基于線路的高速列車空調(diào)能耗研究

萬瑞琦 畢海權(quán)

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基于線路的高速列車空調(diào)能耗研究

萬瑞琦 畢海權(quán)

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

考慮了列車在固定線路上運(yùn)行時(shí)，沿線天氣變化對(duì)空調(diào)機(jī)組性能的影響，基于標(biāo)準(zhǔn)日整點(diǎn)天氣參數(shù)構(gòu)造沿線天氣參數(shù)曲線，采用LMS AMESim平臺(tái)建立高速列車空調(diào)能耗計(jì)算模型，針對(duì)武廣線運(yùn)營的CRH3型高速列車空調(diào)運(yùn)行能耗進(jìn)行計(jì)算，比較不同發(fā)車時(shí)間列車的空調(diào)能耗，以及基于線路方法和傳統(tǒng)固定地點(diǎn)計(jì)算方法的能耗差異。

沿線天氣；高速列車；空調(diào)能耗；LMS AMESim

0 引言

隨著人民生活水平的提高，車內(nèi)環(huán)境舒適、運(yùn)行快速平穩(wěn)的高速列車逐漸受到出行者的青睞，高速鐵路行業(yè)發(fā)展迅猛，根據(jù)2016年發(fā)布的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年，我國鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)17.5萬公里左右，其中高速鐵路3.8萬公里左右，并且將建成“八橫八縱”的高速鐵路網(wǎng)。由于我國幅員遼闊、經(jīng)緯跨度大、氣候類型多，鐵路沿線氣象參數(shù)的變化很大，而高鐵室內(nèi)環(huán)境的高要求使空調(diào)能耗增加迅猛，如何根據(jù)線路準(zhǔn)確計(jì)算出空調(diào)運(yùn)行能耗對(duì)于高速列車的節(jié)能降耗十分重要。

對(duì)于列車沿線氣象參數(shù)模型，我國采用的傳統(tǒng)簡化方法是按北京以南地區(qū)鐵路沿線空調(diào)列車綜合的熱量變化規(guī)律，確定某一代表地區(qū)作為客車空調(diào)的室外氣象計(jì)算參數(shù)地區(qū)。另外，也有研究提出采用模比系數(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行構(gòu)建[1-3]，但這些方法都只適用于客車空調(diào)設(shè)計(jì)和空調(diào)靜態(tài)性能的理論分析[4]，只考慮了車外氣象參數(shù)變化對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及新風(fēng)的影響，而忽略了對(duì)運(yùn)行中的空調(diào)機(jī)組性能的影響，實(shí)際上，車外溫度或濕度的變化都會(huì)造成冷凝器和蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)狀態(tài)的改變，引起冷凝溫度和蒸發(fā)溫度發(fā)生變化，從而對(duì)機(jī)組性能產(chǎn)生影響[5]。車外溫度從30℃升高到40℃時(shí)，空調(diào)機(jī)組COP會(huì)降低18.6%，車外相對(duì)濕度從50%升高到80%時(shí)，空調(diào)機(jī)組COP會(huì)升高11.7%?？紤]到仿真模擬能將這種影響體現(xiàn)到能耗中，為了能提高高速列車空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗計(jì)算準(zhǔn)確性，提出一種基于線路的列車能耗計(jì)算方法。通過構(gòu)造沿線氣象參數(shù)，結(jié)合仿真模擬，對(duì)高速列車空調(diào)運(yùn)行能耗進(jìn)行計(jì)算分析。

1 能耗計(jì)算方法及驗(yàn)證

忽略同一線路每趟高速列車運(yùn)行時(shí)長的微小差異，認(rèn)為選定一條線路進(jìn)行列車空調(diào)能耗計(jì)算時(shí)，只要確定了列車的始發(fā)時(shí)間，其空間位置和時(shí)間就是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以沿線的氣象參數(shù)可以直接轉(zhuǎn)化為以時(shí)間為變量的曲線。

當(dāng)計(jì)算列車夏季空調(diào)能耗時(shí)，參考建筑的計(jì)算方法，同樣選擇夏季標(biāo)準(zhǔn)日對(duì)沿線氣象曲線進(jìn)行構(gòu)造。基于文獻(xiàn)[6]中不同地點(diǎn)的整點(diǎn)氣象參數(shù)，根據(jù)列車到站準(zhǔn)確時(shí)刻進(jìn)行線性插值，得到該站點(diǎn)的氣象參數(shù)，再根據(jù)沿線站點(diǎn)氣象參數(shù)采用插值或者擬合的方式得到沿線氣象參數(shù)曲線。

