（车辆工程专业论文）跨座式单轨列车热舒适性仿真分析.pdf

摘要 跨座式单轨列车车厢内部气流流动和传热的合理组织是车辆设计的重要内 容，而车内热舒适性的评价又是跨座式单轨列车设计所追求的重要参考指标，也 是提高我国单轨车辆研发水平的重要途径。由于车厢内气流速度和温度分布状况 是车内环境舒适度评价的基础，因此设计过程应全面考虑车厢进、出风口的大小、 位置、进风质量、进风速度和进风温度对车内流场的影响。 本论文以流体流动和传热动力学方程为基础，首先对用于评价空调客车室内 热舒适性的评价体系和方法进行了较全面的分析研究，并引入了目前国际上广泛 用于判断空调室内环境热舒适性的p m v p p d 评价方法以及相对湿度r h 和平 均空气龄m a a 评价指标。其次，全面分析了影响室内空气流动的结构特征，在 此基础上建立了用于热舒适性仿真分析的单轨列车车厢内部简化c a d 模型，确 定了用于热舒适性计算的边界条件，并对车体传热系数及车体热负荷进行了计 算；对跨座式单轨列车内部的热舒适性进行了仿真分析研究，主要包括对空调列 车内部空气流动和传热状况进行了仿真方法的研究与分析，从而得到车厢室内空 气的压力、速度和温度的分布情况；最后，结合人机工程学对人体热舒适性的要 求，利用判断环境舒适性的预期平均通感、不适人员比例、相对湿度、平均空气 龄等评价方法，对车室内的空气品质，气流组织与热舒适性进行分析评价。 计算结果精确模拟了车厢内速度场和温度场的分布情况，并对列车车厢内的 热舒适性做了科学客观的评价，进而对改善列车车厢内热舒适性提供了重要 的参考依据。 关键词：跨座式单轨列车；流场数值模拟；热舒适性评价 a b s t r a c t m o n o r a i lt r a i n sa i rf l o wa n dh e a tt r a n s f e rw i t h i nt h er a t i o n a lo r g a n i z a t i o no fm o d e m a i r - c o n d i t i o n e db u sd e s i g ni sav e r yi m p o r t a n tc o n t e n t ，b u tt h ee v a l u a t i o no ft h e r m a lc o m f o r t i n s i d et h ec a ri sm o n o r a i lt r a i nd e s i g nt op u l 苫u ea ni m p o r t a n tr e f e r e n c ei n d e x ，i sa l s ot oe n h a n c e c h i n a ss i n g l e - t r a c ka l li m p o r t a n tw a yt od e v e l o pt h el e v e lo fv e h i c l e a st h ea i rv e l o c i t ya n d t e m p e r a t u r ei n s i d et h ed i s t r i b u t i o no fe n v i r o n m e n t a lc o m f o r te v a l u a t i o ni sa v e h i c l eb a s i s ，s ot h e d e s i g np r o c e s ss h o u l dt a k ei n t oa c c o u n tc a i i m p o r ta n do u t l e ts i z e ，l o c a t i o n ，a i rq u a l i t y , a i rv e l o c i t y a n di n l e tt e m p e r a t u r e0 nt h ei n s i d ef l o wf i e l d i nt h i st h e s i s ，t h ef l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e rd y n a m i c se q u a ：t i o n ，f i r s ta i r - - c o n d i t i o n e db u sf o r e v a l u a t i o no fi n d o o rt h e r m a lc o m f o r te v a l u a t i o ns y s t e mf o rac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fr e s e a r c h ， a n dt oi n t r o d u c et h ei n t e r n a t i o n a la i r - c o n d i t i o n i n gi sw i d e l yu s e dt od e t e r m i n ei n d o o rt h e r m a l c o m f o r tt h ep 腓p p de v