武汉地区地铁列车空调全年负荷特性分析

吴楠楠，吴 妍，臧建彬

(同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804 )

0 引言

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，成为城市交通的重要组成部分。城市轨道交通作为城市居民出行的主要交通工具，以空调系统为主的车辆辅助系统的能耗占列车总能耗的25%～35%[1]。列车空调机组是在设计工况下，按照稳定传热计算负荷，然后选型设计完成。但实际上，在负荷计算中，除了照明、设备负荷是定值外，其他负荷均为变值，即列车空调负荷是与时间和空间相关的函数。车外气象参数和载客量等因素都随时间改变，同样这些因素也会因空间的不同而发生变化[2]。负荷直接影响了列车空调机组制冷量和制热量的需求，根据国家标准计算的稳定负荷值大于动态负荷[3]。因此计算列车空调的动态负荷，了解列车空调全年负荷分布特性，对地铁列车热泵机组设计具有一定的指导意义。

图1 夏热冬冷区分布图

夏热冬冷区主要位于长江流域，涉及16个省、自治区和直辖市，如图1所示。该地区面积约180万平方公里，人口约5.5亿，国民生产总值约占全国的48%，是我国经济发展速度最快的地区。该区域夏季温度高、湿度大，最热月平均温度25～30℃。冬季阴冷，最冷月平均温度0～10℃[4]。春秋两季较短，昼夜温差小，年降水量较大，日照偏小，充分体现了亚热带大陆性季风气候的典型特点。从夏热冬冷区气候特点可以看出，冬夏两季均需要进行室内空气调节[5]。目前城市轨道交通空调系统多为单冷型，冬季采暖为电加热[6]。从夏热冬冷区的气象特点来看，可以将热泵技术应用于运营在该气候区的地铁列车空调系统中，在冬季采用热泵供热，降低夏热冬冷区地铁列车空调冬季采暖能耗。

截至2017年1月，我国已有31个城市开通地铁，总里程达到4238.09公里[7]。其中，夏热冬冷区地铁通车里程为1833.55公里，达到全国地铁通车里程的43.27%，如图2所示。作为夏热冬冷区的代表城市之一的武汉，目前已开通5条地铁线路，共计136个站点，总运营里程达到181.35km，客流量日均250万乘次，轨道交通客流量在公共交通中占比35%[8]。武汉市计划在2020年前在已规划的7条地铁线路的基础上新增10条线(段)，建成约400km的轨道网[9]。武汉地铁正处于迅速发展时期，本文对武汉地铁列车空调全年负荷分布特性进行研究，对未来计划投入运营的地铁列车空调采暖方式的选择，空调系统的优化和节能降耗具有指导意义。

图2 各气候区地铁通车里程占比情况

本文将以武汉地铁为研究对象，基于传热学原理，结合武汉地区气象资料，利用已有的客流量实时统计数据，对武汉地铁列车车辆空调全年实时负荷进行计算分析，以达到对夏热冬冷区的列车空调的研究目的。

1 空气计算参数

地铁按照运行环境不同，分为地上和地下两种。根据《GB 50157-2013地铁设计规范》，在夏季，开式站台隧道温度不超过35℃，全封闭站台隧道不超过40℃。冬季最低温度不应低于5℃。与隧道温度变化相比，地上运行的地铁车外环境参数变化更为显著，对机组节能设计与控制的研究更有意义。同时，据统计，武汉地区地上地铁里程占通车总里程的32%左右，地铁列车空调在地上运行的负荷特性是不可忽略的。气象参数是计算实时负荷的基础数据，有利于分析实时负荷变化的原因。根据典型年气象统计数据[10]，可以得到武汉全年气象参数。图3为武汉典型年日平均温度和日平均相对湿度变化图，图4为武汉典型年月平均温度和月平均相对湿度变化图。

图3 武汉全年日平均温、湿度变化图

图4 武汉月平均温、湿度变化图

武汉全年温度变化不大，温度变化范围在-5～40℃之间，全年最高日平均温度为35.09℃，当天日平均相对湿度为56%。全年最低日平均温度为-0.79℃，当天日平均相对湿度为93%。武汉最热月(7月)的月平均干球温度为29.88℃，当月平均相对湿度为74%。最冷月(1月)的月平均干球温度为4.76℃，当月平均相对湿度为77%。

根据《TB/T 1951-87客车空调设计参数》可知，制冷季列车内设计温度为24～28℃。采暖季列车内设计温度为18～20℃[11]。故本文选取制冷季列车内设计温度为27℃，采暖季列车内设计温度为18℃。

2 计算依据

2.1 制冷季负荷计算依据

根据《TB/T 1957-91铁路空调客车热工计算方法》[12]，制冷季车内热负荷计算方法如下：

QS0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(1)