通過上述方法可以得到溫度、濕度、各方向太陽輻射強(qiáng)度關(guān)于時(shí)間的曲線，再使用LMS AMESim系統(tǒng)仿真平臺(tái)建立高速列車空調(diào)能耗計(jì)算模型，建模過程參考文獻(xiàn)[7]，將各曲線輸入到冷凝器模塊、蒸發(fā)器模塊以及負(fù)荷模塊中進(jìn)行計(jì)算，即可得到夏季標(biāo)準(zhǔn)日列車運(yùn)行的空調(diào)能耗。

上述方法在建模時(shí)忽略了以下幾點(diǎn)：（1）高速列車運(yùn)行線路中明線占絕大部分，所以不考慮在隧道運(yùn)行的情況；（2）忽略列車實(shí)際運(yùn)行中時(shí)刻改變的車身方向，以起點(diǎn)-終點(diǎn)方向作為太陽輻射的輸入標(biāo)準(zhǔn)；（3）由于車速對(duì)列車空調(diào)能耗影響很小[8]，忽略車速的變化，用總路程/運(yùn)行時(shí)間作為車速參數(shù)的輸入。

如圖1所示，本文建立了夏季某線路列車空調(diào)系統(tǒng)AMESim模型計(jì)算空調(diào)運(yùn)行能耗，為了保證計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，與測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

圖1 高速列車空調(diào)系統(tǒng)模型

圖2 列車運(yùn)行試驗(yàn)空調(diào)系統(tǒng)能耗計(jì)算誤差

能耗測試時(shí)間為2015年7月的八天，計(jì)算與結(jié)果對(duì)比如圖2所示，各工況誤差均在±10%以內(nèi)，說明本文采用的基于線路的列車空調(diào)能耗計(jì)算方法準(zhǔn)確可靠。

2 基于線路的高速列車空調(diào)能耗實(shí)例計(jì)算

為更清楚的闡述基于線路的列車空調(diào)能耗建模方法，選取主要在武廣線運(yùn)營的CRH3型動(dòng)車組進(jìn)行能耗計(jì)算分析，根據(jù)文獻(xiàn)[5]夏季標(biāo)準(zhǔn)日7月22日的氣象參數(shù)以及現(xiàn)行G1103次列車站點(diǎn)情況如表1所示，由于某些站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)缺失，選擇其中7個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行沿線氣象構(gòu)造。先采用線性內(nèi)插值法得到每個(gè)站點(diǎn)的氣象參數(shù)，再根據(jù)三次樣條插值原理，得到隨時(shí)間變化的沿線氣象參數(shù)曲線，如圖3-4所示。

表1 G1103次列車站點(diǎn)情況

圖3 列車沿線室外溫濕度

圖4 列車沿線太陽輻射

在LMS AMESim列車空調(diào)能耗計(jì)算模型中冷凝器模塊、蒸發(fā)器模塊以及負(fù)荷模塊中輸入以上曲線，由于武漢-廣州線路由北向南，假設(shè)列車從正北開向正南，車身兩側(cè)壁面及車窗輸入東西向的太陽輻射曲線，其余參數(shù)按設(shè)計(jì)值輸入[9]，計(jì)算所得G1103次列車空調(diào)運(yùn)行能耗如表2所示。

表2 G1103次列車空調(diào)運(yùn)行能耗

3 基于線路的高速列車空調(diào)能耗分析

3.1 發(fā)車時(shí)間對(duì)能耗計(jì)算結(jié)果的影響

現(xiàn)運(yùn)營的武廣線全天共有61趟不同發(fā)車時(shí)間的車次，發(fā)車時(shí)間改變會(huì)引起沿線天氣參數(shù)的變化，從而導(dǎo)致空調(diào)能耗的變化，除G1103次列車，選取在時(shí)間上有代表性的兩個(gè)車次，構(gòu)造沿線天氣曲線，比較其空調(diào)運(yùn)行能耗的差異，從表3可以看出，列車沿線室外氣象參數(shù)通過溫度、濕度及太陽輻射對(duì)列車空調(diào)能耗產(chǎn)生影響，由于G1013次列車運(yùn)行時(shí)間段室外溫度、太陽輻射都較高，所以空調(diào)運(yùn)行能耗最大，相比夜間行駛，無太陽輻射的G1141次列車而言，G1013次列車空調(diào)運(yùn)行能耗大17%左右。

