青藏線列車上座率對空調(diào)與制氧能耗的影響研究

趙興杰，王 燁，2

(1.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 鐵道車輛熱工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

青藏鐵路列車由于沿線環(huán)境條件惡劣[1],乘客的生理健康面臨空氣新鮮度和氧含量兩方面的影響,因此對列車的新風(fēng)與供氧系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力提出了更高的挑戰(zhàn)[2],以適應(yīng)沿線環(huán)境條件對車內(nèi)環(huán)境品質(zhì)及舒適性的影響[3]。合理的新風(fēng)量可有效改善車內(nèi)空氣品質(zhì),并降低列車能耗[4]。文獻(xiàn)[5]對青藏線空調(diào)列車沿線車內(nèi)CO2濃度的空間分布與遷移特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]采用人員密度估計(jì)模型,計(jì)算公共建筑內(nèi)人員動態(tài)負(fù)荷,并提出不同人員密度時(shí)的新風(fēng)量與空調(diào)末端控制方案。文獻(xiàn)[7]利用Simulink仿真,基于地鐵站內(nèi)人員流動控制新風(fēng)閥門開度調(diào)節(jié)新風(fēng)量,能夠有效降低新風(fēng)負(fù)荷。運(yùn)行在高海拔地區(qū)的列車引入新風(fēng)量不僅能夠降低CO2濃度,還對車內(nèi)氧含量起到稀釋作用,文獻(xiàn)[8]就此問題從節(jié)能和確?？諝馄焚|(zhì)的角度提出一種滿員情況下新風(fēng)量隨車外氣象參數(shù)在夏季沿線(格拉段)變化的動態(tài)調(diào)節(jié)新思路。文獻(xiàn)[9]以海拔最大的唐古拉山站冬季氣象參數(shù)為基礎(chǔ),提出一種滿員情況下新風(fēng)系統(tǒng)和供氧系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的變頻模式,在保證CO2濃度不超標(biāo)的情況下可有效降低空調(diào)及制氧系統(tǒng)的能耗。但目前針對高原列車空調(diào)與供氧系統(tǒng)的研究主要集中在制氧模式的選擇[9-10]、供氧方式的探討[11-12]、環(huán)境品質(zhì)的監(jiān)測[13-14]、低壓環(huán)境人體舒適度的調(diào)查[15-17]以及車內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)的研究[18-19],考慮乘客不同上座率情況下新風(fēng)量和送風(fēng)參數(shù)對列車空調(diào)與制氧能耗影響以及就座位置對車內(nèi)環(huán)境參數(shù)的影響研究,尚未見報(bào)道。本文對青藏線空調(diào)列車夏季重要站點(diǎn)車內(nèi)溫度和CO2分壓力進(jìn)行數(shù)值分析,對送風(fēng)參數(shù)和新風(fēng)量進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控,以獲得不同乘客上座率時(shí)滿足舒適性與衛(wèi)生條件下的最低能耗控制方案。

1 物理模型與數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

車體長×寬×高為25 500 mm×3 105 mm×2 500 mm,共設(shè)10組桌椅,定員98人[20]。車廂兩側(cè)共10組車窗,長寬均為1 050 mm。列車內(nèi)氣流組織采用車頂矩形送風(fēng)口送風(fēng)、車門回風(fēng)形式。車內(nèi)陳設(shè)和送、回風(fēng)口均關(guān)于車廂橫向中截面對稱,為減小計(jì)算量,采用半截車廂作為計(jì)算區(qū)域,物理模型如圖1所示。

圖1 車體物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

車廂內(nèi)氣流組織是強(qiáng)迫對流與自然對流的混合對流換熱過程,屬于湍流流態(tài)?？紤]RNGk-ε模型對高雷諾數(shù)與低雷諾數(shù)均有較高的適用性[21],并且計(jì)算精度高,因此,本文選取RNGk-ε湍流模型求解車廂內(nèi)的流動與傳熱過程。描述流動與傳熱的通用控制方程為

(1)

式中:Γ為擴(kuò)散系數(shù);φ為通用變量,其含義與其余相關(guān)系數(shù)見文獻(xiàn)[22]。

1.3 假定條件與邊界條件

為便于計(jì)算,作以下假設(shè):①車內(nèi)空氣流動為三維穩(wěn)態(tài)湍流,且空氣為不可壓縮氣體,密度變化采用Boussinesq假設(shè),車內(nèi)氣壓與環(huán)境壓力近似一致[16];②空氣為輻射透明介質(zhì),車廂內(nèi)壁面、桌椅、乘客表面為漫輻射灰體。

