摘要：本文主要讨论了某车辆空调系统的夏季热负荷和冬季冷负荷制的热工计算。该方法适用于轨道交通车辆空调系统的设计计算，其他车辆可参照使用。
关键词：车辆空调，热负荷、冷负荷
一、前言
作为我国高端装备制造领域自主创新程度高、国际竞争力最强、产业带动效应最明显的行业之一，轨道交通产业的发展适逢一个技术集中爆发交融的好时机。以高铁为代表的中国轨道交通产业，是凭实力跑出来的一张“国家名片”，创造了诸多世界第一、之最。依托我司轨道空调制造行业的依托，加之多年对轨道空调设计和制造的研究，以及CRH2和谐号动车组车辆的空调及换气装置的供货配套经验，参照我国城市轨道空调设计相关的标准和用户提供的产品技术条件，选用某空调机组的项目作为实例，汇总整理完整的轨道交通车辆空调系统的设计计算方法。
二、空调机组技术要求及计算参数确定
2.1空调机组技术要求
空调型式：单冷式带新风预热功能
空调安装：顶置一体化，2台/车
主电路电源：3ΦAC380V，50Hz
制冷剂：R407C
2.2 车辆结构参数
载客人数：254人
平均运行速度：≥35km/h
车体长度：19m
车体宽度：2.8m
车内高度：2.1m
主车厂进一步提供了如下具体车辆结构参数：
窗户高度：1m
宽度：1.8m
数量：6个
车门上玻璃窗高度：1.2m
宽度：0.8m
数量：8个
车内照明、机电设备功率：1.5 kW
2.3 车辆热/冷负荷计算参数确定
2.3.1 环境参数
海拔高度：不超过1200m；
环境温度：-25℃～+40℃；
相对湿度：最湿月份平均最大相对湿度90%（该月月平均温度不大于25℃）；
自然条件：车辆能承受风、砂、雨、雪、冰雹的侵袭，可在自然条件下安全运行。
2.3.2 车辆热负荷空气计算参数
查得西安地区的夏季空调设计用室外计算参数如下，车内空气计算参数依据TB/T 1951-1987第3.2项中的建议范围取值。
表1 夏季空气计算参数
2.2.3车辆冷负荷空气计算参数
车内空气计算参数依据TB/T 1951-1987第3.3项中的建议范围取值。
表2 冬季空气计算参数
三、车辆负荷的热工计算
3.1 夏季热负荷计算
3.1.1 计算公式
空调机组的有效制冷量，是用来平衡车辆运行中的热负荷的。夏季热负荷计算公式为：
Q= Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6（1）
式中：
Q1——车体隔热壁传热量，W
Q2——太阳辐射传热量，W
Q3——乘客散出的显热量，W
Q4——乘客散出的潜热量，W
Q5——车内机电设备、照明器具等散发的热量，W
Q6——新风带来的热量，W
3.1.2 车辆隔热壁的传热量
Q1=KF（t1- t2）（2）
式中：
K——车辆传热系数，W/m2·K
F——车辆外表面传热面积，m2
t1——新风温度，K
t2——回风温度，K
车辆传热系数公式
K=Ks·Kg（3）
Ks—修正系数，车辆不同运行速度下Ks取值见表1；
Kg—车辆静态传热系数理论计算值，W/m2·K。
表1 车辆不同运行速度下Ks取值
车辆静态传热系数理论计算按公式（4）和公式（5）计算：
（4）
（5）
式中：
Ki——车辆各部分传热系数，W/m2·K
Fi——车辆各部分传热面积，m2
αn——车辆内表面换热系数，W/（m2·K）；，取8 W/（m2·K）
δi——各层材料的厚度，m；
λi——各层材料的热导系数，W/（m·K）；
αw——车辆外表面换热系数，W/（m2·K）；，取16 W/（m2·K）
由于车体结构复杂，这里使用推荐值K=2.07 W/m2·K
Q1计算过程如下：
车窗面积：Fch =1.8×1×6+1.2×0.8×8=18.48m2
侧墙面积：FCQ =19×2.1×2-18.48=61.32m2
车顶面积：FCD=19×2.8=53.2m2
车门面积：FCM =2×5×4=40m2
地板面积：FDB=19×2.8=53.2m2
车窗玻璃传热量：Q11 =2.66×18.48×（35.1-26）=447 W
车体侧传热量：Q12 =2.66×61.32×[（35.1-26）+（0.5×700）/16]=5052.4 W
车顶侧传热量：Q13 =2.66×53.2×[（35.1-26）+（0.5×700）/16]=4383.3 W
车底侧传热量：Q14 =2.66×53.2×（35.1-26）=1287.7 W
Q1 = Q11 + Q12 + Q13+ Q14 =11170.4 W
3.1.3 太阳辐射热
3.1.3.1 说明
太阳辐射热的计算分为两种情况：若是给太阳辐射逐时值，使用公式（6）；若是给定等效太阳负荷，使用公式（7）。
3.1.3.2 算法1
（6）
式中：
KCD、KCQ、KDB、KCM—车顶、侧墙、地板、车门的传热系数 W/m2·K；
FCD、FCQ、FDB、KCM、FCH—车顶、一侧侧墙、地板、一侧车门和一侧车窗的传热面积，m2；
εCD、εCQ、εDB、εCM——车顶、侧墙、地板和车门的阳光吸收系数，落有灰尘的浅色油漆表面为0.5；落有灰尘的深色油漆表面为0.7。
JCD、JCQ、JDB——车顶、两侧侧墙、地板外表面上的太阳辐射强度，W/m2；
D——玻璃透光系数，取0.52～0.67；
σ——遮光系数。取1。
3.1.3.2 算法2
（7）
式中：
QCD—车顶太阳辐射热，W；
QCD—侧墙太阳辐射热，W；
QCM—车门太阳辐射热，W；
Qch—窗区太阳辐射热，W；
车顶太阳辐射热按公式（8）计算：
（8）
侧墙太阳辐射热按公式（9）计算：
（9）
车门太阳辐射热按公式（10）计算：
（10）
窗区太阳辐射热按公式（11）计算：
（11）
式中：
En—等效太阳负荷，W/m2。
此项目中由客户告知，车体油漆面属于深色，且忽略车门：
KCD=1.59 W/ m2·K
KCQ=5.54 W/ m2·K
KDB=1 W/ m2·K
KCM=2.4 W/ m2·K
JCD=1000 W/ m2
JCQ=469.5 W/ m2
JDB=220.4 W/ m2
JCM=450 W/ m2
所以使用算法1的公式6，
=18287.4 W
3.1.4 乘客的散热量
乘客的散热量主要由人体散发的显热量和潜热量组成：.
