上海軌道車輛空調(diào)供暖季負(fù)荷特性分析

吳楠楠，吳 妍，臧建彬

( 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804 )

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，地面交通狀況愈來愈擁擠。城市軌道交通因具有運(yùn)輸量大、快捷便利和舒適性高等優(yōu)勢，成為現(xiàn)代城市交通的重要組成部分。作為城市居民出行的主要交通工具，以空調(diào)系統(tǒng)為主的車輛輔助系統(tǒng)的能耗約占列車總能耗的30%～50%[1]。目前城市軌道車輛通過空調(diào)自帶電加熱配合車輛地板加熱實(shí)現(xiàn)冬季供暖，能效比小于1。本文基于傳熱學(xué)原理，結(jié)合上海地區(qū)氣象資料及上海軌道交通1號線客流量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對上海軌道交通1號線供暖季車輛空調(diào)實(shí)時(shí)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，并分析其特性，所得結(jié)果對于合理選擇上海乃至華東地區(qū)地鐵空調(diào)供暖方式、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及運(yùn)行都有一定的參考價(jià)值。

1 供暖季熱負(fù)荷計(jì)算依據(jù)及方法

根據(jù)《TB/T 1957-91鐵路空調(diào)客車熱工計(jì)算方法》[2]，城市軌道交通車輛供暖季熱負(fù)荷可表示為：

QS=Q1+Q2-Q3-Q4

(1)

式中：QS—地鐵車輛供暖季熱負(fù)荷，kW；

Q1—通過車體隔熱壁損失的熱量，kW；

Q2—加熱送入車內(nèi)新鮮空氣所需熱量，kW；

Q3—乘客的散熱量，kW；

Q4—機(jī)電設(shè)備散熱量，kW。通常被當(dāng)作安全儲備熱，在計(jì)算中不予考慮。

其中，加熱送入車內(nèi)新鮮空氣所需熱量按下式計(jì)算：

Q2=VA·ρ·CP·△tAB

(2)

式中：VA—新風(fēng)量，m3/h；供暖季供給每人的新鮮空氣量為20m3/h[3〗。

ρ—新鮮空氣密度，kg/m3；

CP—新鮮空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；

△tAB—列車內(nèi)、外溫差，℃。

乘客散熱量計(jì)算方式如下：

Q3=0.955·n·q

(3)

式中：n—載客量，人；

Q—平均每人散發(fā)的熱量，根據(jù)文獻(xiàn)[3]取值。

結(jié)合列車發(fā)車時(shí)間、車內(nèi)人員情況以及車外實(shí)時(shí)氣象參數(shù)等實(shí)時(shí)參數(shù)對供暖季實(shí)時(shí)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)，以列車發(fā)車時(shí)刻的車外氣象參數(shù)作為室外計(jì)算溫度，發(fā)車時(shí)車內(nèi)的乘客數(shù)為此時(shí)的載客量，根據(jù)載客量及車外溫度的實(shí)時(shí)變化，進(jìn)行實(shí)時(shí)熱負(fù)荷計(jì)算。

2 計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.1 列車基礎(chǔ)信息

2.2 供暖季車內(nèi)外空氣計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《TB/T 1951-87客車空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)》可知，供暖季列車內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18℃[3]。利用典型年氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，上海供暖季為11月3日～3月30日[4]。圖1為供暖季中列車運(yùn)營時(shí)間的逐時(shí)溫度，單日最低溫-4.48℃，出現(xiàn)在12月20日，將其定義為典型日。對供暖季列車運(yùn)營時(shí)段逐時(shí)溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。供暖季氣溫集中在0～18℃，占整個供暖季的93.42%。

