高速铁路动车组静置空调试验结果分析

李作良 刘 静

(中车集团唐山机车车辆有限公司， 唐山 063035)

高速铁路动车组静置空调试验结果分析

李作良 刘 静

(中车集团唐山机车车辆有限公司， 唐山 063035)

在环境试验室进行的CRH380BL型高速动车组的空调系统(HVAC)试验，证明动车组车体具有很好的隔热性能，空调系统在冬季和夏季环境温度下都能为乘客提供足够的新风量。文章通过对典型车型空气调节能力的试验结果进行分析，证明风道结构对动车组客室内温度场有较大的影响。空调系统采用冷暖风道分开供风，保证了在制热和制冷两种工况下，车内温度均匀性都能达到UIC 553-2004标准的要求。但是由于受电弓装置占用了大量车顶空间，导致该车型前排座椅位置的舒适性较差，应根据车内温度分布对车顶风道结构进行相应的改进。

高速铁路空调系统； 模拟环境试验； 风道结构

随着国内高速铁路的迅猛发展，乘坐高速铁路出行已经成为广大民众普遍选择。我国地域辽阔，高速铁路运行期间可能要跨越几个气候条件不同的地区。在长时间乘坐高速铁路时，客室内的温度值和温度均匀性是影响乘客舒适性的重要因素，这对高速动车组空调系统提出了较高的要求。

1 高速动车组的空调系统

CRH380BL型高速动车组是我国正在运营的主要动车组型号之一，其空调系统(HVAC)结构主要包括以下几部分：车顶的单元式空调机组、安装在车顶并贯穿于整车的供风道组成和风道两侧与侧墙风道连接的软风道，空调两侧的新风系统和车下的废排系统[1]。

根据设计思想，此型动车组在静置模拟环境下的HVAC系统实验选择在青岛四方车辆研究所的热工实验室进行，采用UIC 553-1-2005《客车的通风、采暖和空调-型式试验》[2]作为试验依据。

CRH380BL动车组的车内结构主要有头车、中间车和餐车3种，也是空调试验选取的车型，试验内容包括隔热、通风、采暖、制冷4项。

2 隔热性能试验

车体的隔热性能试验是检验动车组隔热设计的重要依据[3]，评价指标是车体传热系数(K值)，即单位面积车体在内外温差为1 K时传递的热量。传热系数越小则车体的隔热性能越好，如表1所示。

表1 CRH380BL车体传热系数

头车有司机室，其导流罩以及前窗的换热面积较大，这些部件的隔热能力比其他部位要差，导致头车的车体传热系数比其他车型大0.1。3种车型的传热系数都远低于动车组采购技术条件的限值1.5，也低于国标客车技术条件对铝合金结构客车传热系数1.4的限值[4]，证明CRH380BL具有非常良好的隔热性能。

3 通风性能试验

动车组的通风性能试验主要考察空调系统风机的送风能力和人均新风量，与送风能力相关的风阀开度和通风量、废排量等数据是进行恒温试验的基础，而人均新风量是考核旅客舒适性的重要指标。如果动车组运行时没有足够的新鲜空气进入车厢内，会导致CO2浓度升高引起旅客不适。近年有的动车组发生故障，长时间停车导致旅客胸闷昏厥就是由于新风不足导致的。但是动车组运行时新风口处的压力情况与静止不同，新风量随车速增加而变化[5]，CRH380BL动车组采用了可调解的新风阀来保证运行状态的新风量。

实验人员采用TSI多功能风速计和自制导筒，测量3种车型的新风量结果如表2所示。由于3种车型安装的空调机组功率和送风能力一致，所以针对不同载客量的车型和不同车外温度，采用不同的新风阀开度，既能够满足人均新风的要求(冬季15 m3/s，夏季20 m3/s)[6]，也利于在动车组运行时进行调节。

表2 CRH380BL动车组新风量

4 空气调节性能试验

空气调节性能试验分为采暖性能和制冷性能试验，检验动车组在高温和低温环境下，是否能够给乘客提供舒适的温度环境。对于不同车型的动车组来说，风道结构是空气调节性能的基础，风道结构设计是否合理直接影响车厢内的温度均匀性。

CRH380BL动车组的空调主风道为双层结构，如图1所示。且在夏季制冷模式和冬季制热模式下送风方式不同。在制冷模式下，大约75%的风量通过中间风道输送，中央风道的空气主要通过风道下面的出风孔及调整板后从多孔天花板上排出，25%由外侧的暖气风道输送，沿车体侧墙内的风道到达车底排出。在制热模式下，热风主要通过外侧暖风风道供风(大约80%)，其余从车顶中间风道送出。07车风道立体示意如图2所示[9]。