邊界條件:

(1)入口邊界:矩形送風(fēng)口作為速度入口邊界;u=0,v=0,w=-1.0 m/s,根據(jù)上座率調(diào)節(jié)各工況的計(jì)算參數(shù);湍流動能及湍流動能耗散率取值為[22]k=0.004,ε=0.000 8。

(2)出口邊界:以車廂前后端門作為計(jì)算區(qū)域的出口邊界,P=Pout,?k/?y=0,?ε/?y=0,其中Pout為外部環(huán)境壓力。

(3)熱源邊界:人體散熱量是列車得熱量的重要組成部分。單節(jié)車廂定員98人,分別按40%、60%、80%和100%上座率進(jìn)行計(jì)算,散熱量取116 W/人[23],按面熱源平均分配到人體模型表面。

(4)壁面邊界:車廂端面、中截面、行李架及車內(nèi)陳設(shè)為絕熱邊界,空氣與固體接觸面采用速度無滑移條件;選取夏季運(yùn)行周期最長的Z264次列車為研究對象,考慮車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)對太陽輻射熱傳遞過程的衰減、延遲效應(yīng),采用非穩(wěn)定傳熱計(jì)算方法[24]得到不同時(shí)刻車體及車窗的內(nèi)壁面溫度。以供氧區(qū)段中海拔最高的安多站和沿線外氣溫度Tw最低的五道梁站為典型計(jì)算站點(diǎn),列車行經(jīng)此2站點(diǎn)時(shí)其內(nèi)壁面溫度(表1)作為數(shù)值求解的壁面邊界條件,各壁面凈輸入熱量及熱源散熱量見表2,表2中數(shù)據(jù)前的負(fù)號表示熱量自車內(nèi)傳向車外。由總熱量數(shù)值可知,無論是冬季還是夏季車內(nèi)均需要空調(diào)提供冷負(fù)荷。

表1 列車內(nèi)壁面溫度

表2 列車各項(xiàng)得熱量 W

(5)人體呼吸邊界:人體呼吸作用是車內(nèi)CO2的主要來源,乘客的CO2產(chǎn)生量取18 L/(h·人)[5]。

(6)環(huán)境條件:列車行經(jīng)安多站和五道梁站時(shí)車外溫度、大氣壓力、大氣中氧濃度值見表3。

表3 車外環(huán)境參數(shù)值

2 數(shù)值求解方法

2.1 網(wǎng)格劃分

對計(jì)算區(qū)域中的網(wǎng)格劃分采取車身整體劃分、局部加密的方式,采用三套網(wǎng)格(1 897 293、2 474 927、3 852 856)劃分計(jì)算區(qū)域。計(jì)算結(jié)果表明所得數(shù)值解是網(wǎng)格獨(dú)立的,因此后續(xù)計(jì)算選用的網(wǎng)格數(shù)為2 474 927。

2.2 數(shù)值方法

求解控制方程時(shí)采用SIMPLE算法處理速度/壓力耦合問題[21],梯度項(xiàng)采用Green-gauss Cell Based格式離散;動量方程、能量方程、湍流動能方程、湍流動能耗散率方程、組分輸運(yùn)方程均采用二階迎風(fēng)格式離散。求解控制方程時(shí)的收斂條件與文獻(xiàn)[5]相同。

3 計(jì)算結(jié)果及討論

前期的研究內(nèi)容集中在青藏線列車滿員狀態(tài)下途經(jīng)各站點(diǎn)時(shí)車內(nèi)溫度場、速度場[19,22]、污染物濃度場[5]的變化,得到不同氣象參數(shù)條件下滿足車內(nèi)乘客舒適度的最佳送風(fēng)參數(shù)。針對Z264次列車夏季行經(jīng)高原地區(qū)安多站時(shí)不同上座率狀態(tài)下車內(nèi)溫度、CO2含量進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,以我國現(xiàn)行鐵路運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1932—2014《旅客列車衛(wèi)生及檢測技術(shù)規(guī)定》[25]中規(guī)定的空調(diào)列車車內(nèi)溫度(夏季溫度大于26 ℃,冬季溫度大于20 ℃)為控制目標(biāo),采用集總參數(shù)法建立車內(nèi)能量平衡模型

(2)