式中：

QS0—地铁车辆空调总冷负荷，kW；

Q1—通过车体隔热壁损失的热量，kW；

Q2—进入车内的太阳辐射热，kW；

Q3—乘客的散热量，kW；

Q4—机电设备散热量，kW；

Q5—新风负荷，kW；

乘客散热量计算方式如下：

Q3=0.955·n·q

(2)

式中：

n—载客量，人；

q—平均每人散发的热量，根据文献[11]取值。

新风负荷计算方式为：

Q5=VA1·ρ·Δh

(3)

式中：

VA1—新风量，m3/h；制冷季供给每人的新鲜空气量为25m3/h。

ρ—新鲜空气密度，kg/m3；

Δh—列车内、外空气焓差，kJ/kg。

2.2 采暖季负荷计算依据

根据文献[12]，城市轨道交通车辆采暖季热负荷可表示为：

QS=Q1+Q6-Q3-Q4

(4)

式中：

QS—地铁车辆采暖季热负荷，kW；

Q1—通过车体隔热壁损失的热量，kW；

Q6—加热送入车内新鲜空气所需热量，kW。

其中，加热送入车内新鲜空气所需热量按下式计算：

Q6=VA2·ρ·CP·ΔtAB

(5)

式中：

VA2—新风量，m3/h；采暖季供给每人的新鲜空气量为20m3/h。

CP—新鲜空气比热容，kJ/(kg℃)；

ΔtAB—列车内、外温差，℃。

机电设备散热量在采暖季通常被当作安全储备热，在计算中不予考虑。

因为地铁列车车内负荷主要来源于乘客[13,14]，因此本文只考虑车外气象参数及车内人员数对列车空调负荷的影响。基于列车发车时间、车内人员情况以及车外实时气象参数对列车空调全年实时负荷进行计算，忽略其他因素变化对负荷的影响，如车速变化对车体传热的影响等。计算时，以列车发车时刻的车外气象参数作为车外计算温度，发车时车内的乘客数为此时的载客量，根据载客量及车外温度的实时变化，进行实时负荷计算。

3 列车线路基础数据

3.1 列车基础信息

本文旨在对武汉地铁列车全年负荷特性分析，研究对象为一条运营在武汉地区的地铁线路，此线路沿途共设有28个站点，A型车，车长23.54m，宽3m，定员310人。按照列车稳定运行进行计算，列车时速80km/h，因此列车整车K值为1.83W/(m2·K)[11]。

3.2 实时载客量

本文假定的地铁线路的载客量变化规律，参照上海地铁1号线[15]。此统计数据包含了工作日与非工作日、早晚高峰和热门站点等载客量变化特点。选取某趟列车的一节车厢，从始发站开始统计人数，记录列车在每一站发车时的车厢人数，此时车厢人数即为此站点的客流量。工作日与非工作日实时载客量统计图分别如图5、6所示。工作日载客量高、低峰明显，高峰出现在出行早高峰08∶00，峰值一度接近AW2(额定荷载即每节车厢310人)工况。低峰出现在22∶00，与高峰载客量差异较大。非工作日各时刻载客量相对平稳，无明显峰值。除工作日早高峰外，其余时间载客量均处于AW1(满座)工况左右。

图5 工作日列车载客量

图6 非工作日载客量变化

4 计算结果

武汉地铁列车空调全年实时负荷计算结果如图7所示，其中横轴为日期，纵轴为负荷，从图7可以得出以下结论：

图7 制冷季列车空调实时负荷计算

(1)受到车外气温变化的影响，制冷季的负荷变化均呈现先增大后减小的趋势。采暖季与制冷季负荷变化规律一致，但变化没有制冷季显著。

(2)制冷季负荷峰值出现在9月4日08：00，最大负荷为121.26kW。虽然此时气温并非最高值，但此时车外空气的焓值较大，且此时为早高峰，车内人员密集，所需新风量大，故而负荷达到制冷季峰值。

(3)采暖季热负荷峰值出现在1月24日08：00，最大热负荷为38.87kW。同样受到车外气温和列车实时载客量的影响，使得热负荷达到峰值。

(4)结合我国历年平均不保证50h不保证率，武汉地铁列车空调机组制冷量84kW，制热量30kW。

5 负荷分布特性分析

5.1 全年负荷分布规律

通过对上述的计算结果进行分析，列车空调制冷季的负荷大于采暖季的负荷，两者比值约为2.65。这主要是因为列车车厢内人员密度高，而人员散热在制冷季使得冷负荷增大，在采暖季则使热负荷减小。因此，武汉地铁列车热泵机组应基于制冷需求进行设计。