圖1 供暖季列車運(yùn)營時(shí)段車外逐時(shí)溫度

表1 上海供暖季車外氣溫統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 工作日列車載客量

圖3 非工作日載客量變化

2.3 實(shí)時(shí)載客量

選取某趟列車的一節(jié)車廂，將列車在每一站發(fā)車時(shí)的車廂內(nèi)人數(shù)定義為該站點(diǎn)的載客量，從始發(fā)站開始進(jìn)行實(shí)時(shí)載客量統(tǒng)計(jì)，直至列車到達(dá)終點(diǎn)站。工作日與非工作日的載客量呈現(xiàn)不同規(guī)律，如圖2、3所示[5]。工作日載客量高、低峰明顯，高峰出現(xiàn)在出行早高峰08∶00，峰值一度接近AW2(額定荷載即每節(jié)車廂310人)工況。低峰出現(xiàn)在22∶00，與高峰載客量差異較大。非工作日各時(shí)刻載客量相對平穩(wěn)，無明顯峰值。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 供暖季實(shí)時(shí)負(fù)荷

供暖季列車實(shí)時(shí)熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖4所示，其中橫軸為日期，縱軸為列車發(fā)車時(shí)刻，豎軸為計(jì)算所得的熱負(fù)荷。從圖4可以得出以下結(jié)論：

(1)受到室外氣溫變化的影響，整個供暖季的熱負(fù)荷變化大致呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。由于載客量的變化，使得熱負(fù)荷非連續(xù)增減。

圖4 供暖季實(shí)時(shí)熱負(fù)荷

(2)供暖季熱負(fù)荷峰值出現(xiàn)在12月20日8∶00，最大熱負(fù)荷為39.37kW。除室外氣溫的影響外，還因?yàn)榇藭r(shí)為早高峰，列車載客量大，所需新風(fēng)量大，故而熱負(fù)荷達(dá)到供暖季峰值。

(3)對比不同列車發(fā)車時(shí)刻的熱負(fù)荷變化情況，8∶00負(fù)荷變化差異最為顯著，22∶00負(fù)荷變化最為平穩(wěn)。因?yàn)楣ぷ魅?∶00發(fā)車的列車處于載客量變化顯著的高載客量工況，而22∶00發(fā)車的列車處于平穩(wěn)的低載客量工況。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 供暖季負(fù)荷特性分析

深圳作為全國加快實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度試點(diǎn)城市，圍繞最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”，把生態(tài)文明建設(shè)放在突出地位，創(chuàng)新管理理念，突出用水總量“控”、水資源配置“優(yōu)”、節(jié)水管理“全”、非常規(guī)水資源利用“新”、水生態(tài)保護(hù)“實(shí)”、河道排水設(shè)施監(jiān)管“嚴(yán)”的理念，取得了一定成效，較好提升了城市生態(tài)品質(zhì)，保障了深圳“有質(zhì)量的穩(wěn)定增長，可持續(xù)的全面發(fā)展”。

結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果，將供暖季熱負(fù)荷分為8個區(qū)間。雖然供暖季最大熱負(fù)荷達(dá)到39.37kW，但僅出現(xiàn)在12月20日早高峰。由圖5可知，35kW以上的熱負(fù)荷時(shí)間頻率僅為整個供暖季的0.07%，主要出現(xiàn)在室外氣溫最低的12月20日這一天和12月中其他氣溫較低的時(shí)刻。25kW以上的熱負(fù)荷時(shí)間頻率僅占供暖季的0.53%，出現(xiàn)在12月下旬和1月中上旬。結(jié)合表2可發(fā)現(xiàn)，供暖季熱負(fù)荷主要集中在20kW以下，占據(jù)整個供暖季的97.3%。

表2 上海供暖季列車空調(diào)熱負(fù)荷時(shí)間頻數(shù)

圖5 熱負(fù)荷時(shí)間頻數(shù)曲線

另外，對供暖季各月列車空調(diào)熱負(fù)荷累積值進(jìn)行了分析，結(jié)果如表3所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，十二月、一月和二月三個月的累積熱負(fù)荷占供暖季總熱負(fù)荷的80.63%。其中，因?yàn)橐辉率彝馄骄鶞囟茸畹?，所以一月的累積熱負(fù)荷最大為34.43%，十二月和二月累積熱負(fù)荷比例相近。