a l u a t i o nm e t h o dt r a i n st h ea i rq u a l i t y , a i rd i s t r i b u t i o na n dt h e r m a l c o m f o r tw a se v a l u a t e db ya n a l y s i s s e c o n d l y , o nt h es t r a d d l e - t y p em o n o r a i lt r a i nw i t h i n t h e t h e r m a lc o m f o r tc o n d u c t e das i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h em a i nc o n t e n t si n c l u d eac o m p r e h e n s i v e a n a l y s i so ft h es 仃u c t u r ei ni n d o o ra i rf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，o nt h i sb a s i s ，b u i l das i m u l a t i o na n a l y s i s f o rt h e n n a lc o m f o r to ft h em o n o r a i lt r a i nc a rw i m i nt h es i m p l i f i e dc a dm o d e lt od e t e r m i n et h e t h e r m a lc o m f o r tc a l c u l a t i o nf o rt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，a n dt h eb o d ya n dt h eb o d yh e a t1 0 a do f h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a sc a l c u l a t e d ：t oa d o p tac o m m o nc f ds 0 1 a r e ，a i r - c o n d i t i o n e dt r a i n i n t e r n a la i rf l o wa n dh e a t 岔a n s f e rc o n d i t i o n sw 骶s i m u l a t i o nr e s e a r c ha n da n a l y s i st og e ti n s i d e t h ei n d o o ra i rp r e s s u r e ，v e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ；f i n a l l y , t h ec o m b i n a t i o no f e r g o n o m i c so nh u m a n 也c r m a lc o m f o r t 。w h i c hu t i l i z e se n v i r o n m e n t a lc o m f o r tt oj u d g et h e e x p e c t e da v e r a g es y n e s t h e s i a p r e d i c t e dm e a nv o t e ( p m 】，d o e sn o ta p p l yt o s t a f fr a t i o p e r c e n t a g eo fd i s s a t i s f i e dp e r s o n s ( p p d ) ，r e l a t i v eh u m i d i t y r e l a t i v eh u m i d i t y ( r h ) 】，t h e a v e r a g ea i ra g e m e a na g eo fa i r ( m a a ) 】a n do t h e re v a l u a t i o nm e t h o d s ，i n d o o ra i rv e h i c l e s q u a l i t y , a i rd i s t r i b u t i o na n dt h e r m a lc o m f o r te v a l u a t i o n t h er e s u l t sa c c u r a t e l ys i m u l a t et 1 1 ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ei n s i d et h ef i e l do fd i s t r i b u t i o n ， a n dt h e r m a lc o m f o r ti n s i d et