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)計院集團有限公司 武漢 430063）

0 引言

根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》，到2025年我國鐵路網(wǎng)規(guī)模達到17.5 萬公里左右，其中高速鐵路3.8 萬公里左右[1]。在鐵路高速發(fā)展的背景下，大量動車運營使用，同時也需要建設(shè)大量動車檢查庫對動車進行各級檢修，以保證動車組安全完好地投入運營。動車檢查庫在夏季庫內(nèi)溫度高，主要工作區(qū)域超過35℃[2]，主要的原因是通風系統(tǒng)的設(shè)計和庫內(nèi)得熱不匹配，無法將庫內(nèi)余熱及時排至室外，造成庫內(nèi)溫度過高。目前針對檢查庫的研究主要是采用軟件模擬的方法，對庫內(nèi)的通風組織形式[3,4]、庫內(nèi)熱環(huán)境[5,6]、庫內(nèi)空調(diào)形式[7]進行了研究，但是缺乏庫內(nèi)熱源散熱特性的實測及分析研究。本文針對夏熱冬冷及夏熱冬暖地區(qū)五個檢查庫的庫內(nèi)熱源特性進行測試調(diào)研為動車檢查庫通風降溫方案設(shè)計提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 測試概況

測試地點位于夏熱冬冷地區(qū)（武漢、長沙）和夏熱冬暖地區(qū)（廣州），檢查庫規(guī)模上包括四線庫、六線庫、十線庫。測試時間為2020年8～9月。檢查庫的幾何尺寸如表1所示。

表1 檢查庫幾何尺寸Table 1 Building size of the depots

2 庫內(nèi)得熱來源及測試方法

檢查庫作為動車檢修、整備、卸污、司乘等一體化作業(yè)的場所，其庫內(nèi)的熱源散熱特性影響著室內(nèi)的熱環(huán)境。庫內(nèi)得熱包括外擾得熱如通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱、以及太陽輻射得熱和內(nèi)擾得熱如人員、照明、設(shè)備等，此外，庫內(nèi)的檢修作業(yè)過程中列車空調(diào)系統(tǒng)散熱及新入庫車輛外表面散熱將成為重要的熱量來源。

2.1 圍護結(jié)構(gòu)傳熱

通過測量圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度以及近壁面空氣溫度及風速，計算圍護結(jié)構(gòu)與室內(nèi)空氣的對流傳熱量，內(nèi)表面對流換熱系數(shù)計算方法參考文獻[8]提供的計算公式。

將各圍護結(jié)構(gòu)得熱代數(shù)和作為通過圍護結(jié)構(gòu)庫內(nèi)總的得熱量，若其值為負值，則認為向庫內(nèi)的傳熱量為0。各檢查庫圍護結(jié)構(gòu)測試數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

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

2.2 太陽輻射得熱量

太陽輻射得熱主要來自天窗、側(cè)窗和外門。天窗太陽輻射得熱采用庫內(nèi)部地面（不受外窗和外門影響）的太陽輻射強度和地面面積計算。側(cè)窗和外門太陽輻射得熱采用各自開口面積和開口處測得的太陽輻射強度計算。武漢十線庫、長沙六線庫、長沙四線庫、廣州六線庫、廣州十線庫在測試期間室外水平面平均太陽輻射照度為827W/m2、792W/m2、560W/m2、627W/m2、31W/m2（陰雨天）。各地檢查庫太陽輻射得熱量測試數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表3 太陽輻射得熱Table 3 Solar radiation heat gain

續(xù)表3 太陽輻射得熱

在室外太陽輻射較大的檢查庫內(nèi)太陽輻射得熱最大能達到35.1W/m2，而廣州十線庫由于室外陰雨天氣，庫內(nèi)太陽輻射得熱很小。西窗是下午庫內(nèi)太陽輻射得熱主要的來源，在檢查庫西側(cè)采用遮陽設(shè)施有助于減少庫內(nèi)太陽輻射得熱。

2.3 室內(nèi)人員、照明、設(shè)備

庫內(nèi)檢修工作全天分為兩個班次，其中8:00～18:00 為白班，19:00～次日8:00 為夜班。庫內(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)。庫內(nèi)人員按散熱量61W（28℃條件下）計算。

