地鐵整車及各部位傳熱系數(shù)（K?值）的計(jì)算與分析

黃秋霞　周家林　田根龍　楊茂現(xiàn)

摘 要：傳熱系數(shù)（K 值）是影響車輛空調(diào)負(fù)荷及車內(nèi)環(huán)境舒適性的重要因素之一，因此必須滿足車輛車體的設(shè)計(jì)要求。首先闡述哈薩克斯坦地鐵整車及各部位的 K 值特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，然后通過計(jì)算機(jī)仿真軟件對其 K 值進(jìn)行模擬與分析，最后對車體整車的 K 值進(jìn)行等效計(jì)算，得到整車的 K 值約為1.95 W/m2 · K，該值滿足結(jié)構(gòu)及材料的設(shè)計(jì)要求 2 W/m2 · K，這可為降低空調(diào)負(fù)荷提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地鐵;車輛;傳熱系數(shù);仿真;傳熱模型;熱流密度

中圖分類號：U270.2

隨著科技的不斷發(fā)展，車體種類、結(jié)構(gòu)以及材料也逐漸多樣化。車輛傳熱系數(shù)K值隨車體結(jié)構(gòu)、車型以及運(yùn)行速度的變化而變化，其中車體結(jié)構(gòu)對整車的K值有很大的影響。

目前，電動車組車輛在地鐵方面的重要性日益顯現(xiàn)，研究各部位冷橋?qū)φ嘖值的影響可以更好地為優(yōu)化列車空調(diào)系統(tǒng)性能、改進(jìn)車體結(jié)構(gòu)及改善車內(nèi)環(huán)境提供有利的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并有利于今后在滿足乘客舒適性的基礎(chǔ)上進(jìn)行更為經(jīng)濟(jì)、高效的設(shè)計(jì)。本文以哈薩克斯坦電動車組地鐵車輛為研究對象，將整車以及各部位平壁和冷橋的K值進(jìn)行計(jì)算與分析，以便為指導(dǎo)地鐵列車的防寒及保溫設(shè)計(jì)提供參考。

1 K值計(jì)算方法

1.1 K 值定義及研究意義

整車的K值越小，該車的保溫性就越好。根據(jù)鐵路標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1957-1991《空調(diào)客車熱工計(jì)算方法》可知，空調(diào)負(fù)荷與車體的結(jié)構(gòu)、材料等密切相關(guān)，因此通過改善車體熱工性能、降低K值，有助于降低空調(diào)負(fù)荷及改善車室內(nèi)的熱環(huán)境;同時，分析車體各部位的結(jié)構(gòu)、材料對整車K值影響的大小，對整車的隔熱與保溫設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1.2? ?材料特性及室內(nèi)外邊界條件

車體材料的特性如表1所示。

車體室內(nèi)外邊界條件如下：①室內(nèi)計(jì)算溫度為14℃;②室外計(jì)算溫度為-35 ℃;③內(nèi)表面對流換熱系數(shù)為8 W/（m · K）;④外表面對流換熱系數(shù)為16W/（m · K）。

1.3 等效 K 值的計(jì)算

由于冷橋部位結(jié)構(gòu)的特殊性，其計(jì)算方法也不同，因此在冷橋處通常采用等效K值的計(jì)算方法。簡單平壁K值的計(jì)算方法簡單，可由公式直接得出，但冷橋及復(fù)雜平壁的K值則需先建模，再用有限元法進(jìn)行計(jì)算。復(fù)雜平壁模型和冷橋模型建模計(jì)算步驟分別如圖1和圖2所示。

由經(jīng)驗(yàn)可知，冷橋部位的面積在整車上所占比例很小，但對K值影響大，因此整車?yán)錁蚬?jié)點(diǎn)數(shù)量的多少對K值的大小起著決定性作用。

