況下車內(nèi)溫度分布

將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度分別調(diào)整至22℃、35℃、40℃，空調(diào)處于全功率制冷工況下。此3種工況下車內(nèi)溫度分布曲線如圖9所示?？砂l(fā)現(xiàn)座椅位置的溫度變化相似，第一排溫度較低，之后逐漸升高，第六排的溫度高升至全車廂的最高溫度，接下來溫度又逐漸降低，第十二排的溫度最低，之后又逐漸升高。

圖9 外溫22℃、35℃、40℃下車內(nèi)溫度分布

結(jié)合車廂的風(fēng)道結(jié)構(gòu)來研究，車廂前排座椅上方?jīng)]有主風(fēng)道和導(dǎo)流板，按道理來說應(yīng)當(dāng)會出現(xiàn)冷氣不足溫度偏高的現(xiàn)象，與實(shí)際結(jié)果不符。但是通過對送風(fēng)方式的分析可知，制冷工況下通過車頂主風(fēng)道的送風(fēng)量占總風(fēng)量的80%，主風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速比采暖工況下要高得多[9]，由于沒有風(fēng)道的集束作用，冷風(fēng)從端部出口吹出后氣壓驟然減小，導(dǎo)致大量冷風(fēng)沿著受電弓下方10 cm高的空間吹到第一排座椅位置，所以有效地降低了車廂前排的溫度。與此相對的是，在主風(fēng)道端部出口后面的其他出風(fēng)口有導(dǎo)流板，壓降比端部出風(fēng)口小，通過的冷風(fēng)相對更低，導(dǎo)致車廂第五、六排位置冷氣不足，溫度比第一排高出很多。在試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員通過大大減小主風(fēng)道端部出風(fēng)口面積，才有效地降低了第五、六排的溫度。

而第十五、十六排上方是安裝通風(fēng)機(jī)和主風(fēng)道縱向?qū)Я靼逦恢?，并沒有出風(fēng)口，座椅區(qū)域的降溫依賴前排冷氣回風(fēng)，導(dǎo)致溫度比第十二排高。

6.5 總體分析

從試驗(yàn)結(jié)果來看，TC07車車內(nèi)溫度分布呈如下規(guī)律：由于安裝受電弓對主風(fēng)道的影響，在冬季和夏季車廂的第一至三排溫度偏低，且車廂前部和中前部溫差較大，容易引起旅客的不適。車廂的中后部和后部溫度適宜且溫差小。如果想改善這種狀況，必須對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。首先要對主風(fēng)道的端部出風(fēng)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，在端部安裝導(dǎo)筒，與車廂最前排的側(cè)墻板連通，側(cè)墻板內(nèi)布置風(fēng)道，將暖氣風(fēng)道的加熱空氣引導(dǎo)至第一排的地板上方，改善冬季最前排溫度低的情況。同時，減小端部冷風(fēng)出口的截面積，在出風(fēng)口前方安裝一個導(dǎo)流板，導(dǎo)流板的角度可以調(diào)節(jié)并最好做成格柵狀，在夏季制冷工況下，使制冷空氣分流一部分向下，吹入車廂中前排，改善車廂中部的溫度偏高狀況。

7 結(jié)論

CRH380BL在空調(diào)系統(tǒng)靜置環(huán)境試驗(yàn)中被證明具有很好車體隔熱性能和新風(fēng)補(bǔ)充能力。無論在低溫和高溫環(huán)境下，車內(nèi)溫度場達(dá)到穩(wěn)定后，平均溫度和水平溫差都在很小的范圍內(nèi)上下波動。車內(nèi)溫度分布則揭示了車廂內(nèi)部溫度均勻性與風(fēng)道結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，其合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)完全滿足乘客對車內(nèi)溫度舒適性的要求，但是對于受電弓車型，仍然需要對主風(fēng)道進(jìn)行改進(jìn)，改善前排坐席的溫度舒適性。

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Analysis of test results of HVAC system in the high speed EMU

LI Zuoliang LIU Jing

(CRRC TAGSHAN CO.,LTD，Tangshan 063035， China)

The air-conditioning system (HVAC) test in artificial climatic laboratory of CRH380BL high speed EMU proves that the EMU car body has very good heat insulation performance. No matter the ambient temperature in winter or in summer the HVAC can provide passengers with enough fresh air. The test results analysis of air conditioning ability of representative vehicle model demonstrates the temperature field in carriage has been affected by the air duct structure. The HVAC separates the heated air and cooling air by different air duct to ensure the carriage temperature uniformity can meet the requirements of standard UIC553-2004 in heating and cooling working conditions. On account of the pantograph taking up a large amount of roof space, the comfortability of seat positions in the front of the carriage is poorer. The air duct structure should be improved according to the interior temperature distribution.

HVAC of high speed EMU； simulation environment test; air duct structure

2016-02-18

李作良(1983-)，男，工程師。

1674—8247(2016)04—0019—05

U270.38+3

A