庫內(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)燈和列車軌道下方的地燈，白天庫內(nèi)照明系統(tǒng)一般不開啟。

檢查庫內(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、隔離開關(guān)操作柜、風扇電器柜、移動式輪輞輪輻探傷設(shè)備和風扇。各檢查庫庫內(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啟，在白天依靠屋頂?shù)牟晒馓齑昂蛢蓚?cè)立窗進行自然采光。人員得熱最大為0.18W/m2，長沙四線庫內(nèi)測試時段人員較少，人員得熱僅0.05W/m2。庫內(nèi)設(shè)備得熱最大為5.4W/m2，武漢十線庫內(nèi)無風扇等設(shè)備開啟，庫內(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 車體表面散熱

通過測量剛?cè)霂燔囕v的車體表面溫度（包括車頂、側(cè)面及車底），近表面空氣溫度以及風速，計算車體表面對流散熱量。車體表面溫度采用紅外測溫儀測量，在測試過程中選擇剛?cè)霂斓能囕v取車頭車中及車尾不同位置進行測量。車體近表面風速及空氣溫度用熱線風速儀測量，儀器型號為TSI 9565。庫內(nèi)停放的車型多為CRH2A，頭車長度25700mm，中間車長度25000mm，車輛寬度3380mm，車輛高度3700mm。均按照8 節(jié)車廂為一個編組。由于列車表面為流線型，將車體簡化為201400mm×3380mm×3700mm 的長方體進行計算。

對在庫車輛和剛?cè)霂斓能囕v進行測量，取其各表面平均溫差計算單列動車車體表面散熱量。車體表面溫度低于室內(nèi)空氣溫度時，將其散熱量記為0。

表6 車體表面散熱量Table 6 Heat dissipation on the vehicle surface

2.5 列車空調(diào)系統(tǒng)散熱

動車在檢修時列車門為打開狀態(tài)，列車內(nèi)冷風向外滲透，并最終將冷量滲透到動車檢查庫，列車空調(diào)向庫內(nèi)散發(fā)的有效熱量應(yīng)該等于空調(diào)系統(tǒng)實際輸入功率。測試了空調(diào)系統(tǒng)冷凝器排風口面積，排風溫度、排風風速，動車冷凝器排風口一般為百葉風口，其開口面積系數(shù)取0.5，計算得到空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器實際散熱量。

以和諧號CRH2 系列車輛計算庫內(nèi)動車額定工況下單個冷凝器散熱量。CRH2 型動車司機室設(shè)1 臺空調(diào)裝置，空調(diào)制冷能力7.1kW/臺，輸入功率是4kW；每標準車廂即客室車廂設(shè)2 臺空調(diào)裝置，標準條件下制冷能力37.21kW/臺；壓縮機耗電量為2×3.7kW（2 臺壓縮機），冷凝器風機耗電量：4×1.5kW（2 臺冷凝器，4 個冷凝器風機），制冷總輸入功率為20kW；因此，CRH2 型動車單個空調(diào)冷凝器向外的散熱量為47.6kW（制冷量+壓縮機+冷凝器風機，即37.21+3.7×2+1.5×2）。冷凝器實際散熱量與額定工況之比為部分負荷率，從而根據(jù)總輸入功率與部分負荷率的乘積計算空調(diào)向庫內(nèi)有效散熱量。計算結(jié)果見表7。

表7 檢查庫冷凝器散熱Table 7 Condenser heat dissipation

在五個檢修庫中，武漢十線庫和廣州十線庫中測試到了冷凝器散熱的情形。動車檢修時分為通電作業(yè)和無電作業(yè)，檢修共90 分鐘，通電40 分鐘。冷凝器的通電檢修率按4/9 計算，庫內(nèi)總散熱量計算公式為：

