西北地區(qū)某列車整備庫冬季供暖情況實測研究

林琳，項翔堅，張濤，劉曉華

近年來，我國鐵路建設飛速發(fā)展，截止到2016年，鐵路運營里程已達12.4萬 km[1]。隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推動實施，鐵路作為重要的基礎(chǔ)設施將獲得更進一步的快速發(fā)展。鐵路建設的迅猛發(fā)展使得與之配套的附屬建筑也迅速發(fā)展，鐵路站房、車輛段用房等相關(guān)配套設施建設也如火如荼。在配套建筑中，高大廠房、庫房等占到了總建筑面積的一半以上。此類建筑承擔著列車維護、檢修等重要輔助功能，其室內(nèi)舒適熱環(huán)境的營造尤為重要。對于位于嚴寒、寒冷地區(qū)的鐵路配套庫房，由于室外環(huán)境的影響，冬季采暖負荷占到建筑能耗的主要部分。如何較好地滿足其室內(nèi)熱環(huán)境需求、降低此類建筑的冬季采暖能耗是亟需解決的重要難題。鐵路庫房等建筑的采暖系統(tǒng)形式、運行管理情況與一般工業(yè)建筑存在較大差異。鐵路工程廠房面積較大，高度較高，建筑內(nèi)部發(fā)熱量小，大門開啟時間較長，同時列車進出還會帶入吸熱物體，導致冷風侵入[2-7]，這些特點使得廠房的熱負荷大，熱環(huán)境較難保證。此類建筑通常采用散熱器與熱風機聯(lián)合供暖的方式[8-11]，這種方式具有熱惰性小、升溫快、設備簡單和投資低的特點，但豎直方向仍有較大的溫度梯度。同時為了減少列車進出時的冷風侵入，有的庫房會在大門上方布置橫向熱風幕[12]，在列車進出時開啟，以阻隔冷空氣入侵。楊秀娟[13]對目前高大空間地鐵車庫主要采用的“散熱器+暖風機”系統(tǒng)和“燃氣輻射供暖”這2種供暖方式進行了對比，通過對實際工程案例的分析，提出大空間地鐵車庫應根據(jù)工藝的不同采用不同的供暖方式。黃保民[14]采用計算流體動力學和數(shù)值傳熱學對某鐵路檢修庫進行了模擬計算，通過建立多個采用不同供暖系統(tǒng)形式模型并對模擬結(jié)果對比分析，最終認為“燃氣輻射采暖系統(tǒng)+檢查溝散熱器+暖風吹車系統(tǒng)”是滿足工藝要求并且節(jié)能的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)和運行方案。本文對我國西北地區(qū)兩處典型列車運用整備庫的冬季供暖情況進行介紹，詳細闡述冬季室內(nèi)熱環(huán)境、風環(huán)境以及供暖系統(tǒng)的運行狀況，為提出降低其供暖能耗的切實途徑提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 測試概況

測試建筑位于我國西北地區(qū)，地處青藏高原河湟谷地。2處列車運用整備庫位于同一車輛段內(nèi)，外觀、結(jié)構(gòu)基本相同，其中運用整備1庫(以下簡稱1庫)建成于2013年，建筑面積11 290 m2；運用整備 2庫(以下簡稱 2庫)建成于 2015年，建筑面積11 549 m2。2處廠房軸向長度達528 m，可停靠19節(jié)長度為26 m的標準列車；橫向跨度均為21 m，高度8.5 m。2庫窗墻比均為0.2。建筑基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個整備庫有3扇5.5 m×4.2 m(高×寬)的大門，分別對應3條客車整備停車檢修線，線路中心距6 m。客車進出由柴油機車驅(qū)動，客車入庫后機車離開，在庫中由作業(yè)人員進行檢修、清洗等整備工作，作業(yè)時間從5 h至數(shù)天不等。

圖1 列車運用整備庫現(xiàn)場圖Fig. 1 Photos of railway depots

整備庫采暖熱媒為熱水，由車輛段內(nèi)鍋爐房提供，1庫設計供回水溫度為90/65 ℃，2庫為85/60℃。2庫的室內(nèi)采暖末端均為散熱器、熱風機和熱風幕3種形式的組合，如圖2所示。東側(cè)每扇大門上方設置2臺熱風幕。南北外墻內(nèi)側(cè)分散布置散熱器和熱風機(安裝高度約為 3 m)，采暖系統(tǒng)室內(nèi)管道均不設置保溫。設計工況下，熱風幕開閉與大門開閉聯(lián)動。1庫和2庫的室內(nèi)末端裝置如表1所示，設計工況下 1庫采暖末端單位面積總供熱能力為159.1 W/m2，2 庫為 229.2 W/m2。

