馬遠(yuǎn)釗

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第七設(shè)計(jì)院有限公司,山東青島 266000)

列車地板熱橋結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

馬遠(yuǎn)釗

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第七設(shè)計(jì)院有限公司,山東青島 266000)

利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析車體地板的熱工性能,進(jìn)行K值計(jì)算,并根據(jù)模擬結(jié)果分析地板結(jié)構(gòu)、判斷熱橋?qū)圀w熱工性能的影響,進(jìn)而更好的指導(dǎo)車體的優(yōu)化設(shè)計(jì),為解決熱橋問(wèn)題,降低空調(diào)負(fù)荷提供技術(shù)指導(dǎo)。

地板 隔熱 熱橋 仿真

近年來(lái)，隨著列車車體性能的不斷提高，車體結(jié)構(gòu)和材料也隨之有了一系列的改變，這些變化對(duì)列車車體隔熱性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。隔熱性能是影響車體傳熱的主要因素，研究不同車體結(jié)構(gòu)對(duì)隔熱性能的影響，特別是熱橋結(jié)構(gòu)對(duì)隔熱性能的影響，對(duì)于分析列車運(yùn)行能耗、確定其空調(diào)負(fù)荷、避免惡劣工況(內(nèi)壁結(jié)露、局部溫度過(guò)高)的出現(xiàn)、以及維持車內(nèi)舒適的熱環(huán)境均有著重要的意義[1]。熱橋是由于某種材料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它周圍材料的導(dǎo)熱系數(shù)而產(chǎn)生的。熱橋的存在會(huì)導(dǎo)致車體傳熱系數(shù)的增加，影響情況與熱橋影響面積及熱橋區(qū)域的K值有關(guān)[2]。本文綜合采用理論分析、數(shù)值模擬等方法，通過(guò)對(duì)列車地板典型熱橋結(jié)構(gòu)隔熱性能的計(jì)算、分析和優(yōu)化，減少熱橋結(jié)構(gòu)對(duì)隔熱性能的影響，降低整車的K值，為新一代高速列車的隔熱性能設(shè)計(jì)提供理論上的指導(dǎo)。

1 列車車體傳熱負(fù)荷計(jì)算

按照TB1957-9《1空調(diào)客車熱工計(jì)算方法》，車體的隔熱保溫研究主要針對(duì)減少車體傳熱負(fù)荷來(lái)進(jìn)行。

傳熱負(fù)荷：

式中：Φ——通過(guò)車體隔熱壁損失的熱量(傳熱負(fù)荷)，W；

K——車體傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

A——車體表面積， m2；

Δt ——車體內(nèi)外側(cè)空氣溫差， ℃。

車體表面積和內(nèi)外溫差為定值，由(1)式可以看出車體傳熱負(fù)荷的計(jì)算關(guān)鍵是K值的確定，而對(duì)車體進(jìn)行隔熱保溫的目的就是減小K值。

準(zhǔn)確地確定各部分的K值對(duì)于車體傳熱負(fù)荷的計(jì)算及其隔熱保溫的設(shè)計(jì)具有重要影響。

圖1 列車地板剖面圖

圖2 高地板槽鋼和螺栓模型

2 熱橋傳熱理論分析

2.1 列車地板熱橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

列車地板一般由車體型材、防寒材、地板、內(nèi)飾件等組成。圖1為列車地板剖面圖。

2.2 熱橋影響面積的確定方法

以冬季工況對(duì)熱橋進(jìn)行仿真計(jì)算，熱橋中心的溫度最低，熱流密度最大，由熱橋中心向周圍溫度逐漸趨向正常溫度，熱流密度亦逐漸趨向正常熱流密度。當(dāng)?shù)竭_(dá)某點(diǎn)時(shí)溫度與正常溫度相差3%以內(nèi)，熱流密度與正常熱流密度相差3%以內(nèi)，即把該點(diǎn)作為分界點(diǎn)，根據(jù)對(duì)稱性，以從熱橋中心到這點(diǎn)的距離作為半徑的圓的面積即熱橋的影響面積[3]。

2.3 熱橋數(shù)學(xué)模型的建立

本研究中用有限單元法對(duì)地板熱橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，并通過(guò)加載第三類邊界條件，利用計(jì)算仿真軟件對(duì)車體熱橋的熱工性能進(jìn)行計(jì)算仿真。