Q3=u·n·qx（12）
Q4=u·n·qq（13）
式中：
u——群集系数，取0.955。
n ——车内定员数；
qx——平均每人散发的显热量，W/人，取64W/人；
qq——平均每人散发的潜热量，W/人，取52W/人；
所以，
Q3=64×0.955×254=15524.5 W。
Q4=52×0.955×254=12613.6 W。
3.1.5 车内机电设备的散热量
主要指照明散热和电气设备散热。已知1500w。
3.1.6新风热负荷
新风热负荷按照公式（14）计算：
Q6=ρ·q·Δh/3.6（14）
式中：ρ——空气密度，kg/m3，查得室外空气温度35.1℃时，ρ=1.15 kg/m3；
q——新风量，m3/h；
Δh——室内外焓差，kJ/kg。
Q6=1.15×1270×（79-53.7）/3.6=10264 W。
所以，
Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=11170.4+18287.4+15524.5+12613.6+1500+10264=69432.7W≈69.4kW。即每台空调制冷负荷应为34.7kW，计划设计单台空调制冷量为35kw。
3.2 确定总风量
总风量按照公式（15）计算：
（15）
式中：
V－－总风量，m3/h；
Qn――车内显热负荷，kW；
ρo――空调机组出风口空气密度，kg/m3，28℃时空气密度为1.17kg/m3；
Cp――空气定压比热，kJ/（kg·K），取1.01kJ/（kg·K）；
t3――送风温度，K，这里取17℃。
车内显热负荷按公式（16）计算：
Qn=（Q1+Q2+Q3+Q5）/1000 ……………………（16）
V=3.6×（11170.4+18287.4+15524.5+1500）/1.17/1.01/（28-17）=12873.3m3/h
即单台空调的送风量为6436.7 m3/h，设计风量为6500 m3/h。
3.3 冬季冷负荷计算
3.3.1 计算公式
冬季冷负荷计算公式为：
Q’= Q1’+Q2’-Q3’-Q4’（17）
式中：
Q1’——车体隔热壁传热量，W
Q2’——新风冷负荷，W
Q3’——乘客散出的显热量，W
Q4’——车内机电设备、照明器具等散发的热量，W
3.3.2 车辆隔热壁的传热量
Q1’=KF（t1- t2）（18）
Q1’=2.07×（18.48+61.32+53.2+40+53.2）×（15+4.2）=8990 W
3.3.3 新风冷负荷
Q2’=ρwVwCp（t1- t2）（19）
ρw――湿空气密度，单位为千克每立方米（kg/m3），0℃时空气密度为1.3kg/m3
Vw――新风体积流量，单位为立方米每秒（m3/s），这里取单人所需新风量为15m3/h；
Q2’=1.3×15/3.6×254×1.01×（15+4.2）=26680 W
3.3.4 乘客散热量
乘客散发的显热量为：
Q3’=u·n·qx（20）
式中：
μ――群集系数，取0.955；
n――车内定员数；
qx――平均每人散发的显热量，W，取64w/人。
Q3’=0.955×254×64=15524.5w
3.3.5 车内机电设备的散热量
车内机电设备散热量Q4＇，通常被当作采暖设备的安全储热设备，在计算中不予考虑。
所以，Q’= 8990+26680-15524.5=20145.5，设计采暖量为22kw。
四、结论
本文详细的使用实例对车辆空调的制冷、制热负荷的方法进行了整理并演绎，尤其在业主或主机厂给出不同形式的太阳辐射值的两种情况下，分别对应有两种简易的算法。全文汇总的计算方式可广泛适用于车辆空调系统。
论文作者:王茜
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/4
标签：车辆论文; 负荷论文; 系数论文; 车内论文; 太阳论文; 公式论文; 空调论文; 《基层建设》2019年第25期论文;