5.2 冷负荷分布特性分析

本文使用典型年气象数据作为计算依据，制冷季约共计170天。基于上述计算结果，将制冷季冷负荷分为5个区间进行统计分析。由表1可以看出25kW以下的冷负荷时间频数占据了制冷季的66.47%。制冷季冷负荷主要集中在50kW以下，占整个制冷季的92.33%，而75kW以上的冷负荷时间频率仅为整个制冷季的0.92%。因此，满负荷运行工况在制冷季中是极少的。

另外，对制冷季各月列车空调冷负荷累积值进行了分析，结果如图8所示。冷负荷主要分布在7月和8月，这两个月的累积冷负荷占制冷季总冷负荷的58.23%。其中7月为最热月，8月平均气温与7月相差不大，所以这两个月的累积冷负荷大。

图8 各月冷负荷累积比例图

5.3 热负荷分布特性分析

采暖季约120天，结合以上计算结果，将采暖季热负荷分为5个区间。虽然采暖季最大热负荷达到38.87kW，但仅出现在1月24日的早高峰。由图9可知，32kW以上的热负荷时间频率仅为整个采暖季的0.05%，采暖季热负荷主要集中在16kW以下，占据整个采暖季的90%。

表1 武汉制冷季列车空调冷负荷时间频数

负荷区间(kW)[0,25)[0,50)[0,75)[0,100)[0,125)时间频率(%)66.4792.5699.1099.91100

表2 武汉采暖季列车空调冷负荷时间频数

负荷区间(kW)[0,8)[0,16)[0,24)[0,32)[0,40)时间频率(%)41.1990.0099.3999.95100

图9表示了采暖季各月列车空调热负荷累积比例分布。我们可以看出，与制冷季冷负荷累积值分布不同，采暖季的热负荷累积值在1月出现明显峰值。因为1月车外平均温度最低，所以1月的累积热负荷最大，达到30.9%。

图9 各月热负荷累积比例图

5.4 典型日负荷变化特性分析

在对武汉列车空调全年实时负荷特性进行了分析之后，接下来对典型日的逐时空调负荷进行分析。将达到最大冷负荷的9月4日和达到最大热负荷的1月24日分别定义为制冷季和采暖季的典型日，通过对典型日的负荷分析，可以对峰值负荷的组成、出现原因及出现时间有更清楚的认识。

对最大冷负荷进行分析发现，最大冷负荷出现在早上8∶00的早高峰时段。此时载客量为最大值308人，车外温度为31.69℃。表3为最大冷负荷的组成情况，其中新风加热负荷占比最大。为了更加直观的体现各部分负荷的占比情况，将表3中的数据整理成图10。从图10可见，最大冷负荷主要由新风负荷和乘客散热负荷组成，两者分别占比62.25%和28.21%。研究发现，使用隔热效果好的玻璃和车体材料，并保证车型紧凑，能够有效的减小冷负荷[16]。

图10 最大冷负荷组成占比图

图11 最大热负荷负荷组成占比图

对最大热负荷进行分析发现，最大热负荷也出现在早上8∶00的早高峰时段，此时载客量达到最大，车外气温为-3.09℃。表4为最大热负荷的组成情况，图11为最大热负荷负荷组成占比图。其中新风负荷占比高达74.65%。

表3 最大冷负荷的组成情况

车体传热负荷(kW)太阳辐射负荷(kW)乘客散热负荷(kW)设备散热负荷(kW)新风负荷(kW)总负荷(kW)3.914.1834.213.4875.48121.26

表4 最大热负荷组成情况

车体散热负荷(kW)新风负荷(kW)乘客散热量(kW)总负荷(kW)17.6051.8230.5538.87

冷、热负荷峰值均出现在工作日早高峰，车内人员数是产生峰值的根本原因。通过对典型日负荷组成分析可知，新风负荷在总负荷中占比超过60%，是地铁列车空调的节能重点。

6 结语

(1)受到车外气温变化的影响，制冷季的负荷变化均呈现先增大后减小的趋势。采暖季与制冷季负荷变化规律一致，但变化没有制冷季显著。列车空调制冷季的负荷大于采暖季的负荷，两者比值约为2.65。因此，武汉地铁列车热泵机组应基于制冷需求进行设计。结合我国历年平均不保证50h不保证率，武汉地铁列车空调机组制冷量84kW，制热量30kW。

(2)地铁列车空调机组大多数时间在部分负荷下运行，满负荷工况较少。制冷季冷负荷主要集中在50kW以下，占整个制冷季的92.33%；采暖季热负荷主要集中在16kW以下，占据整个采暖季的90%。

(3)冷、热负荷峰值均出现在工作日早高峰，车内人员数是产生峰值的根本原因。通过对典型日负荷组成分析可知，新风负荷在总负荷中占比超过60%，是地铁列车空调的节能重点。