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(chē)輛空調(diào)負(fù)荷及車(chē)內(nèi)環(huán)境舒適性的重要因素之一，因此必須滿(mǎn)足車(chē)輛車(chē)體的設(shè)計(jì)要求。首先闡述哈薩克斯坦地鐵整車(chē)及各部位的 K 值特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)其 K 值進(jìn)行模擬與分析，最后對(duì)車(chē)體整車(chē)的 K 值進(jìn)行等效計(jì)算，得到整車(chē)的 K 值約為1.95 W/m2 · K，該值滿(mǎn)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(chē)輛;傳熱系數(shù);仿真;傳熱模型;熱流密度

中圖分類(lèi)號(hào)：U270.2

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

目前，電動(dòng)車(chē)組車(chē)輛在地鐵方面的重要性日益顯現(xiàn)，研究各部位冷橋?qū)φ?chē)K值的影響可以更好地為優(yōu)化列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)性能、改進(jìn)車(chē)體結(jié)構(gòu)及改善車(chē)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(mǎn)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(dòng)車(chē)組地鐵車(chē)輛為研究對(duì)象，將整車(chē)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(chē)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(chē)的K值越小，該車(chē)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(chē)熱工計(jì)算方法》可知，空調(diào)負(fù)荷與車(chē)體的結(jié)構(gòu)、材料等密切相關(guān)，因此通過(guò)改善車(chē)體熱工性能、降低K值，有助于降低空調(diào)負(fù)荷及改善車(chē)室內(nèi)的熱環(huán)境;同時(shí)，分析車(chē)體各部位的結(jié)構(gòu)、材料對(duì)整車(chē)K值影響的大小，對(duì)整車(chē)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(chē)體材料的特性如表1所示。

車(chē)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(duì)流換熱系數(shù)為8 W/（m · K）;④外表面對(duì)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(jiǎn)單平壁K值的計(jì)算方法簡(jiǎn)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(chē)上所占比例很小，但對(duì)K值影響大，因此整車(chē)?yán)錁蚬?jié)點(diǎn)數(shù)量的多少對(duì)K值的大小起著決定性作用。

2 整車(chē)平壁區(qū)域 K 值的計(jì)算

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

2.1 車(chē)底平壁區(qū)域 K 值的計(jì)算

車(chē)底平壁結(jié)構(gòu)及材料示意圖如圖3所示。車(chē)底型材梁骨的導(dǎo)熱系數(shù)大，故其溫度梯度小。車(chē)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(huì)結(jié)露。

車(chē)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(duì)于窗戶(hù)間側(cè)墻處，車(chē)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(huì)結(jié)露。

根據(jù)模擬結(jié)果，由式（1）計(jì)算出窗戶(hù)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(chē)頂平壁區(qū)域 K 值的計(jì)算

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

2.3.1 車(chē)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(chē)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(huì)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(chē)頂非空調(diào)機(jī)組區(qū)域 K 值計(jì)算

根據(jù)車(chē)頂非空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)及材料示意（圖7）對(duì)傳熱模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分：對(duì)于客室車(chē)頂處，車(chē)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(huì)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(chē)體平壁區(qū)域平均 K 值的計(jì)算

車(chē)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(chē)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(chē)面積。

3 車(chē)體冷橋模型建立及 K 值計(jì)算

整車(chē)上，車(chē)體冷橋主要分布在車(chē)底、車(chē)頂和側(cè)墻3 個(gè)區(qū)域。其中，車(chē)底冷橋有冷橋1和冷橋2 兩部分;車(chē)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(chē)底冷橋計(jì)算

車(chē)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(duì)于車(chē)底冷橋1處，從車(chē)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(huì)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(duì)于車(chē)底冷橋2處，從車(chē)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(huì)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(chē)頂冷橋計(jì)算

車(chē)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(duì)于車(chē)頂冷橋3處，從車(chē)內(nèi)表面溫度分布可以看出，此構(gòu)件周?chē)鷾囟燃s為10.90 ℃。該值高于露點(diǎn)溫度（-2.3 ℃），所以此處不會(huì)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(chē)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(chē)?yán)錁虻钠骄鶄鳠嵯禂?shù)KL值為4.79 W/（m2 · K）。

4 車(chē)體各部位 K 值計(jì)算結(jié)果

車(chē)體各部位冷橋、平壁的平均K值對(duì)整車(chē)的影響占比如表5所示。

根據(jù)整車(chē)?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(chē)的平均傳熱系數(shù)K值為：

該值為綜合考慮車(chē)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(chē)車(chē)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(duì)整車(chē)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(guò)建立模型對(duì)各區(qū)域的冷橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效計(jì)算。最終，將整車(chē)各部位結(jié)構(gòu)的K值匯總，并計(jì)算得出整車(chē)的K值為1.95 W/（m2 · K）。結(jié)果表明，該車(chē)車(chē)體的結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計(jì)滿(mǎn)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(jiǎn)介：黃秋霞（1983—），女，高級(jí)工程師