3 測試結(jié)果分析

3.1 實測結(jié)果分析

測試工況下庫內(nèi)各項熱源測試結(jié)果如表8所示。

表8 各地區(qū)檢查庫實測工況各項熱源強度數(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，武漢十線庫庫內(nèi)得熱實測值最大，其單位面積散熱強度為69.5W/m2，在有檢修工作的庫中，列車空調(diào)系統(tǒng)散熱和太陽輻射是庫內(nèi)得熱的主要來源，列車空調(diào)系統(tǒng)散熱單位面積散熱強度可達28.8～31.0W/m2，太陽輻射單位面積散熱強度可達24.2～35.2W/m2。檢查庫內(nèi)車體表面散熱量熱源強度為6.0～14.2W/m2。通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱最大可達10.12W/m2，人員得熱最大可達0.18W/m2，照明在白天一般不開啟，設(shè)備得熱最大可達5.4W/m2。

3.2 設(shè)計工況下得熱分析

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

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

車體表面的散熱量和車體表面溫度和庫內(nèi)設(shè)計溫度有關(guān)。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，車體表面溫度和室外空氣綜合溫度的如圖1所示。設(shè)計工況下車體表面計算參數(shù)如表10所示，其中對流換熱系數(shù)取測試時的平均值。

圖1 實測工況車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)計工況單列標準列車（8 節(jié)編組）車體表面散熱量Table 10 Heat dissipation on the vehicle surface of a standard EMU(8-section group)under design working conditions

設(shè)計工況下單輛車表面散熱取平均值66.5kW/列，且?guī)靸?nèi)車輛按停滿計算，剛?cè)霂燔囕v占在庫車輛的比值取測試時的平均值0.478。設(shè)計工況下庫內(nèi)總的車體表面散熱量為：

武漢十線庫和廣州六線庫單輛車空調(diào)系統(tǒng)散熱量分別為287kW/列、177.2kW/列。設(shè)計工況下，庫內(nèi)考慮停滿動車。檢查庫內(nèi)動車檢修時空調(diào)散熱量取測試時的均值232.1kW/列計算，列車空調(diào)同時開啟率取平均值0.31。因此庫內(nèi)空調(diào)器總散熱量為：

檢查庫內(nèi)太陽輻射得熱與室外太陽輻照度（s）、庫內(nèi)外溫差與通過圍護結(jié)構(gòu)進入檢查庫內(nèi)的熱量均有明顯的相關(guān)性。測試時相關(guān)數(shù)據(jù)見表11，對實測數(shù)據(jù)按線性擬合后提出設(shè)計工況下庫內(nèi)太陽輻射得熱計算的公式（4）以及圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面散熱量計算公式（5）。

表11 測試工況太陽輻射得熱及圍護結(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，圍護結(jié)構(gòu)、太陽輻射以及車體表面的散熱量與室外環(huán)境有關(guān)，在設(shè)計工況下夜間庫內(nèi)不存在這部分熱量。由人員、燈光、設(shè)備散入檢查庫內(nèi)的熱量與檢修庫規(guī)模有關(guān)，以實測數(shù)據(jù)作為設(shè)計工況下的得熱。

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

表12 設(shè)計工況庫內(nèi)總得熱對比Table 12 Comparison of total heat gain for design working conditions

庫內(nèi)得熱白天比夜間大，夏熱冬冷武漢和長沙檢查庫設(shè)計工況白天的庫內(nèi)熱源強度為90.5～96.4W/m2，夜間庫內(nèi)熱源強度為47.6～55.6W/m2。夏熱冬暖廣州檢查庫設(shè)計工況白天熱源強度78.4～85.7W/m2，夜間庫內(nèi)熱源強度為43.5～50.1W/m2。由于在庫內(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

本文對夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)五個檢查庫庫內(nèi)得熱進行了測試調(diào)研，得出了以下結(jié)論：

（1）檢查庫內(nèi)得熱的來源包括通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱、太陽輻射得熱、人員、照明設(shè)備得熱、以及車體表面散熱、列車空調(diào)系統(tǒng)散熱；

（2）實測到庫內(nèi)總得熱的最大值達69.5W/m2；

（3）列車空調(diào)系統(tǒng)散熱以及太陽輻射是庫內(nèi)得熱的主要來源。列車空調(diào)系統(tǒng)散熱單位面積散熱強度可達28.8～31.0W/m2，太陽輻射單位面積散熱強度可達24.2～35.2W/m2；

（4）設(shè)計工況下庫內(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。