動(dòng)車(chē)檢查庫(kù)庫(kù)內(nèi)熱源特性實(shí)測(cè)與分析

鄒 磊 于靖華 郭 輝 畢慶煥 田利偉 趙金罡 曾現(xiàn)宏 宋 一 冷康鑫

（1.華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系 武漢 430074；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063）

0 引言

根據(jù)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》，到2025年我國(guó)鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到17.5 萬(wàn)公里左右，其中高速鐵路3.8 萬(wàn)公里左右[1]。在鐵路高速發(fā)展的背景下，大量動(dòng)車(chē)運(yùn)營(yíng)使用，同時(shí)也需要建設(shè)大量動(dòng)車(chē)檢查庫(kù)對(duì)動(dòng)車(chē)進(jìn)行各級(jí)檢修，以保證動(dòng)車(chē)組安全完好地投入運(yùn)營(yíng)。動(dòng)車(chē)檢查庫(kù)在夏季庫(kù)內(nèi)溫度高，主要工作區(qū)域超過(guò)35℃[2]，主要的原因是通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和庫(kù)內(nèi)得熱不匹配，無(wú)法將庫(kù)內(nèi)余熱及時(shí)排至室外，造成庫(kù)內(nèi)溫度過(guò)高。目前針對(duì)檢查庫(kù)的研究主要是采用軟件模擬的方法，對(duì)庫(kù)內(nèi)的通風(fēng)組織形式[3,4]、庫(kù)內(nèi)熱環(huán)境[5,6]、庫(kù)內(nèi)空調(diào)形式[7]進(jìn)行了研究，但是缺乏庫(kù)內(nèi)熱源散熱特性的實(shí)測(cè)及分析研究。本文針對(duì)夏熱冬冷及夏熱冬暖地區(qū)五個(gè)檢查庫(kù)的庫(kù)內(nèi)熱源特性進(jìn)行測(cè)試調(diào)研為動(dòng)車(chē)檢查庫(kù)通風(fēng)降溫方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 測(cè)試概況

測(cè)試地點(diǎn)位于夏熱冬冷地區(qū)（武漢、長(zhǎng)沙）和夏熱冬暖地區(qū)（廣州），檢查庫(kù)規(guī)模上包括四線庫(kù)、六線庫(kù)、十線庫(kù)。測(cè)試時(shí)間為2020年8～9月。檢查庫(kù)的幾何尺寸如表1所示。

表1 檢查庫(kù)幾何尺寸Table 1 Building size of the depots

2 庫(kù)內(nèi)得熱來(lái)源及測(cè)試方法

檢查庫(kù)作為動(dòng)車(chē)檢修、整備、卸污、司乘等一體化作業(yè)的場(chǎng)所，其庫(kù)內(nèi)的熱源散熱特性影響著室內(nèi)的熱環(huán)境。庫(kù)內(nèi)得熱包括外擾得熱如通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱、以及太陽(yáng)輻射得熱和內(nèi)擾得熱如人員、照明、設(shè)備等，此外，庫(kù)內(nèi)的檢修作業(yè)過(guò)程中列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)散熱及新入庫(kù)車(chē)輛外表面散熱將成為重要的熱量來(lái)源。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱

通過(guò)測(cè)量圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度以及近壁面空氣溫度及風(fēng)速，計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)與室內(nèi)空氣的對(duì)流傳熱量，內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[8]提供的計(jì)算公式。

將各圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱代數(shù)和作為通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)庫(kù)內(nèi)總的得熱量，若其值為負(fù)值，則認(rèn)為向庫(kù)內(nèi)的傳熱量為0。各檢查庫(kù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)試數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量Table 2 Heat gain through envelope

2.2 太陽(yáng)輻射得熱量

太陽(yáng)輻射得熱主要來(lái)自天窗、側(cè)窗和外門(mén)。天窗太陽(yáng)輻射得熱采用庫(kù)內(nèi)部地面（不受外窗和外門(mén)影響）的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和地面面積計(jì)算。側(cè)窗和外門(mén)太陽(yáng)輻射得熱采用各自開(kāi)口面積和開(kāi)口處測(cè)得的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算。武漢十線庫(kù)、長(zhǎng)沙六線庫(kù)、長(zhǎng)沙四線庫(kù)、廣州六線庫(kù)、廣州十線庫(kù)在測(cè)試期間室外水平面平均太陽(yáng)輻射照度為827W/m2、792W/m2、560W/m2、627W/m2、31W/m2（陰雨天）。各地檢查庫(kù)太陽(yáng)輻射得熱量測(cè)試數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表3 太陽(yáng)輻射得熱Table 3 Solar radiation heat gain

