李作良 劉 靜

(中車集團唐山機車車輛有限公司， 唐山 063035)

高速鐵路動車組靜置空調試驗結果分析

李作良 劉 靜

(中車集團唐山機車車輛有限公司， 唐山 063035)

在環(huán)境試驗室進行的CRH380BL型高速動車組的空調系統(tǒng)(HVAC)試驗，證明動車組車體具有很好的隔熱性能，空調系統(tǒng)在冬季和夏季環(huán)境溫度下都能為乘客提供足夠的新風量。文章通過對典型車型空氣調節(jié)能力的試驗結果進行分析，證明風道結構對動車組客室內溫度場有較大的影響。空調系統(tǒng)采用冷暖風道分開供風，保證了在制熱和制冷兩種工況下，車內溫度均勻性都能達到UIC 553-2004標準的要求。但是由于受電弓裝置占用了大量車頂空間，導致該車型前排座椅位置的舒適性較差，應根據車內溫度分布對車頂風道結構進行相應的改進。

高速鐵路空調系統(tǒng)； 模擬環(huán)境試驗； 風道結構

隨著國內高速鐵路的迅猛發(fā)展，乘坐高速鐵路出行已經成為廣大民眾普遍選擇。我國地域遼闊，高速鐵路運行期間可能要跨越幾個氣候條件不同的地區(qū)。在長時間乘坐高速鐵路時，客室內的溫度值和溫度均勻性是影響乘客舒適性的重要因素，這對高速動車組空調系統(tǒng)提出了較高的要求。

1 高速動車組的空調系統(tǒng)

CRH380BL型高速動車組是我國正在運營的主要動車組型號之一，其空調系統(tǒng)(HVAC)結構主要包括以下幾部分：車頂的單元式空調機組、安裝在車頂并貫穿于整車的供風道組成和風道兩側與側墻風道連接的軟風道，空調兩側的新風系統(tǒng)和車下的廢排系統(tǒng)[1]。

根據設計思想，此型動車組在靜置模擬環(huán)境下的HVAC系統(tǒng)實驗選擇在青島四方車輛研究所的熱工實驗室進行，采用UIC 553-1-2005《客車的通風、采暖和空調-型式試驗》[2]作為試驗依據。

CRH380BL動車組的車內結構主要有頭車、中間車和餐車3種，也是空調試驗選取的車型，試驗內容包括隔熱、通風、采暖、制冷4項。

2 隔熱性能試驗

車體的隔熱性能試驗是檢驗動車組隔熱設計的重要依據[3]，評價指標是車體傳熱系數(K值)，即單位面積車體在內外溫差為1 K時傳遞的熱量。傳熱系數越小則車體的隔熱性能越好，如表1所示。

表1 CRH380BL車體傳熱系數

頭車有司機室，其導流罩以及前窗的換熱面積較大，這些部件的隔熱能力比其他部位要差，導致頭車的車體傳熱系數比其他車型大0.1。3種車型的傳熱系數都遠低于動車組采購技術條件的限值1.5，也低于國標客車技術條件對鋁合金結構客車傳熱系數1.4的限值[4]，證明CRH380BL具有非常良好的隔熱性能。

3 通風性能試驗

動車組的通風性能試驗主要考察空調系統(tǒng)風機的送風能力和人均新風量，與送風能力相關的風閥開度和通風量、廢排量等數據是進行恒溫試驗的基礎，而人均新風量是考核旅客舒適性的重要指標。如果動車組運行時沒有足夠的新鮮空氣進入車廂內，會導致CO2濃度升高引起旅客不適。近年有的動車組發(fā)生故障，長時間停車導致旅客胸悶昏厥就是由于新風不足導致的。但是動車組運行時新風口處的壓力情況與靜止不同，新風量隨車速增加而變化[5]，CRH380BL動車組采用了可調解的新風閥來保證運行狀態(tài)的新風量。

實驗人員采用TSI多功能風速計和自制導筒，測量3種車型的新風量結果如表2所示。由于3種車型安裝的空調機組功率和送風能力一致，所以針對不同載客量的車型和不同車外溫度，采用不同的新風閥開度，既能夠滿足人均新風的要求(冬季15 m3/s，夏季20 m3/s)[6]，也利于在動車組運行時進行調節(jié)。