2 整車平壁區(qū)域 K 值的計(jì)算

整車平壁按結(jié)構(gòu)分為車底（地板）平壁、側(cè)墻平壁和車頂平壁3部分區(qū)域。

2.1 車底平壁區(qū)域 K 值的計(jì)算

車底平壁結(jié)構(gòu)及材料示意圖如圖3所示。車底型材梁骨的導(dǎo)熱系數(shù)大，故其溫度梯度小。車體內(nèi)表面的平均溫度高于露點(diǎn)溫度（-2.3 ℃），因而此處不會結(jié)露。

車底平均熱流密度q（取內(nèi)表面）及傳熱系數(shù)K值的計(jì)算公式分別為：

式（1）和式（2）中，qi為某一點(diǎn)的熱流密度;ds為某一點(diǎn)面積的微分;s為總面積;tn - tf為前后溫差。

根據(jù)模擬結(jié)果，由式（1）和式（2）計(jì)算可得：q = 43.65W / m?，K = 1.02W/（m? · K）。

2.2 側(cè)墻平壁區(qū)域 K 值的計(jì)算

側(cè)墻窗上、下側(cè)結(jié)構(gòu)與材料示意如圖4所示，其傳熱模型溫度分布如圖5所示。對于窗戶間側(cè)墻處，車內(nèi)表面的平均溫度一般約為12.3℃。該值高于露點(diǎn)溫度（-2.3℃），所以該處不會結(jié)露。

根據(jù)模擬結(jié)果，由式（1）計(jì)算出窗戶間側(cè)墻上、下側(cè)的平均熱流密度q分別為13.01 W / m?和13.31W / m?，上、下側(cè)的等效傳熱系數(shù)K值分別為0.28W/（m? · K）和0.286 1 W/（m? · K）。

2.3 車頂平壁區(qū)域 K 值的計(jì)算

車頂平壁區(qū)域包括車頂空調(diào)機(jī)組下側(cè)平壁區(qū)域和車頂非空調(diào)機(jī)組區(qū)域。

2.3.1 車頂空調(diào)機(jī)組下側(cè)平壁區(qū)域 K 值計(jì)算

空調(diào)機(jī)組下側(cè)平壁結(jié)構(gòu)及材料示意和傳熱模型溫度分布如圖6所示。由圖6b可以看出，車內(nèi)表面溫度比較均勻，約為12.87℃。此溫度高于露點(diǎn)溫度（1.6℃），故此處不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。根據(jù)模擬結(jié)果，由式（1）和式（2）計(jì)算得：q = 9.05 W / m?，K = 0.19 W/（m? · K）。

2.3.2 車頂非空調(diào)機(jī)組區(qū)域 K 值計(jì)算

根據(jù)車頂非空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)及材料示意（圖7）對傳熱模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分：對于客室車頂處，車內(nèi)表面溫度的平均值約為4.8 ℃，該值高于露點(diǎn)溫度（-2.3℃），所以該處不會結(jié)露。根據(jù)模擬結(jié)果，由式（1）計(jì)算得：q= 62.37 W / m?，K= 1.64 W/（m? · K）。

2.4 車體平壁區(qū)域平均 K 值的計(jì)算

車體平壁各部位的面積A、K值及平均K值分別如表2和表3所示。

整車平壁部分的平均傳熱系數(shù)按下式計(jì)算為：

式（3）中，Aw為某部分的面積;K為某部分的傳熱系數(shù);A總 為整車面積。

3 車體冷橋模型建立及 K 值計(jì)算

整車上，車體冷橋主要分布在車底、車頂和側(cè)墻3 個區(qū)域。其中，車底冷橋有冷橋1和冷橋2 兩部分;車頂冷橋?yàn)槔錁?;側(cè)墻冷橋有6部分，分別為冷橋 4、冷橋5、冷橋4與5的合并處、冷橋6、冷橋7和冷橋 8。