式中:U為車內(nèi)空氣熱力學(xué)能,J;τ為時(shí)間;QR為乘客散熱量,W;QXF為新風(fēng)負(fù)荷,W;R為透過車窗的太陽輻射熱量,W;αn為車廂內(nèi)壁面對流換熱系數(shù),W/(m2·K);Ti為車廂內(nèi)壁面溫度,K;Tn為車內(nèi)空氣溫度,K;A為車廂內(nèi)壁面面積,m2;QPF為排風(fēng)帶走的熱量,W。

關(guān)于高原地區(qū)CO2濃度范圍的要求暫無依據(jù)可循,文獻(xiàn)[25]中僅針對平原地區(qū)做了規(guī)定(≤0.15%),航天領(lǐng)域的CO2最佳推薦值(500 Pa分壓力)相較于文獻(xiàn)[25]明顯偏高,因此參考平原地區(qū)的分壓標(biāo)準(zhǔn)152 Pa(平原地區(qū)0.15%濃度下的分壓力)作為高原地區(qū)車內(nèi)CO2分壓力限值較為合理。CO2分壓力PCO2計(jì)算公式為

PCO2=PA·yCO2

(3)

式中:yCO2為CO2體積濃度,%;PA為車外大氣壓力,Pa。

列車運(yùn)行在任何區(qū)段,車廂內(nèi)的平均CO2分壓力均低于呼吸區(qū)的CO2分壓力。若以車廂內(nèi)平均CO2分壓力上限值作為新風(fēng)量調(diào)節(jié)基準(zhǔn)參數(shù),則乘客呼吸的CO2將略超過允許上限值。因此計(jì)算CO2分壓力不再適用集總參數(shù)法,應(yīng)將乘客呼吸區(qū)(z=1.1 m)平均CO2分壓力作為車內(nèi)CO2分壓力的控制標(biāo)準(zhǔn),并計(jì)算不同送風(fēng)工況下的空調(diào)與制氧能耗,以獲得不同上座率時(shí)滿足舒適性與衛(wèi)生條件的最低能耗工況。圖2為列車內(nèi)空氣循環(huán)示意?？照{(diào)能耗與海拔、車外環(huán)境氣溫相關(guān),根據(jù)換熱方程,換熱量為

QH=ρHVHcpΔT

(4)

式中:QH為換熱器在海拔H處的換熱量,W;VH為空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)體積流量,m3/s;ρH為空氣密度;cp為空氣定壓比熱容(忽略其隨溫度、壓力發(fā)生的微小變化),J/(kg·℃)。制氧設(shè)備的能耗取0.46 kW·h/m3[20],基準(zhǔn)工況的送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度均按文獻(xiàn)[22]取值,新風(fēng)量和供氧濃度取文獻(xiàn)[20]的推薦值,見表4。

表4 基準(zhǔn)計(jì)算工況

3.1 列車能耗分析

新風(fēng)量的大小主要取決于車內(nèi)CO2含量、CO2發(fā)生量、車外CO2含量,人體的呼吸作用是車內(nèi)CO2的主要來源,因此上座率與新風(fēng)量有較強(qiáng)的相關(guān)性。前期研究表明:乘客所需最小新風(fēng)量隨海拔升高而增大,從而稀釋車內(nèi)氧濃度,使?jié)M足相同供氧參數(shù)時(shí)的制氧能耗升高。因此,為合理設(shè)計(jì)列車制氧系統(tǒng)裝機(jī)容量,以現(xiàn)運(yùn)行的Z264次列車行經(jīng)沿線停站海拔最高的安多站的氣象參數(shù)(Tw=12.4 ℃)及其運(yùn)行時(shí)刻表為準(zhǔn)取值,分別計(jì)算40%、60%、80%和100%上座率時(shí)的新風(fēng)量及不同新風(fēng)量時(shí)的最低能耗。

3.1.1 40%上座率

空調(diào)及供氧系統(tǒng)的協(xié)同工作按“改變送風(fēng)溫度、新風(fēng)量、供氧量”進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以同時(shí)達(dá)到“滿足車內(nèi)溫度需求、CO2分壓力不超標(biāo)、降低能耗”為目標(biāo)。以青藏列車淡季平均上座率40%為例,計(jì)算工況見表5。其中,基準(zhǔn)工況參數(shù)按如下方式確定:根據(jù)文獻(xiàn)[20]的新風(fēng)量推薦值20 m3/(h·人)與40%上座率時(shí)的人數(shù)計(jì)算得到新風(fēng)量基準(zhǔn)值為0.22 m3/s;根據(jù)總送風(fēng)量1.6 m3/s與25%供氧濃度上限值[20]計(jì)算得到供氧量基準(zhǔn)值為0.019 m3/s;基準(zhǔn)工況的送風(fēng)溫度取291K。