表2 CRH380BL動車組新風量

4 空氣調節(jié)性能試驗

空氣調節(jié)性能試驗分為采暖性能和制冷性能試驗，檢驗動車組在高溫和低溫環(huán)境下，是否能夠給乘客提供舒適的溫度環(huán)境。對于不同車型的動車組來說，風道結構是空氣調節(jié)性能的基礎，風道結構設計是否合理直接影響車廂內的溫度均勻性。

CRH380BL動車組的空調主風道為雙層結構，如圖1所示。且在夏季制冷模式和冬季制熱模式下送風方式不同。在制冷模式下，大約75%的風量通過中間風道輸送，中央風道的空氣主要通過風道下面的出風孔及調整板后從多孔天花板上排出，25%由外側的暖氣風道輸送，沿車體側墻內的風道到達車底排出。在制熱模式下，熱風主要通過外側暖風風道供風(大約80%)，其余從車頂中間風道送出。07車風道立體示意如圖2所示[9]。

圖1 主風道結構示意圖

圖2 07車風道的立體示意圖

CRH380BL動車組的02/07車作為中間車型有一定的代表性，由于車頂安裝有受電弓，導致該車的主風道比普通中間車的短一截，影響送風均勻性，因此以07車為例，對其空調試驗結果進行分析。

UIC553標準中對在-25℃～35℃環(huán)境溫度下運行的動車組客室內溫差的要求為車廂內代表旅客主要活動范圍的距離地面1.1 m的測點溫差不超過2 K[5]。實驗中通過在座椅的相應高度上布置測點，能夠監(jiān)控客室內水平溫度和垂直溫度的分布，并判斷車內溫度場的均勻性。

5 空氣調節(jié)性能試驗結果

5.1 采暖試驗

采暖試驗共分為4個工況，如圖3所示。選取車外溫度分別為為0℃和-25℃，檢測時間90 min，其中“有負載”指車內用加熱器模擬定員乘客的散熱，工況1～工況3是在外溫0℃下，將客室內的溫度分別設定為22℃(0偏置)、24℃(+2偏置)、20℃(-2偏置)，主要檢驗外溫不變條件下，空調機組對車內溫度的精確控制能力。工況4是在外溫-20℃下，檢驗空調系統(tǒng)對車內的制熱能力。

圖3 采暖工況下車內平均溫度變化

圖4 采暖工況下車內水平溫差變化

試驗中客室內的平均溫度變化很小，平均溫度的波動基本上都小于0.5℃。水平溫差的變化如圖4所示。采暖試驗各個工況中客室內水平溫差都小于2℃，工況2在試驗開始的30 min內變化比較劇烈，但是當車內流場進入穩(wěn)態(tài)之后，溫差也減小到1.7℃以下，與車內平均溫度的變化相符。比較車內模擬定員乘客和空車兩種狀態(tài)，有負載時車內溫差的穩(wěn)定性較差，符合實際情況。另外，在環(huán)境溫度達到-20℃時，水平溫差仍然維持在1.7℃以下，而且波動平緩，顯然得益于車輛良好的隔熱性能。

5.2 制冷工況

制冷工況主要對外溫環(huán)境35℃時動車組空調制冷能力和溫度均勻性進行檢驗，實驗工況分別為：(1)車內溫度設定24℃(0偏置)有模擬乘客散熱；(2)車內溫度設定22℃(-2偏置)有模擬乘客散熱；(3)車內溫度設定22℃(-2偏置)無模擬乘客散熱。制冷工況下車內的平均溫度變化都小于0.5℃，如圖5所示。溫度波動隨時間延長而減小，可知車內溫度場逐漸達到穩(wěn)定?？哲嚑顟B(tài)下，平均溫度一直在緩慢單調下降，可能因為沒有乘客散熱影響車內溫度場，平均溫度會逐漸降到22℃并穩(wěn)定。

圖5 制冷工況下的平均溫度變化

水平溫差的變化趨勢如圖6所示。模擬無乘客工況時空調系統(tǒng)更容易控制車內溫差，水平溫差隨著溫度場的穩(wěn)定逐漸降到了1℃。但是，當車內模擬定員載荷時，空調機組需要間歇性的增加功率以便平衡乘客的散熱，導致水平溫差變化趨勢呈現出劇烈的上下波動，在試驗人員調試了接近5 h后才將水平溫差控制在2℃左右。