續(xù)表3 太陽(yáng)輻射得熱

在室外太陽(yáng)輻射較大的檢查庫(kù)內(nèi)太陽(yáng)輻射得熱最大能達(dá)到35.1W/m2，而廣州十線庫(kù)由于室外陰雨天氣，庫(kù)內(nèi)太陽(yáng)輻射得熱很小。西窗是下午庫(kù)內(nèi)太陽(yáng)輻射得熱主要的來(lái)源，在檢查庫(kù)西側(cè)采用遮陽(yáng)設(shè)施有助于減少庫(kù)內(nèi)太陽(yáng)輻射得熱。

2.3 室內(nèi)人員、照明、設(shè)備

庫(kù)內(nèi)檢修工作全天分為兩個(gè)班次，其中8:00～18:00 為白班，19:00～次日8:00 為夜班。庫(kù)內(nèi)工作人員包括檢修人員和保潔人員，人員數(shù)量與檢修任務(wù)安排有關(guān)。庫(kù)內(nèi)人員按散熱量61W（28℃條件下）計(jì)算。

庫(kù)內(nèi)照明系統(tǒng)包括頂部的吊燈、布置在各工作面上方的側(cè)燈和列車(chē)軌道下方的地?zé)?，白天?kù)內(nèi)照明系統(tǒng)一般不開(kāi)啟。

檢查庫(kù)內(nèi)的設(shè)備主要分為操作設(shè)備、檢修設(shè)備和輔助設(shè)備等。包括工位終端操作臺(tái)、隔離開(kāi)關(guān)操作柜、風(fēng)扇電器柜、移動(dòng)式輪輞輪輻探傷設(shè)備和風(fēng)扇。各檢查庫(kù)庫(kù)內(nèi)人員、照明及設(shè)備散熱量如表4所示。

表4 人員、照明及設(shè)備得熱測(cè)試數(shù)據(jù)匯總Table 4 Summary of heat gain of test data for personnel,lighting and equipment

照明一般僅在夜間開(kāi)啟，在白天依靠屋頂?shù)牟晒馓齑昂蛢蓚?cè)立窗進(jìn)行自然采光。人員得熱最大為0.18W/m2，長(zhǎng)沙四線庫(kù)內(nèi)測(cè)試時(shí)段人員較少，人員得熱僅0.05W/m2。庫(kù)內(nèi)設(shè)備得熱最大為5.4W/m2，武漢十線庫(kù)內(nèi)無(wú)風(fēng)扇等設(shè)備開(kāi)啟，庫(kù)內(nèi)設(shè)備得熱僅0.04W/m2。

經(jīng)調(diào)研，夜間人員數(shù)量與白天不相同，照明全部開(kāi)啟，因此夜間得熱量如表5所示。

表5 夜間人員、照明設(shè)備得熱量Table 5 Heat gain of personnel and lighting equipment at night

2.4 車(chē)體表面散熱

通過(guò)測(cè)量剛?cè)霂?kù)車(chē)輛的車(chē)體表面溫度（包括車(chē)頂、側(cè)面及車(chē)底），近表面空氣溫度以及風(fēng)速，計(jì)算車(chē)體表面對(duì)流散熱量。車(chē)體表面溫度采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量，在測(cè)試過(guò)程中選擇剛?cè)霂?kù)的車(chē)輛取車(chē)頭車(chē)中及車(chē)尾不同位置進(jìn)行測(cè)量。車(chē)體近表面風(fēng)速及空氣溫度用熱線風(fēng)速儀測(cè)量，儀器型號(hào)為T(mén)SI 9565。庫(kù)內(nèi)停放的車(chē)型多為CRH2A，頭車(chē)長(zhǎng)度25700mm，中間車(chē)長(zhǎng)度25000mm，車(chē)輛寬度3380mm，車(chē)輛高度3700mm。均按照8 節(jié)車(chē)廂為一個(gè)編組。由于列車(chē)表面為流線型，將車(chē)體簡(jiǎn)化為201400mm×3380mm×3700mm 的長(zhǎng)方體進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)在庫(kù)車(chē)輛和剛?cè)霂?kù)的車(chē)輛進(jìn)行測(cè)量，取其各表面平均溫差計(jì)算單列動(dòng)車(chē)車(chē)體表面散熱量。車(chē)體表面溫度低于室內(nèi)空氣溫度時(shí)，將其散熱量記為0。

表6 車(chē)體表面散熱量Table 6 Heat dissipation on the vehicle surface

2.5 列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)散熱

動(dòng)車(chē)在檢修時(shí)列車(chē)門(mén)為打開(kāi)狀態(tài)，列車(chē)內(nèi)冷風(fēng)向外滲透，并最終將冷量滲透到動(dòng)車(chē)檢查庫(kù)，列車(chē)空調(diào)向庫(kù)內(nèi)散發(fā)的有效熱量應(yīng)該等于空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際輸入功率。測(cè)試了空調(diào)系統(tǒng)冷凝器排風(fēng)口面積，排風(fēng)溫度、排風(fēng)風(fēng)速，動(dòng)車(chē)?yán)淠髋棚L(fēng)口一般為百葉風(fēng)口，其開(kāi)口面積系數(shù)取0.5，計(jì)算得到空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器實(shí)際散熱量。