h et r a i nm a d eas c i e n c eo fo b j e c t i v ee v a l u a t i o n ，t h e r e b yi m p r o v i n gm e t h e r m a lc o m f o r to f t h et r a i nc a l sp r o v i d ea ni m p o r t a n tf r a m eo f r e f e r e n c e k e y w o r d s ：s t r a d d l et y p em o n o r a i lt r a i n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t h e r m a lc o m f o r t e v a l u a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签日期：易f ，。年函月7 7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中 国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人 保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签三孙7, 学位论文作者签名：十汐v 一 日期：沙f 年够一，罗日 指导教师躲司参沁 日期：加f o 年( f 月l 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 缸 指导教师签名：夏l 7 吼纠吖刖p 翌望 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 车厢内部气流流动和传热的合理组织是空调客车设计的重要内容，由于车厢内 气流速度和温度分布状况是车内环境舒适度评价的基础【l 】，因此设计过程应全面考 虑车厢进、出风口的大小、位置、进风质量、进风速度和进风温度对车内流场的 影响。但传统的客车空调设计一般只考虑总体送风量和总体热交换量，气流组织 设计也是参照建筑物的室内气流组织而设计的【2 1 。通常将送风气流看作是射流，通 过求解射流的经验公式来确定车厢内各个断面的温度分布和速度分布，再视该温 度分布和速度分布是否满足设计要求来调整送风口位置、尺寸及送风速度等参数 【3 】【4 】。验公式无法考虑到车厢形状及座椅等的影响，也无法考虑排风气流对射流形 成的影响，因此采用射流的经验公式获得的经验数据结果是有些失真的。按照传 统的设计方法，车厢内的气流分布和温度分布无法准确控制。从而容易造成空调 能量不能合理利用，不能满足车厢内乘客对舒适度的要求【5 j 1 6 1 。 另外，热舒适性也是评价城轨车辆水平的重要指标，重庆作为世界上为数不多 的山地都市之一，由于其具备特殊的山地地形，造就了特殊的气候条件。在夏季 极端气候条件下，与其他城市相比，重庆也具有高温的共同特点。但是由于重庆 的山地特征，使得空气不易流动，再加上长江和嘉陵江在此汇合，大面积的流动 水面受到强烈的太阳辐射，使得大量的水分蒸发到空气中，从而形成了重庆地区 在夏季特有的气候特征，即室外长时间内处于高温、高湿状态( 温度3 5 - - - 3 8 ， 相对湿度7 0 9 6 , - - - 8 0 ) 的情况。 因此开展对车厢室内热舒适性的研究既具有十分重要的现实意义，也是提高单 轨车辆研发水平的重要途径。 1 2 国内外研究现状 对于空调车内气流组织的研究，以往主要是通过模型试验或是通过求解射流 的经验公式得到。而车厢内的热环境评价，则大多是通过主管调查得到。目前， 我国空调客车车厢的主要送风方式是采用车顶送风口送风，车厢两端过道内的回 风口回风方式。车厢内速度场和温度场分布不均匀，不同位置的乘客对车厢内的 热舒适性满意差别较大。近年来，计算机技术及数值计算方法的发展使得模拟计 算复杂流场成为可能。空调客车车厢内气流的速度场和温度场也可以采用计算流 体力学的方法通过数值计算来分析。国内也已有不少设计和研究人员将计算流体 第一章绪论 力学的分析方法应用于建筑空调系统的设计和采暖通风系统设计中，但专门针对 铁路客车车厢三维内流场进行计算分的的还不多见。已有研究大多数侧重于气流 流动的均匀性分析，对空间热环境，即温度分布均匀性进行的讨论和评价则较少。 上海交通大学的吴俊云等人在国外汽车公司研究工作的基础上，较早地采用 k 毛紊流模型及贴体坐标，应用整体求解法计算了空调客车室内气固耦合传热问 题，并考虑了太阳辐射对温度场及强迫对流对空气流场的影响，对s h 6 7 0 0 中型空 调客车车内的三维空气流场与温度场进行数值计算。但其研究车型啊的内部结构 及送风方式与现在实际运行中的空调客车有差别，且受当时的计算机硬件技术的 限制，其计算模型较为粗糙，仅对车厢整体的流场分布趋势进行了讨论。 北京航空航天大学的庄达民对旅客列车车厢采用传统的有限差分法，将送排 风气流与车厢形状及座椅作为一体来考虑，通过数值计算得到车厢内的温度场合 速度场，以及确定出送风速度和送风温差，并据此对车内通风情况进行可研究。 