圖2 整備1庫室內(nèi)采暖末端裝置局部圖Fig. 2 Indoor heating device of depot No.1

表1 2庫設計參數(shù)Table 1 Parameters of the design of the two depots

2 采暖系統(tǒng)測試

于2017年1月份進行測試，室外溫度在-14～7℃。實際運行時，熱風機基本不開啟。分別對2處庫房不同位置全天溫度、垂直鐵軌方向溫度以及熱風機運行效果進行了測試，以下分別介紹采暖水系統(tǒng)及室內(nèi)熱環(huán)境的測試結(jié)果。

2.1 采暖水系統(tǒng)測試

測試期間鍋爐采取間歇運行策略，1 d運行14 h，開啟的時間段為1:00～3:00，6:30～10:30，13:00～16:00和18:00～23:00。對2庫的供暖系統(tǒng)供、回水溫度進行測試，結(jié)果如圖3所示，可以看出，供、回水溫度的波動與鍋爐的啟停時間相一致。鍋爐穩(wěn)定運行階段，水溫呈現(xiàn)周期性波動。其中1庫供水溫度為75 ℃左右，熱風機回水溫度為60 ℃左右，散熱器為53 ℃左右。2庫的供水溫度為70 ℃左右，熱風機回水溫度為 57 ℃左右，散熱器回水溫度為43 ℃左右。

圖3 2庫南側(cè)供回水溫度Fig. 3 Southern-side temperatures of supply and return water of the two depots

測試中發(fā)現(xiàn)，庫內(nèi)熱風機雖未運行，仍存在10℃左右的供回水溫差，這是由于管道未做保溫，熱量通過自然對流散出造成的。而1庫散熱器供回水溫差為20 ℃左右，2庫為27 ℃左右。

2.2 室內(nèi)不同高度的溫度分層

列車整備庫是典型的高大空間，為了測試庫內(nèi)不同位置的空氣溫度，在2庫內(nèi)3處位置分別布置溫度測點，如圖4所示，每個位置在豎直方向布置5個溫度探頭，高度分別為 0.6，2.5，4.0，5.5和7.0 m。對各測點的溫度進行監(jiān)測，即可得到庫內(nèi)全天溫度變化情況，2庫測試期間室外空氣參數(shù)相近。

測試期間，1庫大門夜間及上午10:45～11:45處于關(guān)閉狀態(tài)，其余大部分時間開啟。室內(nèi)不同位置、不同高度處的溫度測試結(jié)果如圖5所示，可以看出，在現(xiàn)有散熱器供暖方式下，室內(nèi)水平、豎直方向溫度分布不均勻：門口位置受冷風侵入的影響較大，整體溫度遠低于其余區(qū)域，全天溫度在-1.4～13.5℃之間波動，其中，早晨大門開啟后，由于室外溫度較低，室內(nèi)空氣溫度甚至可達0 ℃以下；而1庫中間位置全天溫度在5.1～16.4 ℃之間波動，中心處溫度略低于南側(cè)位置；庫內(nèi)垂直方向溫度梯度為1～7℃，中間位置相對于靠近門口處與靠里處垂直溫度梯度偏大。整體來看，1庫人員活動區(qū)域空氣溫度低于設計要求。

圖4 整備1庫平面布置示意圖Fig. 4 Layout schematic illustration of depot No.1

圖5 室內(nèi)空氣溫度測試結(jié)果Fig. 5 Results of depots’ room temperature

在該庫測試期間，2庫大門夜間處于關(guān)閉狀態(tài)，白天則頻繁開閉。測試的結(jié)果如圖5所示，可以看出，門口位置受冷風侵入的影響較大，全天溫度在2.9～20.6 ℃之間波動。而該庫中間位置全天溫度在14.6～25.7 ℃之間波動，中心處溫度略高于南側(cè)位置。大庫中間位置在夜間幾乎沒有垂直方向的溫度梯度，白天開啟大門后溫度梯度為3～6 ℃?？拷T口處垂直方向全天溫度梯度為1～11 ℃。整體來看，除大門附近區(qū)域，2庫人員活動區(qū)域空氣溫度基本滿足設計要求。

2.3 室內(nèi)跨度方向溫度分布

由于庫內(nèi)采暖僅依靠南、北墻下部的散熱器，而大庫跨度較大，為了測試散熱器的作用范圍及效果，在2庫中部區(qū)域1.5 m高度處沿南北方向均勻布置了 10個溫度測點，對垂直鐵軌方向的溫度進行測試，測試結(jié)果如圖6所示。從測試結(jié)果可以看出，庫內(nèi)南北側(cè)垂直鐵軌方向的溫度基本對稱，中間位置比靠近散熱器處溫度低3 ℃左右。

