何天

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司， 河北 唐山 063035)

新型高速軌道列車生態(tài)設(shè)計研究

何天

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司， 河北 唐山 063035)

高速軌道列車生態(tài)設(shè)計體現(xiàn)了新的設(shè)計理念，以及人與自然的和諧進步。從生態(tài)設(shè)計概念出發(fā)，介紹了高速列車生態(tài)設(shè)計的主要內(nèi)容及采取的相應(yīng)措施，保持設(shè)計的環(huán)保、循環(huán)再生性，體現(xiàn)出列車、人和自然的和諧發(fā)展。

生態(tài)設(shè)計；高速軌道列車；環(huán)境；自然

0 引言

21世紀世界高速動車組技術(shù)發(fā)展迅猛，其核心是列車的高速化，在人們一味的追求速度的同時卻帶來了一連串的負面反應(yīng)。列車的高速化增加了能源消耗的需求量，帶來了資源環(huán)境的破壞和環(huán)境污染的加劇。為了人與環(huán)境的和諧相處，就必須增強人們對自然生態(tài)規(guī)律的認識，對傳統(tǒng)的設(shè)計理論和方法進行改革和創(chuàng)新，因此提出了高速軌道列車生態(tài)設(shè)計概念。生態(tài)設(shè)計就是推進自然資源循環(huán)利用、減小產(chǎn)品對環(huán)境的潛在威脅，指導(dǎo)人們開發(fā)環(huán)保產(chǎn)品的設(shè)計技術(shù)[1]。

1 新型高速軌道列車生態(tài)設(shè)計概念

生態(tài)設(shè)計是一種資源循環(huán)利用的技術(shù)，在與自然環(huán)境和諧共處的前提下，利用資源和環(huán)境容量實現(xiàn)生產(chǎn)活動的生態(tài)轉(zhuǎn)變，通過提高產(chǎn)品零部件的可拆卸性、可回收性、可維護性、可重復(fù)利用性等一系列設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，延長產(chǎn)品的使用周期，提高零部件及材料的重復(fù)使用率，在產(chǎn)品完成其使用功能后，經(jīng)過回收處理，又重新變?yōu)榭梢岳玫馁Y源，參與生產(chǎn)的再循環(huán)，從而提高資源利用率。

新型高速列車產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計就是利用生態(tài)學(xué)的思想和理論，在產(chǎn)品開發(fā)階段綜合考慮列車產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)對生態(tài)環(huán)境的影響，設(shè)計出環(huán)境友好、滿足人們需求的新型高速列車產(chǎn)品。

2 新型高速軌道列車生態(tài)設(shè)計理念

傳統(tǒng)的列車設(shè)計理論把產(chǎn)品的報廢回收利用排斥在外，報廢產(chǎn)品在回收時造成的環(huán)境污染采用“事后處理”的方式進行彌補。這種先污染再治理的方式，治理成本高、難度大，是一種被動的環(huán)境保護。列車產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計方法是應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)理論，把環(huán)境保護工作從產(chǎn)品末端移到開發(fā)設(shè)計階段，從源頭開始考慮列車產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)對自然的潛在影響。即在列車產(chǎn)品設(shè)計時就充分考慮產(chǎn)品制造、銷售、使用、維護、報廢后的回收利用、最終廢棄物處理等環(huán)節(jié)可能對環(huán)境造成的影響，對產(chǎn)品的耐用性、再使用性、再制造性、再循環(huán)性以及最終廢棄物處理等問題進行系統(tǒng)分析和綜合評價，從而緩解列車產(chǎn)品對自然資源和環(huán)境的壓力。

列車生態(tài)設(shè)計的主要任務(wù)是：1) 產(chǎn)生更少的污染或無污染，2) 能源消耗更少或使用再生能源，3) 產(chǎn)品系統(tǒng)對人類社會和自然環(huán)境更加友好。作為新型高速列車生態(tài)設(shè)計主要是從列車的設(shè)計制造、運行、維護等方面進行設(shè)計。從生態(tài)設(shè)計思維考慮，新型高速列車設(shè)計時從列車的全壽命周期的各個方面出發(fā)，做到列車產(chǎn)品與自然環(huán)境的和諧發(fā)展，如圖1所示。

圖1 設(shè)計理念圖

新型高速列車生態(tài)設(shè)計的造型可以描述為：列車的編組具有自主性，可以隨意的組合編組長度；更加輕量化和更高空間利用率的車型結(jié)構(gòu)；使用新的輕量化外觀材料和環(huán)保材料；改變動力系統(tǒng)空間布置和內(nèi)飾空間布置；更新駕駛界面和內(nèi)飾功能布置等。

