CN112373499A - 不同气候区轨道交通列车热泵空调设计方法 - Google Patents

不同气候区轨道交通列车热泵空调设计方法 Download PDF

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吴妍
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Abstract

本发明涉及一种不同气候区地铁列车热泵空调设计方法，采集不同气候区全年气象参数，地铁列车车辆信息，实时载客量，通过去除地铁列车每日停运时段，计算出不同气候区典型城市地铁列车全年动态负荷，优化地铁列车热泵空调的设计依据，降低热泵空调机组在列车能耗中的占比。本发明基于地铁列车空调负荷计算方法及基础数据，对不同气候区典型城市地铁列车车辆空调全年动态负荷进行了计算，以探索不同气候区的地铁列车空调的负荷特性。本发明得出的全年负荷分布特性，对合理选择不同气候区地铁列车空调采暖方式和优化改进地铁列车空调系统，实现列车空调的高效节能，具有一定的指导意义。

Description

不同气候区轨道交通列车热泵空调设计方法
技术领域
本发明涉及一种地铁列车热泵空调机组的设计方法，具体涉及不同气候区地铁列车热泵空调设计方法，属于地铁列车空调负荷计算领域。
背景技术
近年来，我国社会经济的快速发展，城市化水平不断提高，城镇人口在我国总人口中占比已超过50％。城市人口的不断增加，为城市发展带来巨大的负担，城市交通拥堵是影响城市健康发展的重要阻碍。城市轨道交通因具有运输量大、快捷便利和舒适性高等优势，成为我国城市交通的重要组成部分。据统计，除宁夏、青海、西藏等少数几个省份暂无地铁修建计划，我国其他省份均已开通或即将开通地铁。
空调系统作为城市轨道列车的主要辅助系统，其能耗在列车总运行能耗中的占比超过30％，仅次于列车牵引能耗。随着地铁列车在我国的不断发展，空调能耗的问题也日益突出。
目前国内已装车运营的列车空调系统绝大部分为单冷型，轨道列车冬季采暖由电加热来实现，包括空调自带的电加热和车辆地板加热，能效比小于1。另外，在车辆中布置电加热器存在着安全隐患。因此，列车空调领域学者们将热泵技术引入地铁列车中，在冬季运行时减少或代替当前的电加热装置，合理使用低位热能，以提供冬季空调车所需热量，如上海轨道交通10号线。将热泵技术应用于城市轨道交通中，不仅提高了能源利用率，大幅降低列车空调系统的能耗，还减少了电加热带来的安全问题。虽然热泵技术在地铁列车上已存在应用实例，但是对不同气候区地铁列车热泵空调的设计依据的相关研究还存在空白。
对于地铁列车热泵空调机组设计而言，地铁列车空调负荷的选取会影响系统的设计容量。目前不同气候区地铁列车空调机组的设计容量均按照规范，分别南北两个区域设计，且选取固定载客量进行负荷计算。实际上，地铁列车载客量是实时变化的，且变化显著，这使得设计的空调系统的容量偏大，造成主机系统COP不在最大的负荷率下运行。现亟需对地铁列车全年动态负荷进行计算分析，降低机组设计容量，使得热泵空调机组的设计更加合理，运行更加节能。
发明内容
针对地铁列车热泵空调机组，现有机组容量的计算方法存在不足，本发明提出一种不同气候区地铁列车热泵空调设计方法，本发明的基本构思是，对地铁列车空调车外计算参数进行优化，去除地铁列车停运时段的车外计算参数，利用优化后的地铁列车空调车外计算参数，结合地铁列车实时载客量的统计结果，对不同气候区地铁列车全年动态负荷进行计算，根据动态负荷的分析得到更为合适的地铁列车热泵空调机组的设计容量，减少空调设备的初投资和运行费用。