表3 不同發(fā)車時(shí)間的列車空調(diào)運(yùn)行能耗

3.2 基于線路與固定地點(diǎn)的能耗比較

傳統(tǒng)仿真模擬時(shí)采用固定地點(diǎn)的天氣參數(shù)[6]，為了比較兩種方法計(jì)算的差異，又選取了南北方向跨度更大的京廣線（班次：G71，運(yùn)行時(shí)間：07:40～17:14）和東西方向滬漢蓉線（班次：D638，運(yùn)行時(shí)間：07:12～22:38）進(jìn)行計(jì)算，比較基于線路和固定于起點(diǎn)城市、終點(diǎn)城市以及中間城市的空調(diào)能耗計(jì)算結(jié)果，這里的分析忽略不同型號(hào)的動(dòng)車組間空調(diào)型號(hào)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等有差異，統(tǒng)一采用CRH3型動(dòng)車組模型進(jìn)行計(jì)算。

如表4所示，采用固定地點(diǎn)天氣參數(shù)計(jì)算的列車空調(diào)運(yùn)行能耗與實(shí)際沿線運(yùn)行能耗有一定誤差，僅用某一地點(diǎn)的天氣參數(shù)代替沿線天氣計(jì)算空調(diào)能耗是不準(zhǔn)確的。另一方面，兩條南北向的線路：武廣線和京廣線列車運(yùn)行空調(diào)能耗都體現(xiàn)出了相同的規(guī)律，沿線天氣能耗計(jì)算值介于起點(diǎn)城市、終點(diǎn)城市值之間，如圖5所示，這與我國的氣候分區(qū)規(guī)律是相符的，從北到南，夏季的沿線溫度與輻射值會(huì)呈現(xiàn)變大的趨勢，而東西向的規(guī)律并不明顯。

表4 基于線路和固定地點(diǎn)的空調(diào)運(yùn)行能耗

圖5 我國氣候分區(qū)圖

4 結(jié)論與不足

本文提出了一種基于線路的高速列車空調(diào)能耗計(jì)算方法，通過對(duì)武廣線列車空調(diào)能耗的計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)沿線站點(diǎn)氣象參數(shù)進(jìn)行插值得到僅與時(shí)間有關(guān)的沿線天氣參數(shù)曲線，基于此曲線進(jìn)行仿真模擬，可得到列車沿線空調(diào)運(yùn)行能耗。

（2）高速列車空調(diào)運(yùn)行能耗與發(fā)車時(shí)間有關(guān)，武廣線G1013次列車由于運(yùn)行時(shí)間段室外溫度、太陽輻射都較高，空調(diào)運(yùn)行能耗相比夜間行駛，無太陽輻射的G1141次列車高17%左右。

（3）采用固定地點(diǎn)天氣參數(shù)計(jì)算的列車空調(diào)運(yùn)行能耗與實(shí)際沿線運(yùn)行能耗有一定誤差，僅用某一地點(diǎn)的天氣參數(shù)代替沿線天氣計(jì)算空調(diào)能耗是不準(zhǔn)確的。

（4）南北向的武廣線和京廣線，基于線路的空調(diào)運(yùn)行能耗值，介于采用起點(diǎn)城市和終點(diǎn)城市天氣參數(shù)計(jì)算的空調(diào)能耗值之間，這與我國的氣候分區(qū)規(guī)律相符。

由于分析的線路有限，只能得出定性的結(jié)論，今后可以通過對(duì)多條列車線路空調(diào)運(yùn)行能耗的研究來得到定量的規(guī)律，為列車空調(diào)能耗的預(yù)測給出建議。

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Research on Air Conditioning Energy Consumption of High-speed Train Based on Railway Line Weather

Wan Ruiqi Bi Haiquan

( Mechanical Engineering of southwest jiaotong university, Chengdu, 610031 )

Consider the trains running on fixed line, the changes of weather along the railway line has an impact on air conditioning unit performance. Construct the railway line weather curve based on the standard daily hourly weather data, build high-speed train air-conditioning energy consumption calculation model by use of LMS AMESim platform, computes for CRH3 high-speed train air conditioning energy consumption which operating in the Wuhan-Guangzhou line, compares air conditioning energy consumption of different train trips, compares the air conditioning energy consumption calculate results between railway line weather method and traditional fixed location method.

railway line weather; high-speed train; air conditioning energy consumption; LMS AMESim

1671-6612（2016）06-634-04

U270.383

A

萬瑞琦（1991-），女，在讀碩士研究生，E-mail：332160323@qq.com

畢海權(quán)（1974-），男，博士研究生，教授，E-mail：bhquan@163.com

2016-02-18