表5 安多站計(jì)算工況

圖3為不同送風(fēng)溫度條件下列車行經(jīng)安多站時(shí)新風(fēng)量對車內(nèi)CO2分壓力及空調(diào)能耗的影響?？照{(diào)能耗包括對新、回風(fēng)混合后的冷卻過程和送風(fēng)前的加熱過程所消耗的能量。計(jì)算結(jié)果顯示車內(nèi)乘客呼吸區(qū)的CO2平均分壓力僅為141 Pa,低于CO2分壓力上限值152 Pa,車內(nèi)空氣品質(zhì)良好。分別以0.15、0.1、0.05 m3/s的新風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算,得到乘客呼吸區(qū)CO2平均分壓力分別為147、152、156 Pa,說明當(dāng)新風(fēng)量減小至0.05 m3/s時(shí)呼吸區(qū)域平均CO2分壓力超標(biāo),空氣品質(zhì)無法滿足衛(wèi)生需求。經(jīng)計(jì)算得到滿足乘客呼吸區(qū)CO2分壓力要求的臨界新風(fēng)量為0.1 m3/s,但此時(shí)新風(fēng)負(fù)荷較大,空調(diào)能耗較高,為14.31 kW。

圖3 新風(fēng)量對車內(nèi)CO2分壓及空調(diào)能耗的影響

由于安多站室外空氣焓值低于室內(nèi)焓值,即新風(fēng)與回風(fēng)混合后的空氣焓值仍低于室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)的焓值,如圖4所示,隨著新風(fēng)比減小,空氣處理過程C→L焓差增大。而列車車廂余熱量與余濕量均大于零,因此,減小新風(fēng)量不利于降低空調(diào)冷負(fù)荷,同時(shí)會增大車廂內(nèi)的CO2分壓力。由圖3可知,給定送風(fēng)量時(shí)空調(diào)能耗隨送風(fēng)溫度的升高而增大。因此采用較低送風(fēng)溫度與較大新風(fēng)量可有效降低空調(diào)能耗。在滿足車內(nèi)空調(diào)最低舒適溫度[25](26 ℃)的前提下使用較低的送風(fēng)溫度可以得到最低的空調(diào)能耗。

圖4 空氣處理過程

圖5為不同工況下車內(nèi)平均溫度及列車空調(diào)與制氧總能耗?？梢钥闯?夏季列車運(yùn)行中,送風(fēng)溫度為291 K時(shí),減小新風(fēng)量對空調(diào)能耗影響微弱,但制氧能耗有顯著降低,工況3比工況1的空調(diào)及制氧總能耗降低了25.42%,并能保證室內(nèi)空氣品質(zhì)。對于工況4～工況6,提高送風(fēng)溫度的同時(shí)保持新風(fēng)量不變,空調(diào)能耗比前3個工況略有上升,制氧能耗與工況3相同,最大總能耗比基準(zhǔn)工況降低了19.17%,室內(nèi)空氣品質(zhì)良好。

圖5 車內(nèi)平均溫度及空調(diào)與制氧總能耗

冬、夏季車內(nèi)空氣品質(zhì)通過CO2分壓力控制且應(yīng)數(shù)值相等,這決定了新風(fēng)量相等。根據(jù)文獻(xiàn)[20]推薦的高原列車制氧設(shè)備的能耗值0.46 kW·h/m3可知,對于同一站點(diǎn)的給定工況,無論冬季還是夏季制氧能耗必然相等。這一結(jié)果在圖5中也得到了印證。而圖5中空調(diào)與制氧總能耗的變化主要是因?yàn)檩^低的車外溫度產(chǎn)生的熱負(fù)荷抵消了乘客散熱形成的部分冷負(fù)荷,從而使空調(diào)能耗減小。綜合考慮車內(nèi)平均溫度限值及空調(diào)與制氧總能耗,建議列車夏季行經(jīng)安多站附近時(shí)按照工況6的參數(shù)運(yùn)行,冬季按照工況4的參數(shù)運(yùn)行。由于制氧能耗僅受新風(fēng)量和環(huán)境空氣組分變化的影響,與季節(jié)變化無關(guān),因此下文60%～100%上座率僅針對夏季工況進(jìn)行分析。