本发明技术方案如下：
一种不同气候区地铁列车热泵空调设计方法，其特征在于：依据气候区全年气象参数、地铁列车车辆信息、实时载客量，计算出各气候区典型城市地铁列车全年动态负荷，作为地铁列车热泵空调的设计依据，从而降低热泵空调机组在列车能耗中的占比。
具体步骤如下：
1)去除地铁列车每日停运时段后作为车外空气的计算参数：
采用历年去除地铁列车每日停运时段后的平均不保证50小时的干球温度作为地铁列车空调车外计算干球温度t1 ；
采用历年去除地铁列车每日停运时段后的不保证5天的日平均温度作为地铁列车夏季空调车外计算日平均温度t2 ；
采用历年去除地铁列车每日停运时段后的平均不保证50小时的湿球温度作为地铁列车空调车外计算湿球温度t3 ；
采用历年去除地铁列车每日停运时段后的平均不保证1天的日平均温度作为地铁列车冬季空调车外计算日平均温度t4 ；
将利用上述方法得到的地铁列车空调车外计算参数用于步骤2)中地铁列车车体传热负荷计算和新风负荷计算；
2)地铁列车车体传热负荷、新风负荷、人员散热、太阳辐射负荷、设备散热计算：
(2.1)利用步骤1)中去除地铁列车每日停运时段的车外逐时气象参数，对地铁列车车体传热负荷进行计算，从而确定地铁列车车体传热负荷；
地铁列车车体传热负荷：Q1＝K·F·ΔtAB；式中ΔtAB＝(tA-tB)
其中Q1：通过车体隔热壁的传热量，单位：W；
K：车体传热系数，单位：W/(m2·K)；
F：车体传热面积，单位：m2；
ΔtAB——车内、外温差，单位：K；而ΔtAB＝(tA－tB)。其中：
tA：地铁列车内设计温度。
tB：夏季时采用历年去除地铁列车每日停运时段后的不保证5天的日平均温度作为地铁列车夏季空调车外计算日平均温度t2 ；冬季时采用历年去除地铁列车每日停运时段后的平均不保证1天的日平均温度作为地铁列车冬季空调车外计算日平均温度t4 。
(2.2)利用地铁列车实时载客量，结合去除地铁列车每日停运时段的地铁列车车外逐时气象参数对地铁列车新风负荷进行计算；地铁列车内载客量实时变化，所需新风量随之改变，利用去除地铁列车每日停运时段的车外空气焓值确定新风负荷；其中，去除地铁列车每日停运时段的车外空气焓值根据步骤1)优化后的车外计算干球温度t1与优化后的车外计算湿球温度t3查焓湿图得到；
新风负荷：Q4＝ρ·VC·Δh；
其中：Q4——送入车内的新鲜空气负荷，单位：W；
ρ——新鲜空气密度，单位：kg/m3；
VC——新风量，单位：m3/h；
Δh——列车内、外空气焓差，单位：kJ/kg。
(2.3)地铁列车车内载客量的变化将引起地铁列车内人员散热的剧烈变化，结合地铁列车实时载客量的统计，计算出地铁列车内人员散热的动态值；
人员散热：Q3＝n·q；
其中：Q3：车内乘客的散热量，单位：W；
n：车内乘客数，单位：人；
q：平均每人散发的热量，单位：W。
(2.4)地铁列车全年动态负荷由地铁列车实时车体传热负荷、新风负荷、人员散热、太阳辐射负荷、设备散热五部分组成；
太阳辐射负荷：
Figure BDA0002793730820000041
其中：Q2——进入车内的太阳辐射热，单位：W；
KCD、KCQ、KDB——列车顶部、车体侧面墙部、列车地板的传热系数，单位：W/(m2·K)；
FCD、FCQ、FDB、FCH——列车顶部、车体一侧侧面墙部、列车地板和列车车窗玻璃的传热面积，单位：m2；
εCD、εCQ、εDB——列车顶部、车体侧面墙部、列车地板的阳光吸收系数；
JCD、JCQ、JDB——列车顶部、车体侧面墙部、列车地板外表面上的太阳辐射强度，单位：W/m2；
D——玻璃透光系数；
