基于线路的高速列车空调能耗研究

万瑞琦 毕海权



基于线路的高速列车空调能耗研究

万瑞琦 毕海权

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

考虑了列车在固定线路上运行时，沿线天气变化对空调机组性能的影响，基于标准日整点天气参数构造沿线天气参数曲线，采用LMS AMESim平台建立高速列车空调能耗计算模型，针对武广线运营的CRH3型高速列车空调运行能耗进行计算，比较不同发车时间列车的空调能耗，以及基于线路方法和传统固定地点计算方法的能耗差异。

沿线天气；高速列车；空调能耗；LMS AMESim

0 引言

随着人民生活水平的提高，车内环境舒适、运行快速平稳的高速列车逐渐受到出行者的青睐，高速铁路行业发展迅猛，根据2016年发布的《中长期铁路网规划》，到2025年，我国铁路网规模达17.5万公里左右，其中高速铁路3.8万公里左右，并且将建成“八横八纵”的高速铁路网。由于我国幅员辽阔、经纬跨度大、气候类型多，铁路沿线气象参数的变化很大，而高铁室内环境的高要求使空调能耗增加迅猛，如何根据线路准确计算出空调运行能耗对于高速列车的节能降耗十分重要。

对于列车沿线气象参数模型，我国采用的传统简化方法是按北京以南地区铁路沿线空调列车综合的热量变化规律，确定某一代表地区作为客车空调的室外气象计算参数地区。另外，也有研究提出采用模比系数、神经网络的方法进行构建[1-3]，但这些方法都只适用于客车空调设计和空调静态性能的理论分析[4]，只考虑了车外气象参数变化对围护结构及新风的影响，而忽略了对运行中的空调机组性能的影响，实际上，车外温度或湿度的变化都会造成冷凝器和蒸发器进风状态的改变，引起冷凝温度和蒸发温度发生变化，从而对机组性能产生影响[5]。车外温度从30℃升高到40℃时，空调机组COP会降低18.6%，车外相对湿度从50%升高到80%时，空调机组COP会升高11.7%。考虑到仿真模拟能将这种影响体现到能耗中，为了能提高高速列车空调系统的运行能耗计算准确性，提出一种基于线路的列车能耗计算方法。通过构造沿线气象参数，结合仿真模拟，对高速列车空调运行能耗进行计算分析。

1 能耗计算方法及验证

忽略同一线路每趟高速列车运行时长的微小差异，认为选定一条线路进行列车空调能耗计算时，只要确定了列车的始发时间，其空间位置和时间就是一一对应的关系，所以沿线的气象参数可以直接转化为以时间为变量的曲线。

当计算列车夏季空调能耗时，参考建筑的计算方法，同样选择夏季标准日对沿线气象曲线进行构造。基于文献[6]中不同地点的整点气象参数，根据列车到站准确时刻进行线性插值，得到该站点的气象参数，再根据沿线站点气象参数采用插值或者拟合的方式得到沿线气象参数曲线。

通过上述方法可以得到温度、湿度、各方向太阳辐射强度关于时间的曲线，再使用LMS AMESim系统仿真平台建立高速列车空调能耗计算模型，建模过程参考文献[7]，将各曲线输入到冷凝器模块、蒸发器模块以及负荷模块中进行计算，即可得到夏季标准日列车运行的空调能耗。

上述方法在建模时忽略了以下几点：（1）高速列车运行线路中明线占绝大部分，所以不考虑在隧道运行的情况；（2）忽略列车实际运行中时刻改变的车身方向，以起点-终点方向作为太阳辐射的输入标准；（3）由于车速对列车空调能耗影响很小[8]，忽略车速的变化，用总路程/运行时间作为车速参数的输入。

如图1所示，本文建立了夏季某线路列车空调系统AMESim模型计算空调运行能耗，为了保证计算方法的准确性，与测试实验结果进行比较。

图1 高速列车空调系统模型

图2 列车运行试验空调系统能耗计算误差

能耗测试时间为2015年7月的八天，计算与结果对比如图2所示，各工况误差均在±10%以内，说明本文采用的基于线路的列车空调能耗计算方法准确可靠。

2 基于线路的高速列车空调能耗实例计算

为更清楚的阐述基于线路的列车空调能耗建模方法，选取主要在武广线运营的CRH3型动车组进行能耗计算分析，根据文献[5]夏季标准日7月22日的气象参数以及现行G1103次列车站点情况如表1所示，由于某些站点的气象数据缺失，选择其中7个站点进行沿线气象构造。先采用线性内插值法得到每个站点的气象参数，再根据三次样条插值原理，得到随时间变化的沿线气象参数曲线，如图3-4所示。

表1 G1103次列车站点情况

图3 列车沿线室外温湿度

图4 列车沿线太阳辐射

在LMS AMESim列车空调能耗计算模型中冷凝器模块、蒸发器模块以及负荷模块中输入以上曲线，由于武汉-广州线路由北向南，假设列车从正北开向正南，车身两侧壁面及车窗输入东西向的太阳辐射曲线，其余参数按设计值输入[9]，计算所得G1103次列车空调运行能耗如表2所示。