圖6 2庫垂直鐵軌方向溫度分布Fig. 6 Temperature distribution in the direction perpendicular to rail

2.4 熱風機運行效果測試

2庫的熱風機均沿南、北墻布置在3 m高度處，百葉風口方向向下，不可調(diào)節(jié)，實際運行時基本不開啟。選取2庫可正常運行的熱風機，對其實際運行效果進行測試，見圖 7(a)。選取的熱風機位于 2庫北側(cè)中間區(qū)域，熱風機附近無檢修步道遮擋，相鄰軌道無列車停留。結(jié)果如圖7(b)和7(c)所示，由于熱風機百葉風口方向向下，在開啟熱風機后，熱風機下方小范圍區(qū)域溫度升高，但水平方向影響范圍很小，對相鄰鐵軌處溫度影響很小。

圖7 熱風機測試測點布置及結(jié)果Fig. 7 Gauging points and testing results of auxiliary heater

2.5 大門冷風侵入及熱風幕作用效果測試

為了防止車輛進出、大門開啟時的冷風侵入，在大庫每扇大門上方設置2臺熱風幕，設計工況下，熱風幕與大門開關(guān)聯(lián)動，僅在大門開啟時開啟。而實際運行時，大庫大門長時間開啟，而熱風幕手動控制，通常全天開啟。本文針對大門、熱風幕不同開閉模式下的室內(nèi)熱環(huán)境及冷風侵入情況進行測試，此處以2庫的測試結(jié)果為例進行說明。

2庫大門由南到北分別編號為門4～門6，在不同工況下對大門正下方 1.5 m高度處溫度進行測試，結(jié)果如圖8(a)所示，可以看出關(guān)閉大門可有效提高門口溫度。針對門6和其對應的熱風幕進行調(diào)節(jié)，圖8(b)給出了與門6對應的軌道不同進深處1.5 m高度處溫度測試結(jié)果。結(jié)果顯示，在同樣的熱風幕運行情況下，關(guān)閉大門可將近門處溫度提高8～16℃。若大門關(guān)閉，打開熱風幕可減少冷風侵入，將近門處溫度提高，而當大門開啟時，可看出熱風幕的啟停并無明顯影響。熱風幕開啟、關(guān)閉時，測得大門區(qū)域滲風風速無明顯變化，因此認為熱風幕對阻擋冷風侵入沒有明顯的效果。由測試結(jié)果可知，在無列車進出時關(guān)閉大門是提高室內(nèi)溫度的最有效的方式。

圖8 大門冷風侵入及熱風幕作用效果測試結(jié)果Fig. 8 Testing results of cold air intrusion and hot air curtain effect

3 采暖系統(tǒng)測試結(jié)果分析

3.1 2庫性能對比

運用整備1庫于2013年投入使用，2庫于2015年投入使用，相對于1庫，2庫的使用時間較短，采暖系統(tǒng)運行情況也更優(yōu)。取2庫中心2.5 m高度處溫度進行對比，由圖5可以看出，2庫的溫度明顯高于1庫，2庫的溫差在2～12 ℃之間波動。

經(jīng)測試，認為2庫溫度差異的主要原因為運行模式、圍護結(jié)構(gòu)與設備的不同。

3.1.1 運行模式

運行時1庫大門在白天基本常開，而2庫頻繁開閉。因此，2庫通過大門的冷風侵入量低于1庫。

3.1.2 圍護結(jié)構(gòu)

2庫均為門式鋼架結(jié)構(gòu)建筑，南、北兩側(cè)墻上開有大面積玻璃窗，庫頂側(cè)邊設有天窗，其中2庫的南側(cè)墻上窗戶均封死，不能開啟。測試中發(fā)現(xiàn)，1庫的建筑氣密性較差，多處側(cè)窗、天窗戶無法完全關(guān)閉，墻上有多處孔洞未封死，冷風侵入較為嚴重。

3.1.3 采暖設備

2庫散熱器的區(qū)別如表2所示。1庫所用散熱器為傳統(tǒng)的鑄鐵散熱器，面積較小，而2庫為鋼制散熱器，面積較大；且2庫散熱器設計工況供熱能力優(yōu)于1庫；測試時2庫散熱器的供回水溫差比1庫大，散熱器運行效果較好。