σ——遮光系数。
设备散热：Q5＝∑Pi
其中：Q5——送车内机电设备的散热量，单位：W；
Pi——车内各电器设备的功率，单位：W。
3)根据地铁列车全年动态负荷得到热泵空调机组容量
对地铁列车全年动态负荷进行分析，采用不保证50小时的方法，确定地铁列车热泵空调机组设计制冷量和制热量。
步骤(2.1)中，利用去除地铁列车每日停运时段的车外逐时气象参数，对地铁列车车体传热负荷进行计算Q1＝K·F·ΔtAB；
其中Q1：通过车体隔热壁的传热量，单位：W；
K：车体传热系数，单位：W/(m2·K)；
F：车体传热面积，单位：m2；
ΔtAB——车内、外温差，单位：K；所述ΔtAB车内外温差由优化后的去除地铁列车每日停运时段的车外逐时气象参数计算确定。
步骤(2.2)中，所述去除地铁列车每日停运时段的车外空气焓值根据优化后的车外计算干球温度t1与优化后的车外计算湿球温度t3查焓湿图得到，其中，地铁列车新风负荷由下式计算确定：Q4＝ρ·VC·Δh其中，Q4：送入车内的新鲜空气负荷，单位：W；ρ：新鲜空气密度，单位：kg/m3；VC：新风量，单位：m3/h。
步骤(2.3)中，所述人员散热由公式Q3＝n·q，其中：Q3：车内乘客的散热量，单位：W；n：车内乘客数，单位：人；q：平均每人散发的热量，单位：W，计算确定。
附图说明
图1为本发明方法流程图
具体实施方式
不同气候区地铁列车热泵空调设计方法，通过对不同气候区全年气象参数，地铁列车车辆信息，实时载客量进行调研，计算出不同气候区典型城市地铁列车全年动态负荷，优化地铁列车热泵空调的设计依据，降低热泵空调机组在列车能耗中的占比，具体步骤如下：
1)通过去除地铁列车每日停运时段，优化车外空气的计算参数：
统计我国不同气候区典型城市地铁列车运营时段，从历年气象年车外逐时气象参数中去除地铁列车停运时段的车外气象参数，以此方法来重新统计地铁列车车外计算参数。采用历年去除地铁列车每日停运时段后的平均不保证50小时的干球温度作为地铁列车空调车外计算干球温度；采用历年去除地铁列车每日停运时段后的不保证5天的日平均温度作为地铁列车空调车外计算日平均温度；采用历年去除地铁列车每日停运时段后的平均不保证50小时的湿球温度作为地铁列车空调车外计算湿球温度；采用历年去除地铁列车每日停运时段后的平均不保证1天的日平均温度作为地铁列车冬季空调车外计算温度；将利用此方法得到的地铁列车空调车外计算参数用于地铁列车车体传热负荷计算和新风负荷计算中；
2)地铁列车车体传热负荷、新风负荷、人员散热计算：
(2.1)利用去除地铁列车每日停运时段的车外逐时气象参数，对地铁列车车体传热负荷进行计算，从而确定地铁列车车体传热负荷；
(2.2)对地铁列车实时载客量进行统计调研，结合去除地铁列车每日停运时段的地铁列车车外逐时气象参数对地铁列车新风负荷进行计算。地铁列车内载客量实时变化，所需新风量随之改变，利用去除地铁列车每日停运时段的车外空气焓值参与新风负荷的确定。其中，去除地铁列车每日停运时段的车外空气焓值根据优化后的车外计算干球温度与优化后的车外计算湿球温度查焓湿图得到；
(2.3)地铁列车车内载客量的变化将引起地铁列车内人员散热的剧烈变化，结合地铁列车实时载客量的统计，计算出地铁列车内人员散热的动态值；
(2.4)地铁列车全年动态负荷由地铁列车实时车体传热负荷、新风负荷、人员散热、太阳辐射负荷、设备散热五部分组成。
3)根据地铁列车全年动态负荷得到热泵空调机组容量
对地铁列车全年动态负荷进行分析，采用不保证50小时的方法，确定地铁列车热泵空调机组设计制冷量和制热量。