图1 主风道结构示意图

图2 07车风道的立体示意图

CRH380BL动车组的02/07车作为中间车型有一定的代表性，由于车顶安装有受电弓，导致该车的主风道比普通中间车的短一截，影响送风均匀性，因此以07车为例，对其空调试验结果进行分析。

UIC553标准中对在-25℃～35℃环境温度下运行的动车组客室内温差的要求为车厢内代表旅客主要活动范围的距离地面1.1 m的测点温差不超过2 K[5]。实验中通过在座椅的相应高度上布置测点，能够监控客室内水平温度和垂直温度的分布，并判断车内温度场的均匀性。

5 空气调节性能试验结果

5.1 采暖试验

采暖试验共分为4个工况，如图3所示。选取车外温度分别为为0℃和-25℃，检测时间90 min，其中“有负载”指车内用加热器模拟定员乘客的散热，工况1～工况3是在外温0℃下，将客室内的温度分别设定为22℃(0偏置)、24℃(+2偏置)、20℃(-2偏置)，主要检验外温不变条件下，空调机组对车内温度的精确控制能力。工况4是在外温-20℃下，检验空调系统对车内的制热能力。

图3 采暖工况下车内平均温度变化

图4 采暖工况下车内水平温差变化

试验中客室内的平均温度变化很小，平均温度的波动基本上都小于0.5℃。水平温差的变化如图4所示。采暖试验各个工况中客室内水平温差都小于2℃，工况2在试验开始的30 min内变化比较剧烈，但是当车内流场进入稳态之后，温差也减小到1.7℃以下，与车内平均温度的变化相符。比较车内模拟定员乘客和空车两种状态，有负载时车内温差的稳定性较差，符合实际情况。另外，在环境温度达到-20℃时，水平温差仍然维持在1.7℃以下，而且波动平缓，显然得益于车辆良好的隔热性能。

5.2 制冷工况

制冷工况主要对外温环境35℃时动车组空调制冷能力和温度均匀性进行检验，实验工况分别为：(1)车内温度设定24℃(0偏置)有模拟乘客散热；(2)车内温度设定22℃(-2偏置)有模拟乘客散热；(3)车内温度设定22℃(-2偏置)无模拟乘客散热。制冷工况下车内的平均温度变化都小于0.5℃，如图5所示。温度波动随时间延长而减小，可知车内温度场逐渐达到稳定。空车状态下，平均温度一直在缓慢单调下降，可能因为没有乘客散热影响车内温度场，平均温度会逐渐降到22℃并稳定。

图5 制冷工况下的平均温度变化

水平温差的变化趋势如图6所示。模拟无乘客工况时空调系统更容易控制车内温差，水平温差随着温度场的稳定逐渐降到了1℃。但是，当车内模拟定员载荷时，空调机组需要间歇性的增加功率以便平衡乘客的散热，导致水平温差变化趋势呈现出剧烈的上下波动，在试验人员调试了接近5 h后才将水平温差控制在2℃左右。

图6 制冷工况下水平温差变化

6 车内温度场分布

6.1 温度场试验数据的选取

07车客室内共16排座椅，客室内的温度场达到稳态后，选取第一、六、十二、十六排座椅上方1.1 m位置的温度点平均值，作为观察车厢前部、中前部、中后部、后部的水平温度梯度变化依据[8]。第一排座椅上方车顶安装有受电弓装置，第十六排座椅上方车顶安装有空调机组。每隔15分钟记录一次数据，连续记录90分钟。

6.2 采暖工况下外温0℃的车内温度分布

图7给出了不同温度偏置下07车从前到后的温度分布情况。

图7 外温0℃下温度设定分别偏置+2K、0K及-2K的车内温度分布

比较3种温度分布，可以发现07车一位端(有受电弓)区域的温度始终低于车厢其他位置，而车厢中前部的温度较高。车内温度设定降低时，随着空调制热功率的减小，车内的平均温度逐步下降，但是第六排座椅中前部区域温度相对下降得少，表明此区域的暖风相对更多。