他将模拟计算结果与射流经验公式得计算结果进行了比较，但并没有通过实际模 型试验来验证其计算准确性。且其研究并没有把数值计算与空调室内各项评价指 标结合起来对其计算结果进行评价，也没有给出相应的优化建议。 中南大学的陈焕新采用三维紊流模型，应用有限单元法计算了空调客车( 硬座 车) 内气固耦合传热问题，对空调客车内气流组织，主要是速度场和温度场进行了 数值模拟。研究了送风方式和送风速度对空调客车室内流场的影响，以及送风温 度对空调客车车内温度的影响，为空调客车内气流组织优化设计及舒适性研究提 供了依据。在得到各种空调客车车厢的三维紊态流动与传热状况的数值计算结果 后，陈焕新、连之伟等人还采用目前国际上广泛用于判断空调室内环境热舒适性 的p m v ( p r e d i c t e dm e a nv o t e ，i s 0 7 7 3 0 国际标准) 方法对列车内的空气品质，气流组 织与热舒适性进行了评价。据此，对目前空调送风方式的优劣及其影响因素进行 了分析与判断，得到一系列送风方式一车内环境舒适性如何相互影响作用的结论。 但研究并没有以其结论为基础对空调系统设置及送风方式提出相应的改进措施， 也没有通过对比改进前后的结果来验证其结论。 1 3 课题研究内容与方法 1 3 1 研究内容 理论研究 以流体传动和传热动力学方程为基础，利用数值模拟的方法，采用c f d 软件， 对空调列车内部空气流动和传热状况进行数值模拟，以得到车厢室内空气的压力、 速度和温度的分布情况。 第一章绪论 3 建立用于流场分析的简化模型 以流体理论为基础，保留会对流场造成影响的结构部分，对内部流场没有影响 的部分进行简化处理，缩短计算时间，提高计算的精确度。 温度场结构分析 对列车室内的温度场和速度场进行数值模拟，得到车室内温度场及速度场的分 布情况。 单轨列车舒适性、经济性的评价 利用判断环境舒适性的预期平均通感【p r e d i c t e dm e a nv o t e ( p m v ) 、不适人员 比例【p e r c e n t a g eo fd i s s a t i s f i e dp e r s o n s ( p p d ) i 、相对湿度【r e l a t i v eh u m i d i t y ( r h ) 1 、平均空气龄【m e a n a g eo f a i r ( m a a ) i 等评价方法，对车室内的空气品质， 气流组织与热舒适性进行评价。通过分析送风方案的优劣及其影响因素，总结得 到车厢自身结构、送风方式及送风参数对车厢制冷效果、制冷均匀性和空调能量 利用经济性的影响规律。 1 3 2 研究方法1 8 1 传统工程开发研究采用的试验方法易受到各种客观条件的限制，且使用实物试 验进行大规模的参数调试是极为昂贵的。而数值计算的方法不但具有成本低、能 模拟较复杂工况的优点，还可以拓宽试验研究的范围，减少实验的工作量，得到 较多完整的信息。其中，在与流体流动有关的工程领域，c f d 技术是预测性能随 几何与工况变化而发生变化的强有力的工具【9 】。 c f d 方法求解问题的基本思路是把原来在空间和时间坐标中连续的物理量( 如 速度场、温度场、浓度场等) ，用一系列有限个离散点( 称为节点，n o d e ) 上的值 的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间的代数方程( 称 为离散方程，d i s c r e t i z a t i o ne q u a t i o n ) ，求解所建立起来的代数方程以获得所求变量 的近似值。上述思想可用图1 1 来表示： 4 第一章绪论 以当前值重建离散方程 图1 1c f d 方法求解示意图 f i g1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fc f dm e t h o df o rs o l v i n g c f d 数值求解方法主要有有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d f v m ) 、有限元法 ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 、有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 、有限分析 法( f i n i t ea n a l y t i cm e t h o d ，f a m ) 等，区别在于区域的离散方式、方程的离散方式以 及代数方程求解的方法这三个环节。有限体积法将所计算的区域划分为一系列的 控制容积，每个控制容积都有一个节点作代表。通过将守恒型的控制方程对控制 容积作积分来导出离散方程。在导出过程中，需要对界面上的被求函数本身及其 一阶导数的构成做出假定，这种构成方式就是有限体积法中的离散格式。由于用 有限体积法导出的离散方程可以保持原微分放策划那个的守恒性，而且离散方程 系数的物理意义明确，目前大多数大型商业化c f d 软件都采用了有限体积法【8 】。 