客车车身保暖性能影响主要因素分析

张 磊， 欧 旭

(浙江吉利新能源商用车发展有限公司， 杭州 310051)

客车在高寒地区营运时，客车车身的围护结构与状态对车厢保暖性能影响较大，直接影响到车厢升温速度、温度保持与暖风系统的能耗。本文从车身传热量[1]方面入手，通过车身各部位结构分析，逐一计算各部位热阻值，最终通过各部位的稳态传热量分析[2-3]，针对客车车身结构提出保暖方案并进行计算验证，给出保暖性能提升的改进方案。

1 车身各部位热阻值计算

1.1 车身围护结构分析

下面以某12 m低入口城市客车为例进行分析：

1) 前围区域。上部和下部为1.0 mm钢板蒙皮和保温材料层积复合结构，中间为前风挡夹胶玻璃，夹胶玻璃的结构为3 mm玻璃+0.74 mm胶+4 mm玻璃。

2) 后围区域。上部和下部结构与前围相同，但后风挡玻璃与前风挡玻璃不同，为4 mm钢化玻璃。

3) 顶盖区域。顶盖绝大部分区域结构为1.0 mm钢板蒙皮、保温材料、PE板及中顶板，中顶板材料通常为铝塑板(即塑料板材表面覆铝膜)。

4) 左、右侧围区域相对较复杂，需分为5个部分单独分析。

① 最下部为座椅下地板革区域。从外到内依次为1.0 mm钢板蒙皮、1.0 mm钢板内封板、地板革。其中蒙皮与内封板之间通常有50 mm厚空腔，因空气有一定的流动性，对阻碍热量传递作用甚微，后续计算传热量时不考虑此空腔厚度的影响。下文表述为“左侧围1”、“右侧围1”。

② 中间裙板区域。从外到内依次为蒙皮、保温材料、PE板及裙板。下文表述为“左侧围2”、“右侧围2”。

③ 后部裙板区域。从外到内依次为玻璃、保温材料、PE板及裙板。下文表述为“左侧围3”、“右侧围3”。

④ 玻璃/窗洞口及乘客门玻璃区域。门窗本身虽存在金属构件且导热系数远高于其他材料，但金属材料的面积很少，所以此区域结构可简化为单一的4 mm玻璃。下文表述为“左侧窗”、“右侧窗、门”。

⑤ 侧围上部区域。结构从外到内依次为玻璃、保温材料、钢板、PE板。下文表述为“左侧围5”、“右侧围5”。

5) 地板区域。从下到上依次为隔音材料、地板、地板革[4]。在部分高寒地区会在地板下增加保暖材料，如保温毡等。

以上区域，尤其是顶盖骨架和左右侧围骨架，除以上结构外，内部还存在型材结构，因型材结构面积占比小，且对后续比对结果无影响，为简化分析，不考虑型材面积。

各区域选用的材料在20 ℃的导热系数见表1。

表1 车身材料导热相关参数

1.2 车身围护各区域热阻值计算

除侧窗玻璃和后风挡玻璃外，客车车身多为多种材料层积复合结构，可以根据实际情况将其简化为多层壁模型[5]。假设每层材料的材质都是均匀的，热量通过内表面一维地传递到外表面，其传热过程表现为内表面吸热、多层材料传热、外表面放热[6]，由热力学基础公式可以得出各区域热阻公式：

(1)

式中：R为区域壁面热阻；δi为各层材料厚度；λi为各层材料导热系数。

通过式(1)和表1中各材料的导热相关参数，可计算出各区域的热阻值。

在通常的客车设计[7]中，受结构、工艺和成本等方面限制，保温材料优先选用聚氨酯发泡[8-9]，侧围下部封板内无保温材料，地板下无保暖材料，地板优先选用竹胶板[10]。此种情况下，各区域热阻值计算结果见表2。

表2 各区域热阻值

2 车身传热量计算

车身传热量即车身各区域传热量总和，计算公式如下[11]：

(2)

式中：Q为车身传热量；Qi为各区域传热量；A为各区域面积；tai为车内温度；tao为车外温度；R为区域壁面热阻。

2.1 各区域面积计算及环境参数设定

在图纸上测量计算对应表2中各区域的面积值，此处不再列出。

以冬季东北地区为例，车辆在运行时，车外环境温度为-20 ℃，即tao=253.15 K；车厢内温度为16 ℃，即tai=289.15 K；内外温差tai-tao=36 K。

2.2 车身传热量计算

根据式(2)及2.1中计算出的各区域面积和设定的环境参数及表2中各区域热阻值，可计算出各区域的稳态传热量及车身总体传热量，见表3。

表3 各区域传热量

3 车身保暖性能影响因素分析及改进

3.1 车身保暖性能分析

根据围护结构，可将区域分为3类，第1类是前后风挡玻璃、左右侧窗(门)区域，此处结构仅为玻璃或夹胶玻璃；第2类是地板、左右侧围下部，此处均为非玻璃区域，但未使用保温材料；第3类是其他区域，这类区域均为非玻璃区域，但使用了保温材料。以上这3类的传热量比例分别为89.0%、10.4%和0.6%。

由此可知，前后风挡玻璃、左右侧窗(门)区域传热量占比最大，为改善此区域保暖性能，可采用更换保温玻璃和更换中空玻璃的方案，但保温玻璃目前在汽车领域不成熟，更换中空玻璃后整车重量会增加过多，与客车轻量化发展趋势不符。此方案可行性不大。

左右侧围下部区域传热量较大，若在此处增加保温材料，能有效减少此区域的传热量。地板区域面积较大，若能选用其他材料，或增加地板保暖材料，将地板热阻值增大，能减少地板传热量。另外，保温材料使用面积较大，若能提升保温材料的保暖性能或增加保温材料的使用厚度，将对车身保暖性能有所提升[12]。

3.2 提升车身保暖性能的方案及效果分析

根据以上分析，拟定提升车身保暖性能的方案如下：

1) 在左右侧围下部地板革区域的蒙皮和内封板中间增加聚氨酯发泡。

2) 地板由导热系数较大的15 mm竹编地板更换为导热系数较小的18 mm PVC地板。

3) 在地板下增加3 mm保温毡，增加地板保暖性能。

4) 保温材料由聚氨酯发泡更换为导热系数较小的25 mm保温棉。

5) 保温材料由聚氨酯发泡更换为40 mm保温棉。

为了能清晰对比以上5种方案的效果，分别对单独实施以上5种方案的结构进行计算，结果见表4。

表4 改善后传热量

根据表4数据可知，改善保暖性能有效的方案为方案1)、方案2)、方案3)，其中在左右侧围下部的蒙皮和内封板中间增加聚氨酯发泡，对车身保暖性能提升最明显。

4 结束语

通过车身传热量的计算及保暖性能影响因素分析可得出：客车的保暖方案在保持风挡及侧窗状态不变情况下，需重点针对地板、左右侧围下部区域进行保暖性能提升；常见的保暖方案中，增加保温材料的使用面积对保暖性能提升最明显，其次地板区域的保暖措施也能有效提升车身保暖性能，而采用导热系数更低的保温棉，对车身保暖性能提升不明显。