以和諧號(hào)CRH2 系列車(chē)輛計(jì)算庫(kù)內(nèi)動(dòng)車(chē)額定工況下單個(gè)冷凝器散熱量。CRH2 型動(dòng)車(chē)司機(jī)室設(shè)1 臺(tái)空調(diào)裝置，空調(diào)制冷能力7.1kW/臺(tái)，輸入功率是4kW；每標(biāo)準(zhǔn)車(chē)廂即客室車(chē)廂設(shè)2 臺(tái)空調(diào)裝置，標(biāo)準(zhǔn)條件下制冷能力37.21kW/臺(tái)；壓縮機(jī)耗電量為2×3.7kW（2 臺(tái)壓縮機(jī)），冷凝器風(fēng)機(jī)耗電量：4×1.5kW（2 臺(tái)冷凝器，4 個(gè)冷凝器風(fēng)機(jī)），制冷總輸入功率為20kW；因此，CRH2 型動(dòng)車(chē)單個(gè)空調(diào)冷凝器向外的散熱量為47.6kW（制冷量+壓縮機(jī)+冷凝器風(fēng)機(jī)，即37.21+3.7×2+1.5×2）。冷凝器實(shí)際散熱量與額定工況之比為部分負(fù)荷率，從而根據(jù)總輸入功率與部分負(fù)荷率的乘積計(jì)算空調(diào)向庫(kù)內(nèi)有效散熱量。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 檢查庫(kù)冷凝器散熱Table 7 Condenser heat dissipation

在五個(gè)檢修庫(kù)中，武漢十線庫(kù)和廣州十線庫(kù)中測(cè)試到了冷凝器散熱的情形。動(dòng)車(chē)檢修時(shí)分為通電作業(yè)和無(wú)電作業(yè)，檢修共90 分鐘，通電40 分鐘。冷凝器的通電檢修率按4/9 計(jì)算，庫(kù)內(nèi)總散熱量計(jì)算公式為：

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

測(cè)試工況下庫(kù)內(nèi)各項(xiàng)熱源測(cè)試結(jié)果如表8所示。

表8 各地區(qū)檢查庫(kù)實(shí)測(cè)工況各項(xiàng)熱源強(qiáng)度數(shù)據(jù)匯總Table 8 Summary of heat source intensity data for each measured working condition

由表中數(shù)據(jù)可知，武漢十線庫(kù)庫(kù)內(nèi)得熱實(shí)測(cè)值最大，其單位面積散熱強(qiáng)度為69.5W/m2，在有檢修工作的庫(kù)中，列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)散熱和太陽(yáng)輻射是庫(kù)內(nèi)得熱的主要來(lái)源，列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)散熱單位面積散熱強(qiáng)度可達(dá)28.8～31.0W/m2，太陽(yáng)輻射單位面積散熱強(qiáng)度可達(dá)24.2～35.2W/m2。檢查庫(kù)內(nèi)車(chē)體表面散熱量熱源強(qiáng)度為6.0～14.2W/m2。通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱最大可達(dá)10.12W/m2，人員得熱最大可達(dá)0.18W/m2，照明在白天一般不開(kāi)啟，設(shè)備得熱最大可達(dá)5.4W/m2。

3.2 設(shè)計(jì)工況下得熱分析

綜合各檢查庫(kù)的測(cè)試結(jié)果，提出夏季設(shè)計(jì)工況下庫(kù)內(nèi)總得熱的計(jì)算方法，為通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。根據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50019-2015[9]，設(shè)計(jì)工況下庫(kù)內(nèi)外設(shè)溫度，太陽(yáng)輻照度如表9所示。其中室外溫度為夏季室外通風(fēng)設(shè)計(jì)溫度，室內(nèi)溫度取生產(chǎn)廠房工作地點(diǎn)與夏季通風(fēng)室外設(shè)計(jì)溫度允許最大溫差（3℃）進(jìn)行設(shè)計(jì)，且最高不得超過(guò)35℃。

表9 設(shè)計(jì)工況下室內(nèi)外參數(shù)Table 9 Indoor and outdoor parameters under design working conditions

車(chē)體表面的散熱量和車(chē)體表面溫度和庫(kù)內(nèi)設(shè)計(jì)溫度有關(guān)。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，車(chē)體表面溫度和室外空氣綜合溫度的如圖1所示。設(shè)計(jì)工況下車(chē)體表面計(jì)算參數(shù)如表10所示，其中對(duì)流換熱系數(shù)取測(cè)試時(shí)的平均值。