本文的研究思路是：首先依据车体的c a d 图在c a t i a 中建立车体内部的三维 模型，其次根据车厢内流场的特点，简化模型并选择适合求解车厢内部气流组织 线性问题 第一章绪论 5 空气动力特性的物理模型和边界条件。在s t a r - c c m + 中对列车内部的气流组织及 热舒适性进行模拟计算，最后对结果进行分析，提出改进建议。 1 4 单轨列车空调系统组成与特点 1 4 1 单轨列车空调装置的组成 3 1 1 4 1 随着我国经济的迅速发展及人民生活水平的提高，城市轨道交通得到了快速的 发展，这是解决城市交通堵塞、减少城市污染的必然途径。城市轨道交通的发展， 促进了各种类型交通车辆的研制、开发。舒适的现代化列车将成为铁路客车发展 的方向和主流，车内环境舒适性将成为客车设计所追求的重要指标。车辆空调系 统的作用就是使客室内的温度、相对湿度、空气流动速度及洁净度( 主要指尘埃 及二氧化碳含量) 保持在规定的范围内，为乘客创造舒适的乘车环境。 一般车辆的空调系统主要由通风系统、空气冷却系统、空气加热系统、空气 加湿系统和自动控制系统等五部分组成。考虑到城轨车辆的实际运行区域的气候 条件，有些车辆可不设专门的加热及加湿系统n 们。 通风系统的作用是将车外新鲜空气吸入并与车内再循环空气混合n ，在滤清 灰尘和杂质后，再输送和分配到车内各处，使车内获得合理的气流组织。同时将 车内污浊的空气排出车外，使车内的空气参数满足人体卫生和舒适性的要求。通 风系统有机械强迫通风和自然通风两种方式。机械强迫通风系统是车辆空调装置 中唯一不分季节而长期运转的系统，因此它的质量状态直接影响到旅客的舒适性 和空调装置的经济性。一般城轨车辆采用机械强迫通风方式，依靠通风机所造成 的空气压力差，通过车内送风道输送经过处理后的空气，从而达到置换空气的目 的。 。 制冷系统的作用是在夏季对进入车内的空气进行降温、减湿处理，使车内空 气的温度与相对湿度维持在规定的范围内。夏季，通风机将吸入的车内外的混合 空气经过蒸发器冷却后送入车内，以达到降温的目的。由于蒸发器表面的温度通 常低于空气的露点温度，使得空气中的部分水蒸气凝结成水滴，因此，空气在通 过蒸发器冷却的同时也得到了减湿处理。现代城轨车辆都设有空调装置，一般每 车设有两个集中式的空调单元，分别安装在车顶的两端。为了使车辆外形轮廓不 超出车辆的静态限界，特在车顶两端设计了两个专用于安装空调单元的凹坑，并 在安装空调单元的机座上加装橡胶垫以减小振动的影响。 空气加热系统的作用是在冬季对进入车内的空气进行预热和对车内的空气进 行加热，以保证冬季车内空气的温度在规定的范围内。考虑到城轨车辆实际运行 区域的气候条件，有些还设置了专门的加热系统。由新风口引入的新鲜空气及车 6第一章绪论 内循环空气，被机组的通风机吸入并在电加热器前混合，通过电加热器加热，温 度升高，再由通风机送入车内风道各格栅，向车内送热风，使温度上升，并通过 温度调节装置自动调节车内空气温度。 空气加湿系统的作用是在冬季车内空气相对湿度较低时对空气进行加湿，以 保证车内湿度在合适的范围内。 自动控制系统的作用是控制各系统按给定的方案协调工作，以使车室内的空 气参数控制在规定的范围内，并同时对空调装置起自动保护作用。 1 4 2 单轨列车车辆空调的特点 由于城市轨道列车空间小，载客量大，对其空调系统较一般空气调节装置有 更高的要求： 高可靠性 空调客车的空调系统必须具有高可靠性，首先，抗振性能要好，车辆在运行 中会产生振动，因此车辆空调系统应具备足够的耐振性能。我国铁路标准 t b t 1 8 0 4 2 0 0 3 “铁道客车空调机组”对车辆空调设备提出了相应的抗振要求和实 验标准。该标准同样适用于城市轨道列车。其次，客车空调机组还应有良好的耐 腐蚀性，由于城市的污染较大，因此对空调机组的暴露件( 如电机、换热器壳体 等) 的耐腐蚀性要求较高，须采用一定的保护措施，延长空调机组的使用寿命。 除选用可连续工作的机组或零部件之外，还要考虑机组出现故障时，有备用机组 可以替代工作。 高舒适性 空调客车室内的温度、相对湿度、c 0 2 浓度、微风速等均应符合卫生舒适的 标准；车内空间应有良好的气流组织，其温度场、速度场和压力场分布合理。 客车容积小，载客量大，而接触外界的面积相对较大，空调易受人员和外温影 响，为了使车内温度波动小，空调自动控制系统应能预测太阳辐射热和定员的变 化自动增减制冷量。 车内压力变化速度形成舒适度评价值，可按七级区分。第一级为2 0 0 p a s ，不 存在不舒适感觉，第七级为3 0 0 p a s ，为强烈不舒适感觉，可以忍耐值为三级， 约2 3 3 4 p a s 。要求车内应力变化速度为2 0 0 - 2 3 0 p a s 。 在梅雨季节的车内空气状态，可用不舒适指数评价n 钔，见表1 1 表1 1 不舒适指数评价表 t h b1 1d i s c o m f o r ti n d e x 第一章绪论 7 6 8舒适 7 0开始感到不适 7 5半数以上人感到不适 8 0全部赶到不适 8 6不能忍受 不适指数= ( 干球温度+ 湿球温度) 搴o 7 2 + 4 0 6 。 铁路客车不适指数要求小于7 0 。