在軌道交通產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計中，主要以環(huán)境為重點，形成環(huán)境友好型設(shè)計產(chǎn)品系列，形成能源、效率、經(jīng)濟和生態(tài)的平衡發(fā)展關(guān)系。因此新型軌道交通產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計思想主要表現(xiàn)如表1所示 。

表1 生態(tài)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

3 新型高速軌道列車生態(tài)設(shè)計規(guī)范

如今社會，能源消耗比較龐大，新型軌道交通產(chǎn)品就必須從材料能源和可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，實現(xiàn)能源的可循環(huán)使用、環(huán)境友好。因此新型軌道交通的生態(tài)設(shè)計是以環(huán)境方面和產(chǎn)品全壽命周期進行設(shè)計考慮。在產(chǎn)品的全壽命周期，實現(xiàn)能量的循環(huán)使用，減小環(huán)境污染、噪聲污染，減少能量資源的消耗，實現(xiàn)材料環(huán)保和可回收性等。

3.1 生態(tài)設(shè)計規(guī)范——模塊設(shè)計

模塊化設(shè)計就是在對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場的不同需求。利用模塊化設(shè)計可以很好地解決產(chǎn)品品種、規(guī)格與設(shè)計制造周期和生產(chǎn)成本之間的矛盾。模塊化設(shè)計提高了產(chǎn)品品質(zhì)，方便維修，有利于產(chǎn)品廢棄后的拆卸回收[2]。

現(xiàn)在國內(nèi)外軌道交通車輛均采用模塊化生產(chǎn)，大量采用鋁合金或不銹鋼作為輕量軌道交通車輛制造材料?；谲囕v模塊生產(chǎn)的概念，根據(jù)編組車輛的數(shù)量，每列動車組的長度可以改變，根據(jù)其設(shè)備和預(yù)定服務(wù)的不同，每輛車的定員可以變化的。生態(tài)設(shè)計模塊化概念分為兩類：可變模塊和不變模塊，可以通過組合盡可能多的不變模塊來形成獨立的動車組。

a) 零部件的模塊設(shè)計

其原則就是要減少零件的數(shù)量，同時要滿足更高的專業(yè)化要求和更大規(guī)?；纳a(chǎn)制造。模塊化的設(shè)計能使備件的管理簡單化，而且修理和維護的時間降至最低。

b) 功能區(qū)域的模塊設(shè)計

列車的生態(tài)設(shè)計也可以根據(jù)不同的功能，將整列車分為帶動力的頭車、不帶動力的頭車、帶動力的中間車、不帶動力的中間車。每節(jié)車輛可以根據(jù)不同的功能分為不同的部分，可以選擇或者結(jié)合不同的選項組成不同類型的車種，例如不同保護系統(tǒng)的列車，不同定員的一等車和二等車類型，是否包含帶有快餐飲料區(qū)及其他選擇或特別配置的功能區(qū)域等。

根據(jù)功能可以簡單分為司機室區(qū)和客室區(qū)，司機室區(qū)可以根據(jù)列車車頭外形的不同和配置的不同提供多種方案；客室區(qū)又可以根據(jù)不同的功能進行區(qū)分，除了一些特定的區(qū)域不做改變外，如端墻部區(qū)等，另外的區(qū)域可以進行個性化、分區(qū)域設(shè)計。為了滿足客戶的需求，減小設(shè)計周期，就可以隨意的組合方案，形成特色的設(shè)計理念，滿足不同的客戶需求。這樣特色分區(qū)組合的概念可以滿足不同客戶的需求，而且每一系列的車都不一樣，給旅客帶來了一種特別的旅途感覺，符合現(xiàn)代人對列車的要求。

c) 編組的模塊設(shè)計

根據(jù)生態(tài)設(shè)計理念，列車的編組情況是可以選擇的，根據(jù)用戶的需求和實際的運行，運行商可以自由組合列車的編組情況。每一個系列的車具有相同的互換性和相同的接口性能，根據(jù)運行商的運營情況自行組合。根據(jù)現(xiàn)代動車設(shè)計理念：動車分為動力分散式和動力相對集中式。為了滿足不同環(huán)境和線路速度要求，提出了動力混合動車概念和電力機車、內(nèi)燃機車混合編組等概念，可以進行不同動力的組合和動力單元的分配；可以根據(jù)客流量大小以及路程行程距離組合不同定員、車門數(shù)量、動力單元的列車編組形式。而且電力機車和內(nèi)燃機的混合編組是通過電動和內(nèi)燃機車的經(jīng)典推拉式運行，實現(xiàn)特殊地區(qū)的鐵路運輸情況?；谏鷳B(tài)設(shè)計的車輛可以自由組合，用于區(qū)域和遠途運輸?shù)淖疃鄻拥倪\行應(yīng)用。不同車輛產(chǎn)品也可以組合。