3.1 車底冷橋計(jì)算

車底冷橋模型建立如圖8所示。冷橋1和冷橋2的結(jié)構(gòu)及材料示意與傳熱模型溫度分布分別如圖9和圖10所示。

對于車底冷橋1處，從車內(nèi)表面溫度分布可以看出，該處溫度的平均值約為-10.6℃。該值低于露點(diǎn)溫度（-2.3℃），所以此處會結(jié)露。

根據(jù)模擬結(jié)果，由式（1）和式（2）計(jì)算得：q = 197.25 W / m²，K = 8.97 W/（m²· K）。

對于車底冷橋2處，從車內(nèi)表面溫度分布可以看出，該處溫度的平均值約為-13.58 ℃。該值低于露點(diǎn)溫度（-2.3℃），所以此處會結(jié)露。

根據(jù)模擬結(jié)果，由式（1）和式（2）計(jì)算得：q = 220.10W / m²，K = 63.61W /（m²· K）。

以上2處冷橋均出現(xiàn)了結(jié)露現(xiàn)象，因此應(yīng)當(dāng)引起重視。

3.2 車頂冷橋計(jì)算

車頂冷橋的結(jié)構(gòu)與材料示意圖及傳熱模型溫度分布如圖11所示。

對于車頂冷橋3處，從車內(nèi)表面溫度分布可以看出，此構(gòu)件周圍溫度約為10.90 ℃。該值高于露點(diǎn)溫度（-2.3 ℃），所以此處不會結(jié)露。

根據(jù)模擬結(jié)果，由式（1）和式（2）計(jì)算得：q = 296.80 W / m²，K= 6.93 W/（m²· K）。

3.3 側(cè)墻冷橋計(jì)算

側(cè)墻冷橋結(jié)構(gòu)示意如圖12所示，其q和K值的計(jì)算同上，這里不再贅述。

3.4 冷橋 K 值計(jì)算結(jié)果匯總

為整車K值計(jì)算的方便，現(xiàn)將模擬結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

根據(jù)表4和式（3）計(jì)算得整車?yán)錁虻钠骄鶄鳠嵯禂?shù)KL值為4.79 W/（m2 · K）。

4 車體各部位 K 值計(jì)算結(jié)果

車體各部位冷橋、平壁的平均K值對整車的影響占比如表5所示。

根據(jù)整車?yán)錁蚣捌奖诮Y(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果匯總，計(jì)算得出哈薩克斯坦地鐵整車的平均傳熱系數(shù)K值為：

該值為綜合考慮車體各部位冷橋及平壁結(jié)構(gòu)的等效計(jì)算結(jié)果，較準(zhǔn)確地反映了整車車體的傳熱系數(shù)。

5 結(jié)論

本文以哈薩克斯坦地鐵為例，先對整車各部位平壁區(qū)域的熱流密度及傳熱系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，然后再通過建立模型對各區(qū)域的冷橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效計(jì)算。最終，將整車各部位結(jié)構(gòu)的K值匯總，并計(jì)算得出整車的K值為1.95 W/（m2 · K）。結(jié)果表明，該車車體的結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計(jì)滿足K值要求，適用于哈薩克斯坦地鐵。

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收稿日期 2019-12-30

責(zé)任編輯 黨選麗

Calculation and analysis of heat transfer coefficient （K value） of metro vehicles and components

Huang Qiuxia， Zhou Jialin， Tian Genlong， et al.

Abstract： The heat transfer coefficient （K-value） is one of the important factors that affect the air conditioning load and the passenger riding comfort of the interior environment of the vehicle， so it must meet the design requirements of the vehicle body. Firstly， this paper discusses that the K-value characteristics of Kazakhstan metro vehicle and its parts are related to the structure. Secondly， the K-value of the vehicles and components is simulated and analyzed by computer simulation software. In the final conclusion， this paper describes the equivalent calculation of the K-value of the whole vehicle. The K-value of the whole vehicle is about 1.95 W/（m2 · K）， which meets the design requirements of structure and material （2 W/（m2 · K））， providing a reference for reducing air conditioning load.

Keywords： subway， vehicle， heat transfer coefficient， simulation， heat transfer model， heat flow density

作者簡介：黃秋霞（1983—），女，高級工程師