對(duì)于無(wú)內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的各向同性物體導(dǎo)熱微分方程三維問(wèn)題[4]，方程的形式為：

第三類邊界條件是指與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度Tf和換熱系數(shù)α為已知。用公式表示為：

α與Tf可以是常數(shù)，也可以是某種隨時(shí)間和位置而變化的函數(shù)。如果α與Tf不是常數(shù)，則在數(shù)值計(jì)算中經(jīng)常分段取其平均值作為常數(shù)。根據(jù)以上計(jì)算公式，利用計(jì)算機(jī)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)劃分，來(lái)進(jìn)行熱流密度場(chǎng)的計(jì)算。

3 地板熱橋傳熱模型和優(yōu)化模型的仿真計(jì)算

根據(jù)熱橋結(jié)構(gòu)以及做仿真模擬計(jì)算的溫度，在熱橋的仿真模擬當(dāng)中采用以下邊界條件：

(1)車室內(nèi)計(jì)算溫度：20 ℃；(2)車室外計(jì)算溫度：-25 ℃；(按動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，最不利狀況選取)；(3)外表面對(duì)流換熱系數(shù)：142.9W（/m·K）；(4)內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)：8W（/m·K）。

4 地板槽鋼和螺栓傳熱模型和優(yōu)化模型的仿真計(jì)算

圖3 高地板槽鋼和螺栓優(yōu)化模型

圖4 低地板槽鋼和螺栓模型

圖5 低地板槽鋼和螺栓優(yōu)化模型

4.1 建立模型

由圖2和4可知槽鋼和螺栓直接聯(lián)通車體內(nèi)外，形成了一個(gè)傳遞熱量的通道。而槽鋼是焊接在車體型材鋁合金上沒(méi)法進(jìn)行隔斷，所以在上方一個(gè)螺栓處加局部隔熱材1mm厚PVC墊板，此處加PVC墊板后可能會(huì)導(dǎo)致地板松動(dòng)，再加一個(gè)不銹鋼螺帽使地板固定。優(yōu)化模型如圖3和5所示。對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，熱流密度場(chǎng)的分布情況(如圖6至9)。

圖7 高地板槽鋼和螺栓優(yōu)化模型熱流密度分布

圖8 低地板槽鋼和螺栓模型熱流密度分布

圖9 低地板槽鋼和螺栓優(yōu)化模型熱流密度分布

4.2 熱流密度分布

由圖6至9仿真結(jié)果可得下表1所示結(jié)果。

表1 熱橋模型模擬結(jié)果

5 地板熱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果及對(duì)整車K值的影響

為便于結(jié)果分析，將熱橋模擬結(jié)果匯總?cè)绫?：

表2 模擬結(jié)果匯總

表2中K·A值為傳熱系數(shù)K與影響面積A的乘積。

由于車體內(nèi)外溫差為定值，車體傳熱負(fù)荷由整個(gè)車體的K·A值確定，有效減小車體局部熱橋區(qū)域的K·A值，即減小了整個(gè)車體的K·A值，可以減少車體的傳熱負(fù)荷。

由表2可知地板2個(gè)熱橋模型優(yōu)化后車體局部的K·A值分別減少了11.1和4.44W/K，共減少15.55W/K。

以現(xiàn)有250公里動(dòng)車組為例，未考慮以上熱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響時(shí)，車體K值為1.1W/(m2·K)，車體總面積為259.38m2。

考慮以上熱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響后，車體K·A值共減少了15.55W/K，此時(shí)車體的K值為1.04W/(m2·K)，比優(yōu)化前減小5%，有利于降低空調(diào)負(fù)荷。

由于以上熱橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，只是對(duì)個(gè)別螺栓位置加1mm厚PVC墊板，對(duì)列車的地板局部構(gòu)造強(qiáng)度、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)成本沒(méi)有影響，所以該優(yōu)化措施是可行的。

[1]吳俊云,王剛,劉訓(xùn)海,等．空調(diào)客車廂體結(jié)構(gòu)傳熱數(shù)值分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(4):287-290.

[2]趙淑敏.濟(jì)南地區(qū)建筑熱橋能耗分析與研究[J].西安:西安建筑科技大學(xué),2004．