表3 供暖季各月列車空調(diào)熱負(fù)荷累積值比例關(guān)系

3.2.2 典型日負(fù)荷特性分析

在對整個供暖季的熱負(fù)荷特性進(jìn)行了分析之后，接下來對典型日的逐時(shí)空調(diào)熱負(fù)荷進(jìn)行分析。將達(dá)到最大熱負(fù)荷的12月20日定義為典型日，典型日負(fù)荷的計(jì)算可以體現(xiàn)熱負(fù)荷的組成情況，分析出最大熱負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間和原因。

熱負(fù)荷由車體散熱負(fù)荷、乘客散熱和新風(fēng)加熱負(fù)荷三部分組成。典型日逐時(shí)負(fù)荷變化曲線如圖6所示。從圖6我們可以看出，車體散熱負(fù)荷隨著室外溫度的升高而減小，在室外溫度最低時(shí)，車體散熱負(fù)荷最大。載客量與乘客散熱和新風(fēng)負(fù)荷顯著相關(guān)，在一天中受到出行早、晚客流高峰的影響，實(shí)時(shí)熱負(fù)荷在一天中會出現(xiàn)兩個高峰，分別在8∶00和18∶00。其中8:00熱負(fù)荷峰值漲幅顯著，18∶00熱負(fù)荷峰值不顯著。22∶00熱負(fù)荷相對穩(wěn)定，波動較小，因?yàn)榇藭r(shí)載客量較為平穩(wěn)。

圖6 典型日不同發(fā)車時(shí)刻的實(shí)時(shí)負(fù)荷

對最大熱負(fù)荷進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在早上8∶00的早高峰時(shí)段。此時(shí)載客量為最大值308人，室外溫度為-3.24℃。表4為最大熱負(fù)荷的組成情況，其中新風(fēng)加熱負(fù)荷占比最大。為了更加直觀的體現(xiàn)各部分負(fù)荷的占比情況，將表4中的數(shù)據(jù)整理成圖7。從圖7可見，新風(fēng)加熱負(fù)荷占比高達(dá)74.65%。

表4 最大熱負(fù)荷組成情況

4 結(jié)論

本文基于傳熱學(xué)原理，結(jié)合上海地區(qū)氣象資料及上海軌道交通1號線客流量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對上海軌道交通1號線供暖季車輛空調(diào)實(shí)時(shí)負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)受到室外氣溫變化的影響，供暖季的熱負(fù)荷變化大致呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

圖7 最大負(fù)荷組成比例

(2)供暖季熱負(fù)荷主要集中在20kW以下，占據(jù)整個供暖季的97.3%。35kW以上的熱負(fù)荷時(shí)間頻率僅為整個供暖季的0.07%，僅出現(xiàn)在極端氣候與高峰客流量時(shí)。

(3)十二月、一月和二月三個月的累積熱負(fù)荷占供暖季總熱負(fù)荷的80.63%。

(4)室外溫度是車體散熱負(fù)荷的主要影響因素，而載客量與乘客散熱和新風(fēng)負(fù)荷顯著相關(guān)。受出行早、晚客流高峰的影響，實(shí)時(shí)熱負(fù)荷在一天中會出現(xiàn)兩個高峰，并且逐時(shí)熱負(fù)荷變化規(guī)律與載客量變化規(guī)律相近。

(5)對最大熱負(fù)荷進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，新風(fēng)加熱負(fù)荷占總熱負(fù)荷的74.65%。

本文計(jì)算數(shù)據(jù)雖然基于上海軌道交通1號線，但計(jì)算及分析方法可適用于其他軌道交通線路。本文得出的供暖季熱負(fù)荷的分布特性，對合理選擇華東地區(qū)地鐵空調(diào)供暖方式具有一定的指導(dǎo)意義，并可對現(xiàn)階段的低能效電加熱供暖方式進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)，以達(dá)到高效節(jié)能的目的。

參考文獻(xiàn)：

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