如果不适指数超过允许值，空调系统应起除 湿作用，一般车内温度高于2 5 。c 时，相对湿度低于6 0 。 适应车外压力波的变化 城市轨道列车在会车或者通过隧道时，车体外表面压力会产生剧烈的变化， 这种变化会使车内乘客感到很不舒服。为了适应车外压力的变化，客车空调装置 的进排气口应在低压或涡流区之外并加装间歇或连续作用式的进排气控制阀，以 便在车外压力发生变化时调节进排气口工作状态，防止车内空气压力变化过大， 保持不小于3 0 的正压；同时，又可以保证新风机、排风机与冷凝机的电机均正 常工作。 适应车辆轻量化、小型化的要求 为了减少轨道列车对线路的作用力，减少加减速所需的动力输出，应尽可能减 轻自重。在选择空调机组时，应将重量轻作为重要指标。近年来，国产地铁空调 采用一系列新技术来缩小空调与制冷装置的体积。如：采用卧式涡旋式压缩机， 换热器采用内螺纹管，以增强换热效率，减小换热器体积；采用带亲水膜轻质铝 翘片，降低换热器质量，引进高效进口风机等。 低噪声和振动 空调机组时客车的噪声源之一，产生噪声和振动的部件主要是离心式和轴流 式风机。减少叶轮直径和降低转速都可以降低圆周速度，达到降噪的效果。降低 风机的转速必然会降低风机的压头，这就要求尽可能降低新风、回风与送风的各 部分阻力。 免维护程度高 由于城市轨道车辆的空调机组一般是安装于车项两端，因此根据铁路客车空调 的使用经验，在条件允许的情况下空调系统尽量使用单元式、全封闭式制冷循环 系统，并提高免维护元件的使用率3 】【4 1 。 1 4 3 单轨列车车辆与铁路客车空调系统使用环境比较f 1 4 儿1 5 j 地面铁道车辆空调经过长期的发展，在设计和运用上积累了丰富的经验，也为 8 第一章绪论 城市轨道车辆空调提供了宝贵的经验。但是城市轨道车辆空调与铁路客车空调在 运用条件和舒适性要求等方面有所不同，主要有以下几点： 车外温度和湿度 我国土地辽阔，地面铁道车辆运行的时间和区间都很长，在一个运行周期内， 往往将通过不同的气候地区，外气条件变化较大。而城市轨道车辆仅在一个城市 内运行，且经常在隧道内运行，受外界气候变化影响相对较小。 车内热、湿负荷 地面铁道车辆的定员较少，且在运行期间客舱内乘客人数变化较小。而城市 轨道车辆定员较多，乘客人数随时间、区段的不同变化较大，上下班高峰期和繁 华地段的乘客都较多，且车门开闭频繁。 舒适性 地面铁道车辆的乘客乘坐时间比较长，对空调的舒适性要求要高些，而城市 轨道车辆全程运行时间一般不超过1 小时，乘客乘坐时间较短，对空调舒适性的 要求要低一些。 第二章热舒适性评价方法的理论基础 9 第二章热舒适性评价方法的理论基础 2 1 热舒适方程 2 1 1 人体热平衡方程1 越2 1 人体依靠从外界摄取食物来维持生命活动，食物经过人体的新陈代谢作用被 分解氧化，消化分解后产生的大部分化学能最终变为人体的热能，因此人体要不 断的向外界释放出热量。此外，人体同时也会从周围的环境中通过对流、辐射和 汗液蒸发等途径来吸收或者释放热量。人体为维持正常的体温，必须使产热量和 散热量保持平衡。人体的热平衡方程为： m 一形一c r e s = 0 ( 2 1 ) 式中，m 人体能量代谢率，决定于人体的活动量大小，w m 2 形人体所做的机械功，w m 2 c 人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量，w m 2 r 人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量，w m 2 e 汗液蒸发和呼出的水蒸气所带走的热量，w m 2 s 人体蓄热率，w m 2 人体表面与环境的对流换热 人体表面与环境的对流换热量为： c = 吃如厶( t o t a ) ( 2 2 ) 式中：c 对流换热量，形； 见对流换热系数，w ( m 2 k ) ； 以皮肤表面积，m 2 ； 厶由于服装的原因，对对流换热系数吃的修正。一般情况下， 厶= 1 1 + 0 1 5 5 x 2 9 乇】，其中，厶为服装热阻值； f 。空气温度，。c ； “皮肤温度，。c 人体表面与环境的辐射换热 人体表面具有一定的温度，人所处的环境的壁面也具有一定的温度，只要两 者温度不相等，人体与环境就会发生辐射热交换。 人体外表面与环境的辐射换热量为： r = 盯如厶厶( f 一瑶) ( 2 3 ) 式中：尺人体外表面与环境的辐射换热量，得热( + ) 失热( 。) ， 占发射率，随着辐射波长及辐射表面特性变化而变化； 1 0 第二章热舒适性评价方法的理论基础 仃黑体辐射常数，5 6 7 x 1 0 8 w m 2 k 4 ； 4 d 皮肤表面积，m 2 ：且如= o 2 0 2 h o 7 2 5 ，o 4 2 5 ，其中日为身高， m ；为人体质量，t ； 厶人体的有效辐射面积系数； 厶表示由于服装的原因，使人体辐射表面积增加， 且厶= 1 ( 1 一o 1 5 5 5 2 乇) ： 乃平均环境辐射温度，k ； & 皮肤温度，k 。 蒸发热损失 人从饮食中获得的水分有相当大的一部分是经过呼吸道和皮肤散发的。水分 散失的同时，也将从人体带走部分热量。这一热量主要是从体内的液态转变成散 发到环境中的气态时所吸收的气化潜热。 