綜上,從圖3～圖5的分析可知:基準(zhǔn)工況送風(fēng)溫度低,空調(diào)能耗較小,但此時(shí)車內(nèi)平均溫度較低(<26 ℃),不能滿足舒適性溫度條件;另外,基準(zhǔn)工況新風(fēng)量大,在此工況運(yùn)行時(shí)空調(diào)能耗低,但制氧能耗較大,導(dǎo)致總能耗偏高。因此,列車空調(diào)調(diào)節(jié)有必要從改變送風(fēng)溫度與新風(fēng)量兩個方面進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化工況提升了送風(fēng)溫度,并減小了新風(fēng)量,導(dǎo)致空調(diào)能耗小幅增加,而制氧能耗顯著下降,因此,與基準(zhǔn)工況相比,總能耗有較大幅度降低,就上座率40%而言,優(yōu)化后總能耗降低了19.17%。同時(shí),對比優(yōu)化前后車內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)變化,車廂內(nèi)平均溫度由基準(zhǔn)工況的23.5 ℃提升至26.2 ℃,CO2分壓力由基準(zhǔn)工況的141 Pa上升至152 Pa,同時(shí)可滿足舒適度條件(≥26 ℃)與衛(wèi)生條件(≤152 Pa)。

3.1.2 60%、80%、100%上座率

圖6為不同上座率時(shí)送風(fēng)溫度對車內(nèi)平均溫度的影響。乘客數(shù)量減少使得車內(nèi)冷負(fù)荷降低,在相同送風(fēng)溫度下車內(nèi)平均溫度下降。因此,給定送風(fēng)量,對于較低的上座率,要滿足乘客對車內(nèi)舒適溫度(26 ℃)的需求,需要提高送風(fēng)溫度。在上座率為60%、80%、100%條件下,送風(fēng)溫度分別達(dá)到22、20、19 ℃以上時(shí)即可滿足舒適性溫度要求。

圖6 不同上座率時(shí)送風(fēng)溫度對車內(nèi)平均溫度的影響(安多站,Tw=12.4 ℃)

不同上座率時(shí),在上述分析得到的最佳送風(fēng)溫度條件下改變新風(fēng)量,得到車內(nèi)CO2分壓力、制氧及空調(diào)總能耗的變化規(guī)律,如圖7所示。可以看出,對于不同上座率,空調(diào)能耗、車內(nèi)CO2分壓力與新風(fēng)量的變化呈逆相關(guān),而制氧能耗及總能耗與新風(fēng)量的變化呈正相關(guān)。保證車內(nèi)CO2分壓力不超標(biāo),上座率為60%、80%、100%時(shí)新風(fēng)量的下限值分別為0.2、0.3、0.35 m3/s。

圖7 新風(fēng)量對車內(nèi)CO2分壓及空調(diào)與制氧能耗的影響(安多站)

3.2 不同上座率時(shí)的優(yōu)化節(jié)能效果

根據(jù)前文所得不同上座率時(shí)的最佳新風(fēng)量及送風(fēng)溫度,得到參數(shù)優(yōu)化后對應(yīng)的空調(diào)及制氧總能耗,如圖8所示。與基準(zhǔn)工況相比,對于上座率為40%、60%、80%、100%時(shí)的情況,其空調(diào)及制氧系統(tǒng)節(jié)能率分別達(dá)到19.17%、15.47%、22.94%、26.95%,見表6。

表6 不同上座率時(shí)氣流參數(shù)優(yōu)化及能耗

3.3 不同車外環(huán)境條件下空調(diào)與供氧調(diào)節(jié)方案適用性

由于高海拔地區(qū)(格拉段)晝夜溫差大,3.1節(jié)按照安多站環(huán)境條件所得調(diào)節(jié)方案對于列車在極端條件(環(huán)境溫度、大氣壓力)下行經(jīng)其他站點(diǎn)時(shí)的工程適用性還有必要進(jìn)行探討。列車行駛過程中,環(huán)境溫度降低使新風(fēng)負(fù)荷抵消了乘客散熱形成的部分冷負(fù)荷,導(dǎo)致空調(diào)能耗降低;海拔升高(氣壓降低)導(dǎo)致制氧量增加,制氧能耗上升。在不同環(huán)境條件下,上座率的增加均需增大新風(fēng)量、降低送風(fēng)溫度,使得空調(diào)能耗降低、制氧能耗增加。為此,分別計(jì)算沿線最低氣溫與最高海拔停站的空調(diào)與制氧能耗,驗(yàn)證調(diào)節(jié)方案的適用性。選取本次列車行經(jīng)安多站(Tw=12.4 ℃,海拔為4 800 m,沿線最高海拔停站)及五道梁站(Tw=1.6 ℃,海拔為4 700 m,沿線最低氣溫停站)為研究對象進(jìn)行分析。