圖6 制冷工況下水平溫差變化

6 車內溫度場分布

6.1 溫度場試驗數據的選取

07車客室內共16排座椅，客室內的溫度場達到穩(wěn)態(tài)后，選取第一、六、十二、十六排座椅上方1.1 m位置的溫度點平均值，作為觀察車廂前部、中前部、中后部、后部的水平溫度梯度變化依據[8]。第一排座椅上方車頂安裝有受電弓裝置，第十六排座椅上方車頂安裝有空調機組。每隔15分鐘記錄一次數據，連續(xù)記錄90分鐘。

6.2 采暖工況下外溫0℃的車內溫度分布

圖7給出了不同溫度偏置下07車從前到后的溫度分布情況。

圖7 外溫0℃下溫度設定分別偏置+2K、0K及-2K的車內溫度分布

比較3種溫度分布，可以發(fā)現07車一位端(有受電弓)區(qū)域的溫度始終低于車廂其他位置，而車廂中前部的溫度較高。車內溫度設定降低時，隨著空調制熱功率的減小，車內的平均溫度逐步下降，但是第六排座椅中前部區(qū)域溫度相對下降得少，表明此區(qū)域的暖風相對更多。

6.3 采暖工況更低環(huán)境溫度下的車內溫度場分布

將實驗室內溫度分別調整至-10℃、-20℃、-25℃，空調處于全功率制熱工況下。此3種工況下車內溫度場分布曲線如圖8所示。在3種外溫環(huán)境下，車內的溫度梯度幾乎相同，車廂最前排的溫度明顯低于后排，舒適度較差，車廂中部溫度高于車廂后部。

圖8 外溫-10℃、-20℃、-25℃車內溫度分布

根據采暖工況下空調的送風模式(約75%的暖風通過兩側風道經內側墻板從車廂底部送出，頂部風道的暖風只占約25%)，分析07車受電弓下方區(qū)域舒適度較差的原因。對比車廂的風道結構可知，由于受電弓占用了大量車頂空間，造成此位置無法安裝主風道，雖然受電弓下方與車廂頂板之間留有高10 cm的空間，使得主風道吹出來的熱空氣能夠到達車廂前三排座椅上方，但是由于沒有風道的集束作用和導流板的導流，暖風的風速很低，很難通過側墻風道抵達乘客腳邊，只能堆積在車廂的頂部區(qū)域，并隨著回風回到空調機組，座椅位置的熱空氣嚴重不足，溫度偏低。

6.4 制冷工況下車內溫度分布

將實驗室內溫度分別調整至22℃、35℃、40℃，空調處于全功率制冷工況下。此3種工況下車內溫度分布曲線如圖9所示?？砂l(fā)現座椅位置的溫度變化相似，第一排溫度較低，之后逐漸升高，第六排的溫度高升至全車廂的最高溫度，接下來溫度又逐漸降低，第十二排的溫度最低，之后又逐漸升高。

圖9 外溫22℃、35℃、40℃下車內溫度分布

結合車廂的風道結構來研究，車廂前排座椅上方沒有主風道和導流板，按道理來說應當會出現冷氣不足溫度偏高的現象，與實際結果不符。但是通過對送風方式的分析可知，制冷工況下通過車頂主風道的送風量占總風量的80%，主風道內的風速比采暖工況下要高得多[9]，由于沒有風道的集束作用，冷風從端部出口吹出后氣壓驟然減小，導致大量冷風沿著受電弓下方10 cm高的空間吹到第一排座椅位置，所以有效地降低了車廂前排的溫度。與此相對的是，在主風道端部出口后面的其他出風口有導流板，壓降比端部出風口小，通過的冷風相對更低，導致車廂第五、六排位置冷氣不足，溫度比第一排高出很多。在試驗中，實驗人員通過大大減小主風道端部出風口面積，才有效地降低了第五、六排的溫度。

而第十五、十六排上方是安裝通風機和主風道縱向導流板位置，并沒有出風口，座椅區(qū)域的降溫依賴前排冷氣回風，導致溫度比第十二排高。

6.5 總體分析

從試驗結果來看，TC07車車內溫度分布呈如下規(guī)律：由于安裝受電弓對主風道的影響，在冬季和夏季車廂的第一至三排溫度偏低，且車廂前部和中前部溫差較大，容易引起旅客的不適。車廂的中后部和后部溫度適宜且溫差小。如果想改善這種狀況，必須對風道結構進行改進。首先要對主風道的端部出風口結構進行改造，在端部安裝導筒，與車廂最前排的側墻板連通，側墻板內布置風道，將暖氣風道的加熱空氣引導至第一排的地板上方，改善冬季最前排溫度低的情況。同時，減小端部冷風出口的截面積，在出風口前方安裝一個導流板，導流板的角度可以調節(jié)并最好做成格柵狀，在夏季制冷工況下，使制冷空氣分流一部分向下，吹入車廂中前排，改善車廂中部的溫度偏高狀況。