表2 2庫散熱器對比Table 2 Contrast of two depots’ radiators

3.2 供暖耗熱量分析

列車整備庫的熱負荷主要來自圍護結(jié)構(gòu)散熱、滲風、列車放熱負荷等，如式(1)～(2)。

式(1)中：Q為整備庫總散熱量，W；Q圍護結(jié)構(gòu)為通過圍護結(jié)構(gòu)的散熱量，W；Q滲風為由滲風導致的散熱量，W；Q其他包括車體等蓄熱物體帶來的負荷，但測試時發(fā)現(xiàn)，列車進庫時表面溫度差異很大，且入庫后車內(nèi)供暖系統(tǒng)開啟，車底也存在發(fā)熱設備，因此車體放熱的負荷并不顯著，這里不考慮在內(nèi)。式(2)中：Q墻體，Q外窗，Q屋面和Q天窗分別為通過墻體、外窗、屋面和天窗的散熱量，W。

圖9 車體紅外熱像圖Fig. 9 Infrared thermogram of the body of the car

根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)的傳熱性能參數(shù)及測試得到的滲風量，可以對2庫的熱負荷進行拆分。Q圍護結(jié)構(gòu)中各項散熱量計算公式如式(3)所示，滲風導致的散熱量計算如式(4)所示。

式中：Qx為各項圍護結(jié)構(gòu)散熱量，W；Kx為圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Ax為圍護結(jié)構(gòu)的面積，m2；tx為圍護結(jié)構(gòu)的溫度，℃；tw為室外溫度，℃。

式中：G為滲風量，m3/h；ρ為空氣密度，kg/m3；c為空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；tn為室內(nèi)空氣溫度，℃。

圖10 2庫熱量拆分結(jié)果Fig. 10 Results of heat partition

圖10 (a)為1庫的耗熱量組成結(jié)果，可以看出，白天大門開啟時，滲風占到負荷的主要部分，尤其是早上和傍晚階段，室外溫度較低，大門開啟帶來的滲風負荷可達1 500 kW以上。而在圍護結(jié)構(gòu)的傳熱中，由于建筑窗墻比較大，通過窗戶的傳熱占到了圍護結(jié)構(gòu)傳熱的50%以上。對1庫水系統(tǒng)各流量進行測試，并根據(jù)各處水溫測試結(jié)果，可以計算全天1庫總耗熱量為105.3 GJ，平均為108.0 W/m2，而負荷拆分計算得到的全天總耗熱量為99.1 GJ，平均為101.5 W/m2，誤差為4%。

類似的，也可對2庫的全天熱負荷進行估算，結(jié)果如圖10(b)所示。負荷拆分計算得到的全天總耗熱量為90.9 GJ，平均為93.1 W/m2。

熱量拆分結(jié)果表明滲風占到負荷的主要部分，因此減小滲風量則是降低兩庫熱負荷的有效途徑。同時維護結(jié)構(gòu)中透過窗的傳熱占比較大，在保證采光與通風的情況下降低窗墻比也可以降低2庫的熱負荷。

4 結(jié)論

1) 實際運行中室內(nèi)供暖僅采用散熱器，熱風機基本不開啟。建筑大門白天長時間開啟，而大門熱風幕也全天連續(xù)運行。2庫的室內(nèi)采暖設計溫度為16 ℃，對室內(nèi)環(huán)境進行測試發(fā)現(xiàn)，1庫的室溫低于設計要求，2庫除大門附近區(qū)域外，室溫基本達標。同時，2庫室內(nèi)垂直方向均存在較大的溫度梯度。測試結(jié)果表明熱風機的運行效果并不顯著，熱風作用范圍過小，可以考慮調(diào)整熱風機位置，設置在大庫中間離散熱器較遠的區(qū)域，提高局部溫度。

2) 對大門、熱風幕不同開閉模式下的室內(nèi)熱環(huán)境及冷風侵入情況進行測試，結(jié)果表明，在無列車進出時關(guān)閉大門是減少冷風侵入，提高室內(nèi)溫度的最直接方式。而大門開啟時，熱風幕對冷風侵入的阻擋效果不明顯，僅有送風口下方區(qū)域溫度有所升高。

3) 對供暖耗熱量進行拆分發(fā)現(xiàn)，大門開啟時，滲風占到負荷的主要部分，尤其是早上和傍晚階段，室外溫度較低，大門開啟帶來的滲風負荷可達1 500 kW以上。而在圍護結(jié)構(gòu)的傳熱中，由于建筑窗墻比較大，通過窗戶的傳熱占到了圍護結(jié)構(gòu)傳熱的50%以上。

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