人在没有进食与排泄，并且没有汗液的情况下，水分蒸发所造成的总的热 损失可以通过测定人体重量的变化来估算，即： e ：一6 0 r 坐 ( 2 4 ) = 一一 【z 4 ) a d 式中，e 人体总的蒸发热损失，g m 2 ； ，水的气化潜热，可取2 4 5 0 七，k , ； a w 人体体重变化，后，； 垃测定时间，m i n 。 我们将人体整的蒸发热损失分成两部分：一部分是由于呼吸造成的蒸发热 损失，记做既；另一部分是皮肤蒸发水分造成的蒸发热损失，记做最。 1 ) 呼吸造成的蒸发热损失吃 呼吸过程中，由于呼吸道水分的蒸发，使得吸入的空气含湿量与呼出的气体 含湿量不同，因此形成呼吸的蒸发热损失，它与呼吸量有关，可按下式计算： = 0 0 1 7 3 m ( 5 8 7 一只) w m 2 ( 2 5 ) 呼吸不仅从人体带走水分，造成潜热损失，同时由于环境空气的温度与人体 体温不一致，吸入的空气经过呼吸道被加热，也会造成显热损失。这项热损失可 按下式计算： c r = 0 0 0 1 4 m ( 3 4 一乞) w m 2 ( 2 6 ) 不过，呼吸造成的蒸发损失从总体上说是比较小的。在正常情况下，人体每 天通过呼吸道丧失的水分大约只有2 0 0 4 0 0 9 ，而通过皮肤蒸发的水分远远大 于这个数值。 2 ) 皮肤水分蒸发热损失e s k 第二章热舒适性评价方法的理论基础 1 1 人体通过出汗，并使汗液在皮肤表面完全蒸发可以带走气化潜热。汗液的蒸 发可以分成以下三种情况： a 大量出汗，人体皮肤完全被汗液湿润，这时汗液蒸发热损失最大，用巨嗽 表示，称为显性出汗。k 如下式所示： k = i 顽k - r 历a = 吃( 匕一乞) 式中，吃为着装人体表面即服装表面的对流质交换系数，w ( m 2 圮) 。 吃和吃的相关性可由刘易斯系数根来表示：三r = 吃吃，单位为 k k p a ，而对于典型的室内空气环境刘易斯系数为：l r = 1 6 5 ； 皮肤表面水蒸气分压力，。最= 0 2 5 4 t s k 一3 3 3 5 ，为人体平 均皮肤温度，k ； 只人体皮肤潜热散热量与环境空气的水蒸气分压力，砌。 l d 服装的潜热换热热阻。 厶服装的面积系数。f c l = a d 如，以为人体着装后的实际表面积。 b 人体表面部分被汗液浸湿，部分干燥，蒸发热损失介于两种情况之间。为 此，引入皮肤湿度的概念，即： w = 争( ) ( 2 8 ) 己m 双 式中，w 皮肤湿润度，。 c 人体皮肤表面干燥，但事实上一部分水分通过皮肤表层直接蒸发到周围空 气中去。这种情况称为隐性出汗，或称为皮肤湿扩散，造成的潜热损失用表 示。 没有排汗时，= o 0 6 k ( 2 9 ) 正常排汗时，= 0 0 6 ( 一) ( 2 1 0 ) 式中，汗液蒸发散热量，w m z 。 因此，人体的皮肤蒸发散热量k 为汗液蒸发散热量与皮肤湿扩散散热 量的和，即： b = + = 优1 僦 ( 2 1 1 ) f a n g e r 教授认为当人体接近“中性”时，人体平均皮肤温度毛和汗液蒸 发散热量取决于人体代谢率和对外所做的功。在接近热舒适条件下有以下根 据r o l l l e s hn e v i n s 实验的回归式： k = 3 5 7 - 0 0 2 7 5 ( m 一形) ( 2 1 2 ) = 0 4 2 ( m 一形- 5 8 2 ) ( 2 1 3 ) 联立以上方程，并对换热热阻进行一些简化，可得到舒适条件下的皮肤湿 1 2第二章热舒适性评价方法的理论基础 润度： m 一一5 8 2 w = = - - - - - - - - - - - - 。一 4 6 h e 5 7 3 3 - 0 0 0 7 ( m 一形) 一 e s k = 纠。 综合以上分析，人体总的蒸发热损失为： e = e 删+ es k + o 0 6 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 2 1 2 人体的热舒适方程2 3 l 从热平衡方程的分析中可以看出影响人体热平衡的主要变量有：环境空气温 度。湿度忆、辐射温度霉、对流换热系数吃、对流质交换系数吃、人体新陈 代谢率m 、对外做功矿、皮肤温度疋、皮肤湿润度w 及服装热阻厶等。1 9 8 2 年，丹麦学者f a n g e r 教授在大量实验的基础上，提出了描述人体在稳态条件下 能量平衡的热舒适方程式，它在研究人体热舒适并确定环境的最佳热舒适条件 中，具有非常重要的使用价值和指导意义。 f a n g e r 教授的热舒适方程必须满足一下三个前提条件：第一，人必须处于热 平衡状态s = 0 ；第二，皮肤平均温度应具有与热舒适相适应的水平；第三，人 体应具有最佳的排汗率。 当人体蓄热s = 0 时，人体热平衡方程( 2 1 ) 就变成： m 一矿一c 一尺一e = 0 ( 2 1 7 ) 式中各项散热量有： c = f c l h c ( t c l 一乞) ( 2 1 8 ) 式中，厶服装面积系数，； 见对流换热系数，w ( m 2 k p a ) ； 乞服装外表面温度，。c ；t a = t s k 一乇俾+ c ) ： 乙人体周围空气温度，。