圖1 實(shí)測(cè)工況車(chē)體表面平均溫度和室外空氣綜合溫度關(guān)系圖Fig.1 The relationship between the average surface temperature of the vehicle body and the outdoor sol-air temperature

表10 設(shè)計(jì)工況單列標(biāo)準(zhǔn)列車(chē)（8 節(jié)編組）車(chē)體表面散熱量Table 10 Heat dissipation on the vehicle surface of a standard EMU(8-section group)under design working conditions

設(shè)計(jì)工況下單輛車(chē)表面散熱取平均值66.5kW/列，且?guī)靸?nèi)車(chē)輛按停滿計(jì)算，剛?cè)霂?kù)車(chē)輛占在庫(kù)車(chē)輛的比值取測(cè)試時(shí)的平均值0.478。設(shè)計(jì)工況下庫(kù)內(nèi)總的車(chē)體表面散熱量為：

武漢十線庫(kù)和廣州六線庫(kù)單輛車(chē)空調(diào)系統(tǒng)散熱量分別為287kW/列、177.2kW/列。設(shè)計(jì)工況下，庫(kù)內(nèi)考慮停滿動(dòng)車(chē)。檢查庫(kù)內(nèi)動(dòng)車(chē)檢修時(shí)空調(diào)散熱量取測(cè)試時(shí)的均值232.1kW/列計(jì)算，列車(chē)空調(diào)同時(shí)開(kāi)啟率取平均值0.31。因此庫(kù)內(nèi)空調(diào)器總散熱量為：

檢查庫(kù)內(nèi)太陽(yáng)輻射得熱與室外太陽(yáng)輻照度（s）、庫(kù)內(nèi)外溫差與通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入檢查庫(kù)內(nèi)的熱量均有明顯的相關(guān)性。測(cè)試時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表11，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按線性擬合后提出設(shè)計(jì)工況下庫(kù)內(nèi)太陽(yáng)輻射得熱計(jì)算的公式（4）以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面散熱量計(jì)算公式（5）。

表11 測(cè)試工況太陽(yáng)輻射得熱及圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱數(shù)據(jù)Table 11 Solar radiation heat gain and envelope heat gain data for measured working conditions

其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)輻射以及車(chē)體表面的散熱量與室外環(huán)境有關(guān)，在設(shè)計(jì)工況下夜間庫(kù)內(nèi)不存在這部分熱量。由人員、燈光、設(shè)備散入檢查庫(kù)內(nèi)的熱量與檢修庫(kù)規(guī)模有關(guān)，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)工況下的得熱。

夏熱冬冷（暖）地區(qū)設(shè)計(jì)工況白天和夜間的室內(nèi)得熱如表12所示。

表12 設(shè)計(jì)工況庫(kù)內(nèi)總得熱對(duì)比Table 12 Comparison of total heat gain for design working conditions

庫(kù)內(nèi)得熱白天比夜間大，夏熱冬冷武漢和長(zhǎng)沙檢查庫(kù)設(shè)計(jì)工況白天的庫(kù)內(nèi)熱源強(qiáng)度為90.5～96.4W/m2，夜間庫(kù)內(nèi)熱源強(qiáng)度為47.6～55.6W/m2。夏熱冬暖廣州檢查庫(kù)設(shè)計(jì)工況白天熱源強(qiáng)度78.4～85.7W/m2，夜間庫(kù)內(nèi)熱源強(qiáng)度為43.5～50.1W/m2。由于在庫(kù)內(nèi)面積上存在較大差異，所以單位面積散熱在夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)存在差異。

4 結(jié)論

本文對(duì)夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)五個(gè)檢查庫(kù)庫(kù)內(nèi)得熱進(jìn)行了測(cè)試調(diào)研，得出了以下結(jié)論：

（1）檢查庫(kù)內(nèi)得熱的來(lái)源包括通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱、太陽(yáng)輻射得熱、人員、照明設(shè)備得熱、以及車(chē)體表面散熱、列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)散熱；

（2）實(shí)測(cè)到庫(kù)內(nèi)總得熱的最大值達(dá)69.5W/m2；

（3）列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)散熱以及太陽(yáng)輻射是庫(kù)內(nèi)得熱的主要來(lái)源。列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)散熱單位面積散熱強(qiáng)度可達(dá)28.8～31.0W/m2，太陽(yáng)輻射單位面積散熱強(qiáng)度可達(dá)24.2～35.2W/m2；

（4）設(shè)計(jì)工況下庫(kù)內(nèi)白天得熱范圍為78.4～96.4W/m2，在夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)間差異不大。