3.2 生態(tài)設(shè)計規(guī)范——優(yōu)化設(shè)計

a) 空氣動力學(xué)性能優(yōu)化

隨著列車速度的提高，空氣動力學(xué)效應(yīng)在高速列車上尤為明顯?？諝鈩恿π?yīng)(壓力波、空氣阻力、列車風(fēng)、微氣壓波等)對列車運行的安全性、旅客乘坐的舒適性及隧道周圍環(huán)境均有不良影響[3]。通過對列車拖拽和側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性等進行優(yōu)化設(shè)計，可以提高列車的運行安全性。

在高速列車運行過程中，空氣阻力占車體阻力的80%以上，因此在設(shè)計過程中更應(yīng)該注意空氣壓力脈沖。從結(jié)構(gòu)疲勞極限來看，車體能夠承受運行期間壓力脈沖引起的運營服務(wù)內(nèi)一次使用壽命的空氣動力載荷總和。由于列車在隧道中運行導(dǎo)致氣壓變化，因此高速列車需要高氣密性確保旅客的舒適性。通過采用焊接鋁材車體結(jié)構(gòu)以及組成壓力密閉車體的系統(tǒng)要求和解決方案的精細選擇，確保了氣密性，如進氣口和排氣口，門，窗戶，廁所和通過臺。

b) 舒適自適應(yīng)系統(tǒng)

列車車廂是一個公共區(qū)域，而且是一個相對封閉的區(qū)域，在人多嘈雜的環(huán)境中如何提供大家一個舒適的環(huán)境，是現(xiàn)代列車人性化考慮的出發(fā)點。例如，夏季，上下班高峰期地鐵的人群密度比平時超出幾倍之多，為了營造一個涼爽的環(huán)境就可能加大空調(diào)的工作效率。但是這樣就會出現(xiàn)一個問題：空調(diào)功率恒定時，在不同的運營區(qū)間，客流量的不同，就會給乘客帶來忽冷忽熱的感覺。

如何解決這樣的問題，生態(tài)設(shè)計提出舒適自適應(yīng)系統(tǒng)，滿足人體熱舒適。人體熱舒適在ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)中的定義為人對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)[4]。通過研究人體對熱環(huán)境的主觀熱反應(yīng)，得到人體熱舒適的環(huán)境參數(shù)組合的最佳范圍和允許范圍以及實現(xiàn)這一條件的控制、調(diào)節(jié)方法。在生態(tài)設(shè)計中，舒適自適應(yīng)系統(tǒng)既可以滿足人的舒適度要求，又可以滿足節(jié)能要求。

在列車的生態(tài)設(shè)計中，舒適自適應(yīng)系統(tǒng)是通過傳感信息、自然通風(fēng)以及室內(nèi)動態(tài)等溫空氣等措施，在滿足人體熱感覺和一定程度的熱舒適基本要求的同時，又可以實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。易變的新風(fēng)速率系統(tǒng)使用傳感器信息確定旅客占有量并據(jù)此調(diào)整新風(fēng)速率；熱交換機系統(tǒng)通過使用廢排空氣中的80%的能量對新風(fēng)進行預(yù)熱或預(yù)冷。以及對流加熱通過地板和側(cè)墻進行熱分配確保適宜的內(nèi)部氣候。

c) 能量自我管理系統(tǒng)

在生態(tài)設(shè)計中，能量自我管理系統(tǒng)是整車的能量管理核心，既可以有效地為列車提供能量，又可以減小不必要的能量損失。能量管理系統(tǒng)集保護、控制、測量、信號采集、故障錄波、諧波分析、電能質(zhì)量管理、負荷控制和運行管理為一體，實現(xiàn)了列車系統(tǒng)高、低壓電氣設(shè)備分散監(jiān)控、集中管理功能，全面提高列車現(xiàn)代化管理水平[5]。

能量自我管理系統(tǒng)主要功能模塊包括：

1) 能量消耗管理：能量消耗管理包括能量監(jiān)視、分析以及控制能量使用，從而列車能量的整體使用成本，同時將能量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，用于掌握和分析各個部分的能量使用情況。

2) 關(guān)鍵能耗負載分布和能耗負載特性分析：測定和記錄來自各個能量消耗模塊在每個需用時限的能源使用數(shù)據(jù)，用戶可以根據(jù)實際確定負載系數(shù)、最高要求負荷周期，以及與之相關(guān)的設(shè)備的能耗。