3.3.1 環(huán)境條件對送風(fēng)溫度的影響

Z264次列車行經(jīng)五道梁站的時(shí)刻為5:59,此時(shí)無太陽輻射作用,車內(nèi)外熱量傳遞主要由溫差作用下的非穩(wěn)定傳熱引起。對比圖6與圖9可知,對于同一上座率,采用相同送風(fēng)溫度時(shí),列車行經(jīng)五道梁站車內(nèi)平均溫度比安多站低0.6 ℃左右。由圖9可知,當(dāng)列車行經(jīng)五道梁站且上座率分別為40%、60%、80%、100%時(shí),送風(fēng)溫度應(yīng)分別達(dá)到24、23、21、20 ℃以上,方可滿足舒適性溫度(26 ℃)要求。

圖9 不同上座率時(shí)送風(fēng)溫度對車內(nèi)平均溫度的影響(五道梁站,Tw=1.6 ℃)

考慮不同車次運(yùn)行時(shí)刻的差異以及沿線極端低溫條件對空調(diào)及制氧系統(tǒng)運(yùn)行能耗的影響,分別以安多地區(qū)最低氣溫(Tw=2.8 ℃)與五道梁地區(qū)最低氣溫(Tw=-1 ℃)為計(jì)算條件,獲得列車經(jīng)過以上2個站點(diǎn)時(shí)的邊界條件,計(jì)算得到不同上座率時(shí)滿足舒適性溫度條件(26 ℃)對應(yīng)的送風(fēng)溫度,并與Z264次列車行經(jīng)該2站點(diǎn)時(shí)的送風(fēng)溫度進(jìn)行對比,如圖10所示?？梢钥闯?對于任一車外溫度,送風(fēng)溫度均隨上座率的增大而減小。另外,對于同一上座率,采用不同的車外溫度值對列車行經(jīng)五道梁站時(shí)送風(fēng)溫度的影響微弱,但采用Z264次列車行經(jīng)安多站時(shí)的車外溫度值得到的送風(fēng)溫度對于極端最低溫度時(shí)經(jīng)過該站的列車來說無法滿足車內(nèi)溫度要求。因此,對于列車經(jīng)過安多站時(shí)的送風(fēng)溫度應(yīng)以極端最低外氣溫度2.8 ℃為依據(jù)會偏于安全。

圖10 Z264次列車不同外氣溫度條件下的送風(fēng)溫度

3.3.2 環(huán)境條件對能耗的影響

海拔及車外溫度對空調(diào)與制氧能耗的影響程度存在差異。圖11為Z264次列車行經(jīng)五道梁站、安多站時(shí)與列車在最低車外溫度條件下行經(jīng)五道梁站、安多站時(shí)最優(yōu)工況的能耗對比。

圖11 空調(diào)及制氧總能耗對比

由圖11可知,不同車外溫度條件時(shí)空調(diào)與制氧能耗的變化趨勢均與Z264次列車經(jīng)過安多站時(shí)一致(圖8),即隨著乘客上座率的增加,空調(diào)能耗下降,制氧能耗上升,總能耗上升。但對于同一上座率,按照Z264次列車行經(jīng)安多站時(shí)的車外溫度計(jì)算所得空調(diào)與制氧總能耗均高于按照其余車外溫度計(jì)算值,按照Z264次列車經(jīng)過五道梁站時(shí)的車外溫度與該站點(diǎn)極端最低氣溫所得空調(diào)與制氧總能耗幾乎沒有差異。因此,結(jié)合圖10所得結(jié)論,對于列車行經(jīng)五道梁站時(shí)的送風(fēng)溫度確定及空調(diào)與制氧總能耗評價(jià),外氣溫度值采用1.6、-1.0 ℃均可。從節(jié)能的角度,列車行經(jīng)安多站時(shí)的送風(fēng)溫度確定及空調(diào)與制氧總能耗評價(jià),車外溫度值宜采用該站點(diǎn)的極端最低氣溫值2.8 ℃。

