地铁整车及各部位传热系数（K?值）的计算与分析

黄秋霞　周家林　田根龙　杨茂现

摘 要：传热系数（K 值）是影响车辆空调负荷及车内环境舒适性的重要因素之一，因此必须满足车辆车体的设计要求。首先阐述哈萨克斯坦地铁整车及各部位的 K 值特点与结构关联，然后通过计算机仿真软件对其 K 值进行模拟与分析，最后对车体整车的 K 值进行等效计算，得到整车的 K 值约为1.95 W/m2 · K，该值满足结构及材料的设计要求 2 W/m2 · K，这可为降低空调负荷提供参考依据。

关键词：地铁;车辆;传热系数;仿真;传热模型;热流密度

中图分类号：U270.2

随着科技的不断发展，车体种类、结构以及材料也逐渐多样化。车辆传热系数K值随车体结构、车型以及运行速度的变化而变化，其中车体结构对整车的K值有很大的影响。

目前，电动车组车辆在地铁方面的重要性日益显现，研究各部位冷桥对整车K值的影响可以更好地为优化列车空调系统性能、改进车体结构及改善车内环境提供有利的设计数据，并有利于今后在满足乘客舒适性的基础上进行更为经济、高效的设计。本文以哈萨克斯坦电动车组地铁车辆为研究对象，将整车以及各部位平壁和冷桥的K值进行计算与分析，以便为指导地铁列车的防寒及保温设计提供参考。

1 K值计算方法

1.1 K 值定义及研究意义

整车的K值越小，该车的保温性就越好。根据铁路标准TB/T 1957-1991《空调客车热工计算方法》可知，空调负荷与车体的结构、材料等密切相关，因此通过改善车体热工性能、降低K值，有助于降低空调负荷及改善车室内的热环境;同时，分析车体各部位的结构、材料对整车K值影响的大小，对整车的隔热与保温设计具有重要的指导意义。

1.2   材料特性及室内外边界条件

车体材料的特性如表1所示。

车体室内外边界条件如下：①室内计算温度为14℃;②室外计算温度为-35 ℃;③内表面对流换热系数为8 W/（m · K）;④外表面对流换热系数为16W/（m · K）。

1.3 等效 K 值的计算

由于冷桥部位结构的特殊性，其计算方法也不同，因此在冷桥处通常采用等效K值的计算方法。简单平壁K值的计算方法简单，可由公式直接得出，但冷桥及复杂平壁的K值则需先建模，再用有限元法进行计算。复杂平壁模型和冷桥模型建模计算步骤分别如图1和图2所示。

由经验可知，冷桥部位的面积在整车上所占比例很小，但对K值影响大，因此整车冷桥节点数量的多少对K值的大小起着决定性作用。

2 整车平壁区域 K 值的计算

整车平壁按结构分为车底（地板）平壁、侧墙平壁和车顶平壁3部分区域。

2.1 车底平壁区域 K 值的计算

车底平壁结构及材料示意图如图3所示。车底型材梁骨的导热系数大，故其温度梯度小。车体内表面的平均温度高于露点温度（-2.3 ℃），因而此处不会结露。

车底平均热流密度q（取内表面）及传热系数K值的计算公式分别为：

式（1）和式（2）中，qi为某一点的热流密度;ds为某一点面积的微分;s为总面积;tn - tf为前后温差。

根据模拟结果，由式（1）和式（2）计算可得：q = 43.65W / m?，K = 1.02W/（m? · K）。

2.2 侧墙平壁区域 K 值的计算

侧墙窗上、下侧结构与材料示意如图4所示，其传热模型温度分布如图5所示。对于窗户间侧墙处，车内表面的平均温度一般约为12.3℃。该值高于露点温度（-2.3℃），所以该处不会结露。

根据模拟结果，由式（1）计算出窗户间侧墙上、下侧的平均热流密度q分别为13.01 W / m?和13.31W / m?，上、下侧的等效传热系数K值分别为0.28W/（m? · K）和0.286 1 W/（m? · K）。

2.3 车顶平壁区域 K 值的计算

车顶平壁区域包括车顶空调机组下侧平壁区域和车顶非空调机组区域。

2.3.1 車顶空调机组下侧平壁区域 K 值计算

空调机组下侧平壁结构及材料示意和传热模型温度分布如图6所示。由图6b可以看出，车内表面温度比较均匀，约为12.87℃。此温度高于露点温度（1.6℃），故此处不会出现结露现象。根据模拟结果，由式（1）和式（2）计算得：q = 9.05 W / m?，K = 0.19 W/（m? · K）。