3) 電能品質(zhì)控制與報警：通過測定系統(tǒng)和站點的電能品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)潛在電能品質(zhì)危害，捕捉系統(tǒng)的越限情況和能源消耗異常，發(fā)出報警信息。

4) 節(jié)能措施及優(yōu)化：通過能源數(shù)據(jù)的收集和設(shè)備狀態(tài)的分析，發(fā)覺節(jié)能空間領(lǐng)域和對各項節(jié)能措施和實際效果進行優(yōu)化，如再生制動能量利用、諧波治理、照明控制、通風(fēng)、空調(diào)制冷等，提高系統(tǒng)或設(shè)備的使用效率。

3.3 生態(tài)設(shè)計規(guī)范——環(huán)境設(shè)計

a) 生態(tài)材料設(shè)計

生態(tài)材料又稱環(huán)境協(xié)調(diào)材料或綠色材料，是指具有良好功能或使用性，在制備、使用、廢棄直至再生循環(huán)的整個過程，都與環(huán)境協(xié)調(diào)共存的一大類材料。其主要特點是：1) 資源和能源消耗少；2) 對生態(tài)環(huán)境污染少；3) 有利于人類健康；4) 再生利用率高或可降解循環(huán)利用。生態(tài)材料的主要概念包括材料本身的生態(tài)性(即生產(chǎn)能耗低的優(yōu)質(zhì)材料)；生產(chǎn)過程的生態(tài)性(即低噪聲、無污染、高安全環(huán)保型)；材料使用的生態(tài)性(即節(jié)省的、可回收的)以及符合現(xiàn)代工學(xué)的要求等。

在新型列車生態(tài)設(shè)計的生態(tài)材料選用中應(yīng)注意：

1) 選擇有利于保護資源的材料，如可再生材料、可循環(huán)使用材料、可回收材料等，使用這些材料不但可以做到回收，并且能夠收集和再生產(chǎn)，或者使用廢棄的產(chǎn)品，并將其作為再生產(chǎn)過程中的原材料等；減小對環(huán)境的破壞和污染，從而保護環(huán)境。

2) 選擇對環(huán)境影響小的材料，及在生態(tài)設(shè)計中盡可能選用安全材料。這包括要求材料本身無害，使用過程中不能釋放有毒和有害物質(zhì)；在生產(chǎn)過程中不污染環(huán)境、破壞環(huán)境的材料；以及低能耗、不會對人造成損害的材料。

3) 考慮材料在整個生命周期(生命周期包括加工生產(chǎn)過程、使用過程、廢棄過程、回收過程)中對環(huán)境產(chǎn)生的綜合影響。

例如列車生態(tài)設(shè)計中，根據(jù)UIC規(guī)定的環(huán)保方面和生命周期為評估基礎(chǔ)確定車輛內(nèi)裝材料，避免材料的殘余毒性對乘客和環(huán)境造成影響。在選購中采用不燃或低燃的材料，或者某些無鹵低煙難燃或無鹵低煙阻燃材料，避免材料在使用或者發(fā)生火災(zāi)過程中釋放有害氣體。在列車生態(tài)設(shè)計過程中采用可以回收的材料，可以避免材料對環(huán)境的污染。列車零部件按照生態(tài)設(shè)計原則做好標(biāo)記以便在后期使用階段更好辨認、分類和回收處理。

b) 低噪聲污染設(shè)計

隨著列車速度的提高，鐵路沿線的振動和噪聲污染日益加劇，這樣不但影響乘客的身心健康，而且還降低了鐵路沿線居民的工作和生活質(zhì)量。高速列車噪聲由牽引噪聲、輪軌噪聲、空氣動力學(xué)噪聲、集電系統(tǒng)噪聲和高架橋噪聲等組成[6]。

高速列車產(chǎn)生的噪聲，主要與列車的結(jié)構(gòu)、速度、質(zhì)量、行車密度，線路狀況、線路兩旁的建筑物和綠化狀況，以及隧道的幾何尺寸和材料、司機駕駛技術(shù)等有關(guān)?？刂聘咚倭熊嚱o環(huán)境帶來的污染，就必須從聲源上降低噪聲、傳播途徑上隔斷及吸收噪聲、對噪聲接收的對象進行必要的保護。從列車生態(tài)設(shè)計結(jié)構(gòu)方面提出防治噪聲污染的措施：

