張 磊， 歐 旭

(浙江吉利新能源商用車發(fā)展有限公司， 杭州 310051)

客車在高寒地區(qū)營運時，客車車身的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與狀態(tài)對車廂保暖性能影響較大，直接影響到車廂升溫速度、溫度保持與暖風(fēng)系統(tǒng)的能耗。本文從車身傳熱量[1]方面入手，通過車身各部位結(jié)構(gòu)分析，逐一計算各部位熱阻值，最終通過各部位的穩(wěn)態(tài)傳熱量分析[2-3]，針對客車車身結(jié)構(gòu)提出保暖方案并進(jìn)行計算驗證，給出保暖性能提升的改進(jìn)方案。

1 車身各部位熱阻值計算

1.1 車身圍護(hù)結(jié)構(gòu)分析

下面以某12 m低入口城市客車為例進(jìn)行分析：

1) 前圍區(qū)域。上部和下部為1.0 mm鋼板蒙皮和保溫材料層積復(fù)合結(jié)構(gòu)，中間為前風(fēng)擋夾膠玻璃，夾膠玻璃的結(jié)構(gòu)為3 mm玻璃+0.74 mm膠+4 mm玻璃。

2) 后圍區(qū)域。上部和下部結(jié)構(gòu)與前圍相同，但后風(fēng)擋玻璃與前風(fēng)擋玻璃不同，為4 mm鋼化玻璃。

3) 頂蓋區(qū)域。頂蓋絕大部分區(qū)域結(jié)構(gòu)為1.0 mm鋼板蒙皮、保溫材料、PE板及中頂板，中頂板材料通常為鋁塑板(即塑料板材表面覆鋁膜)。

4) 左、右側(cè)圍區(qū)域相對較復(fù)雜，需分為5個部分單獨分析。

① 最下部為座椅下地板革區(qū)域。從外到內(nèi)依次為1.0 mm鋼板蒙皮、1.0 mm鋼板內(nèi)封板、地板革。其中蒙皮與內(nèi)封板之間通常有50 mm厚空腔，因空氣有一定的流動性，對阻礙熱量傳遞作用甚微，后續(xù)計算傳熱量時不考慮此空腔厚度的影響。下文表述為“左側(cè)圍1”、“右側(cè)圍1”。

② 中間裙板區(qū)域。從外到內(nèi)依次為蒙皮、保溫材料、PE板及裙板。下文表述為“左側(cè)圍2”、“右側(cè)圍2”。

③ 后部裙板區(qū)域。從外到內(nèi)依次為玻璃、保溫材料、PE板及裙板。下文表述為“左側(cè)圍3”、“右側(cè)圍3”。

④ 玻璃/窗洞口及乘客門玻璃區(qū)域。門窗本身雖存在金屬構(gòu)件且導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于其他材料，但金屬材料的面積很少，所以此區(qū)域結(jié)構(gòu)可簡化為單一的4 mm玻璃。下文表述為“左側(cè)窗”、“右側(cè)窗、門”。

⑤ 側(cè)圍上部區(qū)域。結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)依次為玻璃、保溫材料、鋼板、PE板。下文表述為“左側(cè)圍5”、“右側(cè)圍5”。

5) 地板區(qū)域。從下到上依次為隔音材料、地板、地板革[4]。在部分高寒地區(qū)會在地板下增加保暖材料，如保溫氈等。

以上區(qū)域，尤其是頂蓋骨架和左右側(cè)圍骨架，除以上結(jié)構(gòu)外，內(nèi)部還存在型材結(jié)構(gòu)，因型材結(jié)構(gòu)面積占比小，且對后續(xù)比對結(jié)果無影響，為簡化分析，不考慮型材面積。

各區(qū)域選用的材料在20 ℃的導(dǎo)熱系數(shù)見表1。

表1 車身材料導(dǎo)熱相關(guān)參數(shù)

1.2 車身圍護(hù)各區(qū)域熱阻值計算

除側(cè)窗玻璃和后風(fēng)擋玻璃外，客車車身多為多種材料層積復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實際情況將其簡化為多層壁模型[5]。假設(shè)每層材料的材質(zhì)都是均勻的，熱量通過內(nèi)表面一維地傳遞到外表面，其傳熱過程表現(xiàn)為內(nèi)表面吸熱、多層材料傳熱、外表面放熱[6]，由熱力學(xué)基礎(chǔ)公式可以得出各區(qū)域熱阻公式：

(1)