6.3 采暖工况更低环境温度下的车内温度场分布

将实验室内温度分别调整至-10℃、-20℃、-25℃，空调处于全功率制热工况下。此3种工况下车内温度场分布曲线如图8所示。在3种外温环境下，车内的温度梯度几乎相同，车厢最前排的温度明显低于后排，舒适度较差，车厢中部温度高于车厢后部。

图8 外温-10℃、-20℃、-25℃车内温度分布

根据采暖工况下空调的送风模式(约75%的暖风通过两侧风道经内侧墙板从车厢底部送出，顶部风道的暖风只占约25%)，分析07车受电弓下方区域舒适度较差的原因。对比车厢的风道结构可知，由于受电弓占用了大量车顶空间，造成此位置无法安装主风道，虽然受电弓下方与车厢顶板之间留有高10 cm的空间，使得主风道吹出来的热空气能够到达车厢前三排座椅上方，但是由于没有风道的集束作用和导流板的导流，暖风的风速很低，很难通过侧墙风道抵达乘客脚边，只能堆积在车厢的顶部区域，并随着回风回到空调机组，座椅位置的热空气严重不足，温度偏低。

6.4 制冷工况下车内温度分布

将实验室内温度分别调整至22℃、35℃、40℃，空调处于全功率制冷工况下。此3种工况下车内温度分布曲线如图9所示。可发现座椅位置的温度变化相似，第一排温度较低，之后逐渐升高，第六排的温度高升至全车厢的最高温度，接下来温度又逐渐降低，第十二排的温度最低，之后又逐渐升高。

图9 外温22℃、35℃、40℃下车内温度分布

结合车厢的风道结构来研究，车厢前排座椅上方没有主风道和导流板，按道理来说应当会出现冷气不足温度偏高的现象，与实际结果不符。但是通过对送风方式的分析可知，制冷工况下通过车顶主风道的送风量占总风量的80%，主风道内的风速比采暖工况下要高得多[9]，由于没有风道的集束作用，冷风从端部出口吹出后气压骤然减小，导致大量冷风沿着受电弓下方10 cm高的空间吹到第一排座椅位置，所以有效地降低了车厢前排的温度。与此相对的是，在主风道端部出口后面的其他出风口有导流板，压降比端部出风口小，通过的冷风相对更低，导致车厢第五、六排位置冷气不足，温度比第一排高出很多。在试验中，实验人员通过大大减小主风道端部出风口面积，才有效地降低了第五、六排的温度。

而第十五、十六排上方是安装通风机和主风道纵向导流板位置，并没有出风口，座椅区域的降温依赖前排冷气回风，导致温度比第十二排高。

6.5 总体分析

从试验结果来看，TC07车车内温度分布呈如下规律：由于安装受电弓对主风道的影响，在冬季和夏季车厢的第一至三排温度偏低，且车厢前部和中前部温差较大，容易引起旅客的不适。车厢的中后部和后部温度适宜且温差小。如果想改善这种状况，必须对风道结构进行改进。首先要对主风道的端部出风口结构进行改造，在端部安装导筒，与车厢最前排的侧墙板连通，侧墙板内布置风道，将暖气风道的加热空气引导至第一排的地板上方，改善冬季最前排温度低的情况。同时，减小端部冷风出口的截面积，在出风口前方安装一个导流板，导流板的角度可以调节并最好做成格栅状，在夏季制冷工况下，使制冷空气分流一部分向下，吹入车厢中前排，改善车厢中部的温度偏高状况。

7 结论

CRH380BL在空调系统静置环境试验中被证明具有很好车体隔热性能和新风补充能力。无论在低温和高温环境下，车内温度场达到稳定后，平均温度和水平温差都在很小的范围内上下波动。车内温度分布则揭示了车厢内部温度均匀性与风道结构之间的关系，其合理的风道设计完全满足乘客对车内温度舒适性的要求，但是对于受电弓车型，仍然需要对主风道进行改进，改善前排坐席的温度舒适性。

[1] 孙帮成.CRH380BL型动车组[M].北京：中国铁道出版社, 2014. SUN Bangcheng. CRH380BL high speed EMU[M].Beijing:China Railway Publishing House,2014.

[2] UIC 553-1-2005 客车的通风、采暖和空调-型式试验[S]. UIC 553-1-2005 heating, ventilation and air-ondition in coaches-Standard tests [S].

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[4] GB/T 12817-2004 铁道客车通用技术条件[S]. GB/T 12817-2004 General technical requirements railway passenger car[S].

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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，工程师。

1674—8247(2016)04—0019—05

U270.38+3

A