c o r = 3 9 6x 1 0 8 f c l ( t 0 1 + 2 7 3 ) 4 - ( t ；= + 2 7 3 ) 4 】 ( 2 1 9 ) 式中，乙环境的平均辐射温度，。c 。 e - - - c r 强+ e r 嚣七e 自霄七e r m ( 2 2 0 q 式中，巳呼吸时的显热损失，w m 2 ； 既呼吸时的潜热损失，w m 2 ； 皮肤扩散蒸发热损失，w m 2 ；把服装潜热热阻简化为 一个适用于一般室内环境的定值，忽略正常排汗对皮肤 扩散量的影响，有： = 3 0 5 ( 0 2 5 4 t , k - 3 3 3 5 一p a ) ( 2 2 1 ) 第二章热舒适性评价方法的理论基础1 3 式中，砌水蒸气分压力，圈； 将式c 、r 、e 带入式( 2 1 7 ) 中可得到热舒适方程： ( m - w ) = 厶吃( 如- t a ) + 3 9 6 x 1 0 矗厶 ( 岛+ 2 7 3 ) 4 - 6 ，+ 2 7 3 ) 4 】 + 3 0 5 5 7 3 3 一o 0 0 7 ( m 一) 一】+ 0 4 2 ( m 一一5 8 2 ) ( 2 2 2 ) + 1 7 3 x 1 0 之m ( 5 8 6 7 - p a ) + 0 0 0 1 4 m ( 3 4 一乞) 式中，必人体新陈代谢率， 矽人体所做的机械功， 其中、厶、吃、乞分别由公式( 2 2 3 ) - , ( 2 2 5 ) 确定： = 纯x e x p 1 6 6 5 3 6 4 0 3 0 1 8 3 他+ 2 3 5 ) 】 厶= 1 0 5 + 0 6 4 5 i a ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 吃= p 8 ( t c f ，- f t o ) 眈5 两者中取最大值，圪为空气流速，加s ( 2 2 5 )。 i1 2 1 圪 “ 乞= 3 5 7 0 0 2 7 5 ( m 一缈) 一厶 3 9 6 x 1 0 - 8 厶 ( 岛+ 2 7 3 ) 4 一 ( 2 2 6 ) ( t , + 2 7 3 ) 4 + k h a t d 一乞) ) f l 拭( 2 2 2 ) 中我们可以看到8 个未知变量：肘、形、厶、吃、乞、只、乞、 ；，。但实际上，厶和乞均可由l 来表示，吃也可以归结为风速的函数或是厶和 t a 的函数，矿则可以按0 考虑。因此热舒适方程反映了人体处于热平衡状态时， 六个影响人体热舒适的变量m 、乞、厶、；，、圪之间的定量关系。 2 2 人体热舒适影响因素 影响人体热舒适影响因素可归结为自体因素，主要包括人体的新陈代谢率和 衣着情况；环境因素，主要包括空气温度、空气相对湿度、辐射温度以及空气流 速等；另外，如年龄、性别、季节、人种、地区等差异也被认为是影响人体热舒 适的影响因素。因此，热舒适是各因素综合作用的结果。 2 2 1 个体因素 影响人体热舒适的个体因素主要有人体的新陈代谢率和衣着情况。人体的新 陈代谢率受个体活动强度、性别、年龄、神经紧张程度以及进食后时间的长短等 个体自身因素影响。同时，衣着情况对个体热舒适感觉的影响更加显著。 新陈代谢率 新陈代谢就是有机体生命活动产生的吸收、消化、储存与排泄等过程的 总和。人体内不停的进行着新陈代谢活动，在新陈代谢过程中能量被释放出来， 1 4 第二章热舒适性评价方法的理论基础 变成热能和肌力等有效功。临床上规定未进早餐前，保持清醒静卧半小时，室温 条件维持在1 8 2 5 。c 之间测定的代谢率为基础代谢率( b a s a lm e t a b o l i c r a t e ，b m r ) ，通常将基础代谢率作为衡量代谢量的一个标准。 当人受到外界刺激引起精神紧张时，代谢率会显著升高；当环境温度升高或 降低时，代谢率也会升高。 肌肉活动对代谢率的影响极为显著，最好的确定方式是测量活动人体的耗氧 量和二氧化碳的排出量。 衣着情况 服装在人体热平衡过程中起到保温和阻湿等作用。因此在考虑人体与外界的 热交换时必然要考虑服装的影响。就服装而言，我们主要用服装热阻，服装透湿 性和服装面积等参数来描述。 1 ) 服装热阻 这里的服装热阻是指显热热阻，厶，单位为m 2 k 形和c l o ，两者的关系 为：l c l o = o 1 5 5 m 2 k 形，l c l o 的定义为一个静坐着在环境温度为2 1 。c ，空 气流速不超过o 0 5 m s 、相对湿度不超过5 0 的环境中感到舒适所需要的服装 热阻。 当人就坐时，其热阻的增加值缸，可以用以下公式计算： a a = 7 4 8 1 0 - 5 c s a c 一0 1但2 7 ) 式中，c 翱c 椅子和人体的接触面积，m 2 。 当人在走动时，人体与空气之间存在相对流速，会降低服装的热阻。其降低 的热阻值必，可用下式进行估算： a c , = o 5 0 4 i a + 0 0 0 2 81 一o 2 4 ( 2 2 8 ) 式中，跃人的步行速度，步m i n 。 根据单件衣服的热阻值，我们可以计算服装组合后的热阻值，但是需要指出 的是服装组合的热阻值比各单件服装的热阻值要小，这是因为： a 各单件预付都有