所述统计地铁列车每日停运时段，去除地铁列车每日停运时段去除后，将剩余的车外气象参数作为空调负荷用车外空气计算参数的数据统计范畴。
所述利用去除地铁列车每日停运时段的车外逐时气象参数，对地铁列车车体传热负荷进行计算Q1＝K·F·ΔtAB；
其中Q1：通过车体隔热壁的传热量，单位W；K：车体传热系数，单位：W/(m2·K)；F：车体传热面积，单位：m2；ΔtAB——车内、外温差，单位：K。其中，车内外温差由优化后的去除地铁列车每日停运时段的车外逐时气象参数计算确定。
所述去除地铁列车每日停运时段的车外空气焓值根据优化后的车外计算干球温度与优化后的车外计算湿球温度查焓湿图得到，其中，地铁列车新风负荷由下式计算确定：Q4＝ρ·VC·Δh其中，Q4：送入车内的新鲜空气负荷，单位：W；ρ：新鲜空气密度，单位：kg/m3；VC：新风量，单位：m3/h。
所述人员散热由公式Q3＝n·q，其中：Q3：车内乘客的散热量，单位：W；n：车内乘客数，单位：人；q：平均每人散发的热量，单位：W，计算确定。
对地铁列车全年动态负荷进行分析，采用不保证50小时的方法，确定地铁列车热泵空调机组设计制冷量和制热量。
实例
以武汉地区为例进行详细说明。
不同气候区地铁列车热泵空调设计方法，主要包括以下几个步骤：
步骤一：对该地区的地铁列车夏季空调车外计算干球温度，夏季空调车外计算日平均温度，冬季空调车外计算温度进行统计确定。
武汉地区夏季地铁列车空调车外计算干球温度为35.3℃，冬季地铁列车车外计算温度为-2.4℃。
步骤二：统计武汉地区去除地铁列车停运时段的车外气象参数，以及某地铁线路实时载客量信息。
步骤三：利用步骤一和步骤二得到的参数计算出武汉地区地铁列车全年动态负荷。
步骤四：分析地铁列车全年动态负荷，采用不保证50小时的方法，确定武汉地区地铁列车热泵空调机组设计制冷量为68kW和制热量20kW。

Claims (5)

1.一种不同气候区地铁列车热泵空调设计方法，其特征在于：依据气候区全年气象参数、地铁列车车辆信息、实时载客量，计算出各气候区典型城市地铁列车全年动态负荷，作为地铁列车热泵空调的设计依据，从而降低热泵空调机组在列车能耗中的占比。
2.如权利要求1所述不同气候区地铁列车热泵空调设计方法，其特征在于：具体步骤如下：
1)去除地铁列车每日停运时段后作为车外空气的计算参数：
采用历年去除地铁列车每日停运时段后的平均不保证50小时的干球温度作为地铁列车空调车外计算干球温度t1 ；
采用历年去除地铁列车每日停运时段后的不保证5天的日平均温度作为地铁列车夏季空调车外计算日平均温度t2 ；
采用历年去除地铁列车每日停运时段后的平均不保证50小时的湿球温度作为地铁列车空调车外计算湿球温度t3 ；
采用历年去除地铁列车每日停运时段后的平均不保证1天的日平均温度作为地铁列车冬季空调车外计算日平均温度t4 ；
将利用上述方法得到的地铁列车空调车外计算参数用于步骤2)中地铁列车车体传热负荷计算和新风负荷计算；
2)地铁列车车体传热负荷、新风负荷、人员散热、太阳辐射负荷、设备散热计算：
(2.1)利用步骤1)中去除地铁列车每日停运时段的车外逐时气象参数，对地铁列车车体传热负荷进行计算，从而确定地铁列车车体传热负荷；
地铁列车车体传热负荷：Q1＝K·F·ΔtAB；式中ΔtAB＝(tA-tB)
其中Q1：通过车体隔热壁的传热量，单位：W；
K：车体传热系数，单位：W/(m2·K)；
F：车体传热面积，单位：m2；
ΔtAB——车内、外温差，单位：K；而ΔtAB＝(tA－tB)。其中：
tA：地铁列车内设计温度。