1) 優(yōu)化輪設(shè)計，制動盤增大噪聲阻尼，提供光滑的轉(zhuǎn)動表面；

2) 避免車體與轉(zhuǎn)向架等零部件，以及車輛與軌道的共振；

3) 采用流線型車頭形狀和車體斷面，改進受電弓結(jié)構(gòu)，以控制空氣動力噪聲；

4) 設(shè)計車輛端部防沖撞和減振裝置，控制車輛端部的振動與噪聲；

5) 采用可變阻尼減振器控制尾車的振動；

6) 降低噪聲源的噪聲輻射，采用吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)；

7) 加強車體的氣密性，減少噪聲的透射；

8) 控制車輛設(shè)備等大部件的振動和噪聲指標(biāo)；

9) 實現(xiàn)無聲運行；

10) 實現(xiàn)噪聲系統(tǒng)的控制管理。

除了在車輛上采取減噪措施避免車輛各部件之間的共振、車體上采取隔聲和吸聲結(jié)構(gòu)等優(yōu)化高速列車的聲學(xué)設(shè)計措施以外；在車流管理方面要完善鐵路網(wǎng)、加強運行和物流管理；在線路建設(shè)方面改善線路質(zhì)量、投入必要的環(huán)保設(shè)施；還需要在沿線建設(shè)防噪工程，減小沿線居民的噪聲污染。

c) 低能低耗設(shè)計

高速列車作為一種快速的交通工具，是一個龐大的能量消耗體系。列車的能源消耗涉及諸多因素，包括列車的牽引制動性能、列車質(zhì)量、線路條件以及列車的操縱方式等，通過對相關(guān)條件改變，可以實現(xiàn)列車節(jié)能的目的。在高速列車設(shè)計方面，為了達到較高的速度就必須要加大元器件功率，元器件功率增大必然引起能量消耗的增大，如何節(jié)能減耗是個難題。在生態(tài)設(shè)計中為了能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減耗盡量使用新方法新工藝：

1) 降低能耗：蓄電池或者超級電容器蓄能提供節(jié)約寶貴的電能的可能，否則電能將通過制動以熱能損耗。

2) 改進列車性能：最新工藝的動力模塊(IGBT)的發(fā)展提供同動力等級輕量化列車的可能，降低軌道車輛與基礎(chǔ)設(shè)施的生命周期成本。

3) 節(jié)能運行控制方式：模擬、預(yù)測和優(yōu)化整個系統(tǒng)的所有能量流，能夠在多樣化的線路上優(yōu)化整列車的驅(qū)動性能，生成列車時刻表按需進行供電和系統(tǒng)分配。

4) 再生制動節(jié)能方式：在不降低行車間隔的情況下，通過列車制動系統(tǒng)所提供的再生制動的節(jié)能方式來提高再生能利用率。

5) 混合動力方案：油電混合動力、液化天然氣或壓縮天然氣燃料動力機車、燃料電池系統(tǒng)動力、生物氣體動力。

6) 新光源：LED光源使白熾燈與主光源更換成本降低了10倍。

4 總結(jié)

列車的生態(tài)設(shè)計解決了人與自然的和諧關(guān)系，從列車的設(shè)計理念到列車的回收利用，展現(xiàn)生態(tài)設(shè)計概念、生態(tài)環(huán)保材料的應(yīng)用等。生態(tài)設(shè)計更加適應(yīng)環(huán)境、更加舒適安全、更加經(jīng)濟、更加和諧，推動高速列車的進一步發(fā)展。

[1] 劉彬霞.汽車產(chǎn)品的技術(shù)研究[J].江蘇大學(xué)，2009.

[2] 唐濤，劉志峰，劉光復(fù)，等.綠色模塊化設(shè)計研究[M].北京：機械工業(yè)報2003.

[3] 李剛，梅元貴.國外高速列車進出隧道空氣動力學(xué)模型研究方法[J].隧道建設(shè)，2007.

[4] 羅明智，李百戰(zhàn)，鄭潔.人體熱適應(yīng)性和熱舒適[J].制冷與空調(diào)，2005.

[5] 周鐵軍.地鐵電能量管理系統(tǒng)[J].技術(shù)交流.

[6] 高軍.高速鐵路的噪聲控制方法研究[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2006，28(7)：83-85.

Study of Ecological Design in New High-speed Rail Trains

HE Tian

(Tangshan Railway Vehicle Co.,Ltd.Tangshan 063035,China)

High-speed rail trains ecological design reflects the new design concept, as well as the harmony between man and nature progress. From this design concept, this paper introduces various aspects in this design and the corresponding measures, in order to maintain the ecological environmental and the harmonious development of man and nature and the train.

eco-design;high-speed rail train;environment;nature

何天(1985-)，男，河北張家口人，工程師，碩士，研究方向為先進制造與動車設(shè)計。

TH12；U266

B

1671-5276(2014)02-0053-04

2013-02-28