式中：R為區(qū)域壁面熱阻；δi為各層材料厚度；λi為各層材料導(dǎo)熱系數(shù)。

通過式(1)和表1中各材料的導(dǎo)熱相關(guān)參數(shù)，可計算出各區(qū)域的熱阻值。

在通常的客車設(shè)計[7]中，受結(jié)構(gòu)、工藝和成本等方面限制，保溫材料優(yōu)先選用聚氨酯發(fā)泡[8-9]，側(cè)圍下部封板內(nèi)無保溫材料，地板下無保暖材料，地板優(yōu)先選用竹膠板[10]。此種情況下，各區(qū)域熱阻值計算結(jié)果見表2。

表2 各區(qū)域熱阻值

2 車身傳熱量計算

車身傳熱量即車身各區(qū)域傳熱量總和，計算公式如下[11]：

(2)

式中：Q為車身傳熱量；Qi為各區(qū)域傳熱量；A為各區(qū)域面積；tai為車內(nèi)溫度；tao為車外溫度；R為區(qū)域壁面熱阻。

2.1 各區(qū)域面積計算及環(huán)境參數(shù)設(shè)定

在圖紙上測量計算對應(yīng)表2中各區(qū)域的面積值，此處不再列出。

以冬季東北地區(qū)為例，車輛在運行時，車外環(huán)境溫度為-20 ℃，即tao=253.15 K；車廂內(nèi)溫度為16 ℃，即tai=289.15 K；內(nèi)外溫差tai-tao=36 K。

2.2 車身傳熱量計算

根據(jù)式(2)及2.1中計算出的各區(qū)域面積和設(shè)定的環(huán)境參數(shù)及表2中各區(qū)域熱阻值，可計算出各區(qū)域的穩(wěn)態(tài)傳熱量及車身總體傳熱量，見表3。

表3 各區(qū)域傳熱量

3 車身保暖性能影響因素分析及改進(jìn)

3.1 車身保暖性能分析

根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可將區(qū)域分為3類，第1類是前后風(fēng)擋玻璃、左右側(cè)窗(門)區(qū)域，此處結(jié)構(gòu)僅為玻璃或夾膠玻璃；第2類是地板、左右側(cè)圍下部，此處均為非玻璃區(qū)域，但未使用保溫材料；第3類是其他區(qū)域，這類區(qū)域均為非玻璃區(qū)域，但使用了保溫材料。以上這3類的傳熱量比例分別為89.0%、10.4%和0.6%。

由此可知，前后風(fēng)擋玻璃、左右側(cè)窗(門)區(qū)域傳熱量占比最大，為改善此區(qū)域保暖性能，可采用更換保溫玻璃和更換中空玻璃的方案，但保溫玻璃目前在汽車領(lǐng)域不成熟，更換中空玻璃后整車重量會增加過多，與客車輕量化發(fā)展趨勢不符。此方案可行性不大。

左右側(cè)圍下部區(qū)域傳熱量較大，若在此處增加保溫材料，能有效減少此區(qū)域的傳熱量。地板區(qū)域面積較大，若能選用其他材料，或增加地板保暖材料，將地板熱阻值增大，能減少地板傳熱量。另外，保溫材料使用面積較大，若能提升保溫材料的保暖性能或增加保溫材料的使用厚度，將對車身保暖性能有所提升[12]。

3.2 提升車身保暖性能的方案及效果分析

根據(jù)以上分析，擬定提升車身保暖性能的方案如下：

1) 在左右側(cè)圍下部地板革區(qū)域的蒙皮和內(nèi)封板中間增加聚氨酯發(fā)泡。

2) 地板由導(dǎo)熱系數(shù)較大的15 mm竹編地板更換為導(dǎo)熱系數(shù)較小的18 mm PVC地板。

3) 在地板下增加3 mm保溫氈，增加地板保暖性能。

4) 保溫材料由聚氨酯發(fā)泡更換為導(dǎo)熱系數(shù)較小的25 mm保溫棉。

5) 保溫材料由聚氨酯發(fā)泡更換為40 mm保溫棉。

為了能清晰對比以上5種方案的效果，分別對單獨實施以上5種方案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，結(jié)果見表4。

表4 改善后傳熱量

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可知，改善保暖性能有效的方案為方案1)、方案2)、方案3)，其中在左右側(cè)圍下部的蒙皮和內(nèi)封板中間增加聚氨酯發(fā)泡，對車身保暖性能提升最明顯。

4 結(jié)束語

通過車身傳熱量的計算及保暖性能影響因素分析可得出：客車的保暖方案在保持風(fēng)擋及側(cè)窗狀態(tài)不變情況下，需重點針對地板、左右側(cè)圍下部區(qū)域進(jìn)行保暖性能提升；常見的保暖方案中，增加保溫材料的使用面積對保暖性能提升最明顯，其次地板區(qū)域的保暖措施也能有效提升車身保暖性能，而采用導(dǎo)熱系數(shù)更低的保溫棉，對車身保暖性能提升不明顯。