表2 G1103次列车空调运行能耗

3 基于线路的高速列车空调能耗分析

3.1 发车时间对能耗计算结果的影响

现运营的武广线全天共有61趟不同发车时间的车次，发车时间改变会引起沿线天气参数的变化，从而导致空调能耗的变化，除G1103次列车，选取在时间上有代表性的两个车次，构造沿线天气曲线，比较其空调运行能耗的差异，从表3可以看出，列车沿线室外气象参数通过温度、湿度及太阳辐射对列车空调能耗产生影响，由于G1013次列车运行时间段室外温度、太阳辐射都较高，所以空调运行能耗最大，相比夜间行驶，无太阳辐射的G1141次列车而言，G1013次列车空调运行能耗大17%左右。

表3 不同发车时间的列车空调运行能耗

3.2 基于线路与固定地点的能耗比较

传统仿真模拟时采用固定地点的天气参数[6]，为了比较两种方法计算的差异，又选取了南北方向跨度更大的京广线（班次：G71，运行时间：07:40～17:14）和东西方向沪汉蓉线（班次：D638，运行时间：07:12～22:38）进行计算，比较基于线路和固定于起点城市、终点城市以及中间城市的空调能耗计算结果，这里的分析忽略不同型号的动车组间空调型号和结构参数等有差异，统一采用CRH3型动车组模型进行计算。

如表4所示，采用固定地点天气参数计算的列车空调运行能耗与实际沿线运行能耗有一定误差，仅用某一地点的天气参数代替沿线天气计算空调能耗是不准确的。另一方面，两条南北向的线路：武广线和京广线列车运行空调能耗都体现出了相同的规律，沿线天气能耗计算值介于起点城市、终点城市值之间，如图5所示，这与我国的气候分区规律是相符的，从北到南，夏季的沿线温度与辐射值会呈现变大的趋势，而东西向的规律并不明显。

表4 基于线路和固定地点的空调运行能耗

图5 我国气候分区图

4 结论与不足

本文提出了一种基于线路的高速列车空调能耗计算方法，通过对武广线列车空调能耗的计算分析，得到以下结论：

（1）根据沿线站点气象参数进行插值得到仅与时间有关的沿线天气参数曲线，基于此曲线进行仿真模拟，可得到列车沿线空调运行能耗。

（2）高速列车空调运行能耗与发车时间有关，武广线G1013次列车由于运行时间段室外温度、太阳辐射都较高，空调运行能耗相比夜间行驶，无太阳辐射的G1141次列车高17%左右。

（3）采用固定地点天气参数计算的列车空调运行能耗与实际沿线运行能耗有一定误差，仅用某一地点的天气参数代替沿线天气计算空调能耗是不准确的。

（4）南北向的武广线和京广线，基于线路的空调运行能耗值，介于采用起点城市和终点城市天气参数计算的空调能耗值之间，这与我国的气候分区规律相符。

由于分析的线路有限，只能得出定性的结论，今后可以通过对多条列车线路空调运行能耗的研究来得到定量的规律，为列车空调能耗的预测给出建议。

[1] 陈夏.舒适性空调列车能耗分析与节能优化研究[D].南昌:华东交通大学,2012.

[2] 张皓皓,胡益雄.铁路列车沿线车外气象参数模型的建立[J].铁道机车车辆,2007,27(5)21-23.

[3] 潘阳,屈睿瑰.铁路沿线室外气象参数的神经网络构成[J].中国铁道科学,2004,25(4):129-134.

[4] 周阳.地铁列车地上运行时夏季空调系统能耗研究[D].成都:西南交通大学,2015.

[5] 张皓皓.铁路客车沿线气象参数模型及其应用研究[D].长沙:中南大学,2007.

[6] 中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[7] 周阳,毕海权,鲁华伟,等.基于LMS AMESim的城市轨道交通车辆空调制冷系统研究[J].制冷与空调,2016,30(1):20-22.

[8] 于文华.高速列车空调系统能耗计算及预测分析[D].成都:西南交通大学,2014.

[9] 武双虎,董伟力,胡传捷,等.CRH_3型高速动车组暖通空调系统[J].中国铁路,2013,(Z):4-8.

Research on Air Conditioning Energy Consumption of High-speed Train Based on Railway Line Weather

Wan Ruiqi Bi Haiquan

( Mechanical Engineering of southwest jiaotong university, Chengdu, 610031 )

Consider the trains running on fixed line, the changes of weather along the railway line has an impact on air conditioning unit performance. Construct the railway line weather curve based on the standard daily hourly weather data, build high-speed train air-conditioning energy consumption calculation model by use of LMS AMESim platform, computes for CRH3 high-speed train air conditioning energy consumption which operating in the Wuhan-Guangzhou line, compares air conditioning energy consumption of different train trips, compares the air conditioning energy consumption calculate results between railway line weather method and traditional fixed location method.

railway line weather; high-speed train; air conditioning energy consumption; LMS AMESim

1671-6612（2016）06-634-04

U270.383

A

万瑞琦（1991-），女，在读硕士研究生，E-mail：332160323@qq.com

毕海权（1974-），男，博士研究生，教授，E-mail：bhquan@163.com

2016-02-18