2.3.2 车顶非空调机组区域 K 值计算

根据车顶非空调机组结构及材料示意（图7）对传热模型进行网格划分：对于客室车顶处，车内表面温度的平均值约为4.8 ℃，该值高于露点温度（-2.3℃），所以该处不会结露。根据模拟结果，由式（1）计算得：q= 62.37 W / m?，K= 1.64 W/（m? · K）。

2.4 车体平壁区域平均 K 值的计算

车体平壁各部位的面积A、K值及平均K值分别如表2和表3所示。

整车平壁部分的平均传热系数按下式计算为：

式（3）中，Aw为某部分的面积;K为某部分的传热系数;A总 为整车面积。

3 车体冷桥模型建立及 K 值计算

整车上，车体冷桥主要分布在车底、车顶和侧墙3 个区域。其中，车底冷桥有冷桥1和冷桥2 两部分;车顶冷桥为冷桥3;侧墙冷桥有6部分，分别为冷桥 4、冷桥5、冷桥4与5的合并处、冷桥6、冷桥7和冷桥 8。

3.1 车底冷桥计算

车底冷桥模型建立如图8所示。冷桥1和冷桥2的结构及材料示意与传热模型温度分布分别如图9和图10所示。

对于车底冷桥1处，从车内表面温度分布可以看出，该处温度的平均值约为-10.6℃。该值低于露点温度（-2.3℃），所以此处会结露。

根据模拟结果，由式（1）和式（2）计算得：q = 197.25 W / m²，K = 8.97 W/（m²· K）。

对于车底冷桥2处，从车内表面温度分布可以看出，该处温度的平均值约为-13.58 ℃。该值低于露点温度（-2.3℃），所以此处会结露。

根据模拟结果，由式（1）和式（2）计算得：q = 220.10W / m²，K = 63.61W /（m²· K）。

以上2处冷桥均出现了结露现象，因此应当引起重视。

3.2 车顶冷桥计算

车顶冷桥的结构与材料示意图及传热模型温度分布如图11所示。

对于车顶冷桥3处，从车内表面温度分布可以看出，此构件周围温度约为10.90 ℃。该值高于露点温度（-2.3 ℃），所以此处不会结露。

根据模拟结果，由式（1）和式（2）计算得：q = 296.80 W / m²，K= 6.93 W/（m²· K）。

3.3 侧墙冷桥计算

侧墙冷桥结构示意如图12所示，其q和K值的计算同上，这里不再赘述。

3.4 冷桥 K 值计算结果汇总

为整车K值计算的方便，现将模拟结果汇总如表4所示。

根据表4和式（3）计算得整车冷桥的平均传热系数KL值为4.79 W/（m2 · K）。

4 车体各部位 K 值计算结果

车体各部位冷桥、平壁的平均K值对整车的影响占比如表5所示。

根据整车冷桥及平壁结构的模拟结果汇总，计算得出哈萨克斯坦地铁整车的平均传热系数K值为：

该值为综合考虑车体各部位冷桥及平壁结构的等效计算结果，较准确地反映了整车车体的传热系数。

5 结论

本文以哈萨克斯坦地铁为例，先对整车各部位平壁区域的热流密度及传热系数进行模拟计算，然后再通过建立模型对各区域的冷桥结构进行等效计算。最终，将整车各部位结构的K值汇总，并计算得出整车的K值为1.95 W/（m2 · K）。结果表明，该车车体的结构及材料设计满足K值要求，适用于哈萨克斯坦地铁。

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收稿日期 2019-12-30

责任编辑 党选丽

Calculation and analysis of heat transfer coefficient （K value） of metro vehicles and components

Huang Qiuxia， Zhou Jialin， Tian Genlong， et al.

Abstract： The heat transfer coefficient （K-value） is one of the important factors that affect the air conditioning load and the passenger riding comfort of the interior environment of the vehicle， so it must meet the design requirements of the vehicle body. Firstly， this paper discusses that the K-value characteristics of Kazakhstan metro vehicle and its parts are related to the structure. Secondly， the K-value of the vehicles and components is simulated and analyzed by computer simulation software. In the final conclusion， this paper describes the equivalent calculation of the K-value of the whole vehicle. The K-value of the whole vehicle is about 1.95 W/（m2 · K）， which meets the design requirements of structure and material （2 W/（m2 · K））， providing a reference for reducing air conditioning load.

Keywords： subway， vehicle， heat transfer coefficient， simulation， heat transfer model， heat flow density

作者簡介：黄秋霞（1983—），女，高级工程师