tB：夏季时采用历年去除地铁列车每日停运时段后的不保证5天的日平均温度作为地铁列车夏季空调车外计算日平均温度t2 ；冬季时采用历年去除地铁列车每日停运时段后的平均不保证1天的日平均温度作为地铁列车冬季空调车外计算日平均温度t4 。
(2.2)利用地铁列车实时载客量，结合去除地铁列车每日停运时段的地铁列车车外逐时气象参数对地铁列车新风负荷进行计算；地铁列车内载客量实时变化，所需新风量随之改变，利用去除地铁列车每日停运时段的车外空气焓值确定新风负荷；其中，去除地铁列车每日停运时段的车外空气焓值根据步骤1)优化后的车外计算干球温度t1与优化后的车外计算湿球温度t3查焓湿图得到；
新风负荷：Q4＝ρ·VC·Δh；
其中：Q4——送入车内的新鲜空气负荷，单位：W；
ρ——新鲜空气密度，单位：kg/m3；
VC——新风量，单位：m3/h；
Δh——列车内、外空气焓差，单位：kJ/kg。
(2.3)地铁列车车内载客量的变化将引起地铁列车内人员散热的剧烈变化，结合地铁列车实时载客量的统计，计算出地铁列车内人员散热的动态值；
人员散热：Q3＝n·q；
其中：Q3：车内乘客的散热量，单位：W；
n：车内乘客数，单位：人；
q：平均每人散发的热量，单位：W。
(2.4)地铁列车全年动态负荷由地铁列车实时车体传热负荷、新风负荷、人员散热、太阳辐射负荷、设备散热五部分组成；
太阳辐射负荷：
Figure FDA0002793730810000021
其中：Q2——进入车内的太阳辐射热，单位：W；
KCD、KCQ、KDB——列车顶部、车体侧面墙部、列车地板的传热系数，单位：W/(m2·K)；
FCD、FCQ、FDB、FCH——列车顶部、车体一侧侧面墙部、列车地板和列车车窗玻璃的传热面积，单位：m2；
εCD、εCQ、εDB——列车顶部、车体侧面墙部、列车地板的阳光吸收系数；
JCD、JCQ、JDB——列车顶部、车体侧面墙部、列车地板外表面上的太阳辐射强度，单位：W/m2；
D——玻璃透光系数；
σ——遮光系数。
设备散热：Q5＝∑Pi
其中：Q5——送车内机电设备的散热量，单位：W；
Pi——车内各电器设备的功率，单位：W。
3)根据地铁列车全年动态负荷得到热泵空调机组容量
对地铁列车全年动态负荷进行分析，采用不保证50小时的方法，确定地铁列车热泵空调机组设计制冷量和制热量。
3.根据权利要求1所述的不同气候区地铁列车热泵空调设计方法，其特征在于：步骤(2.1)中，利用去除地铁列车每日停运时段的车外逐时气象参数，对地铁列车车体传热负荷进行计算Q1＝K·F·ΔtAB；
其中Q1：通过车体隔热壁的传热量，单位：W；
K：车体传热系数，单位：W/(m2·K)；
F：车体传热面积，单位：m2；
ΔtAB——车内、外温差，单位：K；所述ΔtAB车内外温差由优化后的去除地铁列车每日停运时段的车外逐时气象参数计算确定。
4.根据权利要求1所述的不同气候区地铁列车热泵空调设计方法，其特征在于：步骤(2.2)中，所述去除地铁列车每日停运时段的车外空气焓值根据优化后的车外计算干球温度t1与优化后的车外计算湿球温度t3查焓湿图得到，其中，地铁列车新风负荷由下式计算确定：Q4＝ρ·VC·Δh其中，Q4：送入车内的新鲜空气负荷，单位：W；ρ：新鲜空气密度，单位：kg/m3；VC：新风量，单位：m3/h。
5.根据权利要求1所述的不同气候区地铁列车热泵空调设计方法，其特征在于：步骤(2.3)中，所述人员散热由公式Q3＝n·q，其中：Q3：车内乘客的散热量，单位：W；n：车内乘客数，单位：人；q：平均每人散发的热量，单位：W，计算确定。
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