4 就座位置對車內(nèi)環(huán)境參數(shù)的影響

圖12為40%上座率時(shí)3種可能的乘客就座位置,即兩側(cè)(靠窗)就座、中間(過道)就座、單側(cè)(靠一側(cè)窗戶)就座。由于車內(nèi)溫度場是太陽輻射、人體散熱、送風(fēng)參數(shù)的綜合作用結(jié)果,而車內(nèi)污染物濃度場又與溫度場存在強(qiáng)烈的耦合作用[5]。因此,針對這3種就座方式,分析列車行經(jīng)安多站時(shí)最優(yōu)送風(fēng)工況下車廂內(nèi)溫度分布與CO2分壓力分布。

圖12 乘客就座位置

4.1 溫度分布

圖13為不同乘客就座位置時(shí)車廂橫斷面(y=6 m)上的溫度分布。

圖13 車廂橫斷面溫度分布對比(y=6 m)

2個乘客分別就座于兩側(cè)窗戶位置,乘客的散熱作用導(dǎo)致各自頭部位置較高的溫度,坐在左側(cè)窗戶位置的乘客頭部溫度更高,這是因?yàn)榱熊囆薪?jīng)安多站時(shí)左側(cè)處于朝陽面,太陽輻射通過車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)以耦合傳熱的方式提高了左側(cè)車體內(nèi)壁面附近的溫度,也因此提高了該區(qū)域的浮升力,使得熱氣流上升,在行李架下方形成了熱滯留區(qū),氣流分布如圖14所示。另外,走道區(qū)域由于來自車頂中間位置較低的送風(fēng)溫度,該區(qū)域溫度較低。優(yōu)化前該截面上的溫差較大,溫度分布不均勻,但優(yōu)化后溫度整體得到了提升,豎向溫差有所縮小,并且乘客活動區(qū)域達(dá)到了車內(nèi)舒適性要求的溫度值。

2個乘客均就座于走道位置時(shí),基準(zhǔn)工況的車內(nèi)溫度達(dá)不到文獻(xiàn)[22]的要求值,但與兩側(cè)就座方式相比,車廂內(nèi)溫度分布更趨均勻,溫差明顯減小。這是因?yàn)樽攒図敶怪毕滤偷妮^低溫度氣流與人體散熱形成的熱羽流相遇,發(fā)生了劇烈的動量和熱量交換,從而維持了乘客附近較均勻的溫度場。與基準(zhǔn)工況相比,優(yōu)化后走道區(qū)域溫度整體提高了3 ℃左右,乘客的舒適感得到了改善。

2個乘客均就座于左側(cè)2人座位置時(shí),車廂右側(cè)3人座位置均處于空位狀態(tài)?；鶞?zhǔn)工況運(yùn)行,車內(nèi)左右兩側(cè)的溫差較大,車廂左側(cè)溫度明顯高于前述2種就座情況。結(jié)合圖13與圖14可以看出,優(yōu)化后車內(nèi)3人座及走道區(qū)域溫度升幅較大,但車廂右側(cè)3人座區(qū)域形成了一個溫度較低的旋渦區(qū)。這是因?yàn)檐噹髠?cè)2個乘客集中散熱形成了沿側(cè)壁上升的熱氣流,改變了自頂部下送的低溫氣流的流向,偏向3人座位置的低溫氣流與沿左側(cè)壁面上升的熱氣流相互作用,形成了旋渦區(qū)。這一就座方式導(dǎo)致該截面上溫度分布的均勻性較差。局部區(qū)域較高的溫度使乘客乘坐的舒適度較低。

4.2 CO2分壓力分布

圖15為不同就座位置時(shí)車廂橫斷面(y=6 m)上的CO2分壓力分布。CO2分壓力分布與氣流組織、熱量傳遞以及乘客位置等密切相關(guān)。

圖15 車廂橫斷面CO2分壓力分布對比(y=6 m)

由圖15可知,3種就座方式均按照基準(zhǔn)工況運(yùn)行時(shí),由于送風(fēng)溫度低、新風(fēng)量大,使車內(nèi)CO2得到了充分稀釋,其分壓力較低。按優(yōu)化工況運(yùn)行時(shí),呈現(xiàn)出如下規(guī)律:

(1)當(dāng)乘客分別就坐在兩側(cè)靠窗座位時(shí),車廂左側(cè)乘客附近的CO2分壓力梯度大于右側(cè)區(qū)域,但右側(cè)乘客頭頂部位CO2分壓力明顯高于左側(cè)乘客。這是因?yàn)檐噧?nèi)的氣流組織是溫差作用下的自然對流與機(jī)械通風(fēng)作用下的強(qiáng)迫對流共同引起的流動現(xiàn)象,受太陽輻射作用,使車廂左側(cè)壁面附近溫度較高的氣流上升速度高于右側(cè),在浮升力作用下乘客呼出的部分CO2會隨邊界層的運(yùn)移沿車廂側(cè)壁向上遷移,乘客頭部區(qū)域CO2分壓力為152.2 Pa,與限值小大相當(dāng)。而車廂右側(cè)壁面附近溫度相對較低,壁面附近氣流上升速度較左側(cè)低,CO2濃度因此被稀釋的較慢,造成了該區(qū)域CO2分壓力達(dá)到了172.8 Pa,超出了152 Pa。走道區(qū)域的CO2分壓力未超標(biāo)。

(2)當(dāng)兩乘客均就坐在靠近過道的位置時(shí),乘客頭部及以下區(qū)域的CO2分壓力均未超過上限值。這是因?yàn)槌丝臀恢孟噍^于圖15中的基準(zhǔn)工況情況更靠近頂部送風(fēng)口的正下方,自車頂向下流動的溫度較低的新風(fēng)與人體散熱形成的熱羽流之間的熱量及動量交換更充分,新風(fēng)有效稀釋了乘客呼出的CO2,所以,走道區(qū)域的CO2分壓力值均低于152 Pa。

(3)當(dāng)乘客均就坐在左側(cè)2人座位置時(shí),乘客呼吸區(qū)的CO2分壓力達(dá)到了172.8 Pa,不符合車內(nèi)空氣品質(zhì)要求。但此時(shí),車廂右側(cè)3人座位置的CO2分壓力未超標(biāo)。結(jié)合圖14中的優(yōu)化工況可以發(fā)現(xiàn),這是因?yàn)槌丝蜕嵋l(fā)的上升氣流遇到了行李架,形成了熱滯留區(qū),在浮升力作用下向上運(yùn)動的CO2的遷移過程也因此受到了阻礙,導(dǎo)致乘客頭部區(qū)域CO2的集聚。

綜上,針對3種就座方式所進(jìn)行的送風(fēng)參數(shù)優(yōu)化,均使車內(nèi)CO2分壓力較基準(zhǔn)工況有所上升,但采取中間就座方式時(shí)乘客呼吸區(qū)域(z=1.1 m)平均CO2分壓力未超標(biāo),與圖3的結(jié)論一致。

5 結(jié)論

綜合考慮外氣溫度及海拔2個因素,以安多和五道梁地區(qū)氣象參數(shù)為依據(jù),數(shù)值分析高原列車在行駛途中不同上座率對送風(fēng)參數(shù)、空調(diào)和制氧能耗的影響,得到如下主要結(jié)論:

(1)對于行駛在高海拔地區(qū)的青藏線空調(diào)列車,新風(fēng)量對空調(diào)與制氧能耗的影響呈相反趨勢,對制氧能耗影響顯著,空調(diào)能耗在總能耗中占比較低。合理調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度及新風(fēng)量,可實(shí)現(xiàn)“空氣品質(zhì)、熱舒適、節(jié)能”的有機(jī)統(tǒng)一。

(2)車內(nèi)CO2分壓力與新風(fēng)量的變化呈逆相關(guān),以CO2分壓力為車內(nèi)空氣品質(zhì)控制指標(biāo)時(shí),對于行經(jīng)安多站列車,上座率為40%、60%、80%、100%的最小新風(fēng)量分別為0.1、0.2、0.3、0.35 m3/s。

(3)當(dāng)上座率為40%、60%、80%、100%時(shí),對于行經(jīng)安多站列車,采用最佳新風(fēng)量及送風(fēng)溫度,空調(diào)及制氧系統(tǒng)總節(jié)能率可分別達(dá)到19.17%、15.47%、22.94%、26.95%。

(4)對于列車行經(jīng)五道梁站時(shí)的送風(fēng)溫度確定及空調(diào)與制氧總能耗評價(jià),外氣溫度值采用1.6 ℃或-1.0 ℃均可。從節(jié)能的角度,列車行經(jīng)安多站時(shí)的送風(fēng)溫度確定及空調(diào)與制氧總能耗評價(jià),外氣溫度值宜采用該站點(diǎn)的極端最低氣溫值2.8 ℃。

(5)乘客不同的就座位置,以改變車內(nèi)流場及溫度場的方式影響污染物的空間分布及遷移特性。當(dāng)上座率為40%時(shí),乘客的最佳位置是靠近走道就座,建議乘客不要集中靠朝陽面位置就座。