7 結論

CRH380BL在空調系統(tǒng)靜置環(huán)境試驗中被證明具有很好車體隔熱性能和新風補充能力。無論在低溫和高溫環(huán)境下，車內溫度場達到穩(wěn)定后，平均溫度和水平溫差都在很小的范圍內上下波動。車內溫度分布則揭示了車廂內部溫度均勻性與風道結構之間的關系，其合理的風道設計完全滿足乘客對車內溫度舒適性的要求，但是對于受電弓車型，仍然需要對主風道進行改進，改善前排坐席的溫度舒適性。

[1] 孫幫成.CRH380BL型動車組[M].北京：中國鐵道出版社, 2014. SUN Bangcheng. CRH380BL high speed EMU[M].Beijing:China Railway Publishing House,2014.

[2] UIC 553-1-2005 客車的通風、采暖和空調-型式試驗[S]. UIC 553-1-2005 heating, ventilation and air-ondition in coaches-Standard tests [S].

[3] 劉長遠,武彤.鋁合金車體隔熱壁設計原理[J].城市軌道交通研究,2008，11(5):39-42. LIU Changyuan, WU Tong. Heat insulation wall of aluminum alloy car body design principle[J]. Urban Mass Transit | Urban Mass Trans, 2008,11(5):39-42.

[4] GB/T 12817-2004 鐵道客車通用技術條件[S]. GB/T 12817-2004 General technical requirements railway passenger car[S].

[5] 王學東.鐵道客車空調性能分析與試驗研究[D].長沙：中南大學,2006. WANG Xuedong.Air conditioning performance analysis and experimental research of railway passenger car[D]. Changsha：Central South University,2006.

[6] 滕廣武,歐陽仲志.鐵路高速動車組空調試驗和舒適性要求[J].鐵道車輛，2009，47(10):30-32. TENG Guangwu, OUYANG Zhongzhi. The Air-Conditioning Test and Comfortability Requirements on Railway High Speed Multiple Units[J].RollingStock,2009,47(10):30-32.

[7] UIC 553 OR 客車采暖、通風和空調[S]. UIC 553 OR Heating, Ventilation and Air Conditioning in Coaches[S].

[8] 歐陽仲志.國內外鐵路客車空調采暖試驗方法的差異分析[J].鐵道車輛，2009，47(3):28-32. OUYANG Zhongzhi. The Differential Analysis in the Air-Conditioning and Heating Test Method for Railway Passenger Cars in China and Abroad[J]. Rolling Stock, 2009，47(3):28-32.

[9] 丁浩.CRH2型高速列車空調系統(tǒng)與車內流場質量分析[D]．成都：西南交通大學,2013. DING Hao.Quality analysis on air-condition system and compartment of high-speed train[D]. Chengdu: Southweat Jiaotong University,2013.

Analysis of test results of HVAC system in the high speed EMU

LI Zuoliang LIU Jing

(CRRC TAGSHAN CO.,LTD，Tangshan 063035， China)

The air-conditioning system (HVAC) test in artificial climatic laboratory of CRH380BL high speed EMU proves that the EMU car body has very good heat insulation performance. No matter the ambient temperature in winter or in summer the HVAC can provide passengers with enough fresh air. The test results analysis of air conditioning ability of representative vehicle model demonstrates the temperature field in carriage has been affected by the air duct structure. The HVAC separates the heated air and cooling air by different air duct to ensure the carriage temperature uniformity can meet the requirements of standard UIC553-2004 in heating and cooling working conditions. On account of the pantograph taking up a large amount of roof space, the comfortability of seat positions in the front of the carriage is poorer. The air duct structure should be improved according to the interior temperature distribution.

HVAC of high speed EMU； simulation environment test; air duct structure

2016-02-18

李作良(1983-)，男，工程師。

1674—8247(2016)04—0019—05

U270.38+3

A