引言电加热器和电加湿器（以下简称“负载”）是轨道交通车辆整车热工空调试验过程中模拟人体散热负荷的主要设备。按照《铁路应用-城市和郊区铁路车辆用空调-第2部分：型式试验》（BS EN14750-2:2006）[1]和《铁道车辆空调 第2部分：型式试验》（GB/T 33193.2—2016）[2]等标准要求，车辆空调制冷性能试验中负载表面温度值不能超过40 ℃，防止影响周围温度测点。在实际试验过程中，由于所用加热器功率设定值及其本身特性（表面材料及表面积大小等）的影响，其表面温度远超标准要求值。文中对现有负载表面温度进行测量，得出现有设备不同功率下实际表面温度值，通过单个负载对局部温度场的影响测试、整车负载分布对整车温度场的影响测试，得出负载合理的布置方式及功率使用范围，通过相关的传热理论计算，提出降低负载表面温度的改进建议。1负载性能测试原理和方法1.1负载最大表面温度测试加湿器的常用功率范围为100~300 W（加湿器在此功率范围内线性关系明显，拟合曲线能较准确地反映加湿器修正系数）。加湿器的热量传递过程为：电热管→水→外壳→空气或电热管→水→空气。由于热量由高温物体传递至低温物体，水温大于外壳温度，且水和外壳均直接接触空气，均可作为加湿器表面，将水温视作加湿器表面最大温度；通过高精度温度测量仪测得加湿器不同功率下最大表面温度值（即水温）。通过统计以往试验数据可知，加热器的常用功率范围为100~500 W，使用红外成像仪对电加热器表面温度进行测量。电加热器表面材质为不锈钢，使用后表面通常都会有不同程度的氧化。根据《传热学》[3]查得，同一金属材料，高度磨光表面的发射率很小，而受氧化作用后的表面发射率常常为磨光表面的数倍，在使用红外测温仪测试电加热器表面温度前，需要先确定其发射率[4]。将电加热器置于常温24 ℃无光环境下，不通电，静置一段时间，待电加热器各处温度与环境温度相同，使用高精度温度仪测试其上表面温度值（即24 ℃），调节红外测温仪材料发射率设定值，测量其表面温度。红外测温仪所测温度等于高精度温度仪所测温度值时，所对应的发射率值(0.22)作为电加热器表面不锈钢的辐射系数。调节电加热器功率值，分别设定100 W、200 W、300 W、400 W、500 W，使用红外测温仪分别测量其稳定后的表面温度。1.2单个负载对局部温度场影响的测试电加湿器部分热量以潜热形式扩散，部分热量以显热形式扩散；电加热器全部热量均以显热形式扩散。相同功率的电加热器对车内温度场的影响大于电加湿器。通过设计相应试验工况，具体测量单个电加热器对温度场的影响量。通过前期大量车内微风速测试试验得知，无论高速动车组、市域车或城市轨道交通车辆，在车辆设计阶段，为了满足整车的装配需求，均有部分区域无送风口，此区域风速接近零，此类区域在车辆空调制冷时温度较高，而在空调采暖时温度又普遍偏低，温度场更容易受电加热器散热影响。在此类无风区域，加热器附近空气受热上升，加热器上方区域温度场受加热器影响最为明显，同时，由于试验过程中电加热器的布置位置普遍距离温度测点保持0.1 m以上距离，文中选取广州地铁7号线地铁车辆，合理布置温度测点进行试验，研究不同功率下电加热器对车内无风区域温度场的影响。试验准备：轨道车辆置于试验室内，车内纵向中线处一位侧布置1个电加热器，电加热器上方0.1 m、0.5 m和1.0 m位置分别布置3个温度测点，在二位侧与车横向轴线对称的相应位置同样高度垂直布置3个温度测点，两侧传感器水平距离为1.5 m。电加热器对车内温度场影响测试布点如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.009.F001图1电加热器对车内温度场影响测试布点试验过程：试验室温度维持26 ℃，打开车门，待车内外温度维持(26±1) ℃并稳定1 h，接近制冷工况车内温度设定值，关闭车门，关闭空调机组，开启电加热器，分别调节功率为60 W、115 W、200 W、300 W、395 W和475 W，待车内温度场稳定，记录各测点的温度值。1.3整车负载对车内温度场影响的测试对深圳地铁14号线Tc车进行空调性能测试，研究整车负载分布对车内温度场的影响。试验方法依据《铁路应用-城市和郊区铁路车辆用空调-第2部分：型式试验》（EN14750-2：2006），试验过程中维持车外空气温度为(35±2) ℃，相对湿度60%~70%，车内空调开启，设定目标温度26 ℃；将车辆按纵向平均划分为一位端、中部、二位端三部分，每部分负载均匀布置；按AW1工况（满座状态）加载负载，通过调节车辆三部分负载分布，测试不同状态下车内平均温度、温差等参数。2试验结果分析2.1负载最大表面温度测试通过对负载最大表面温度进行测试可知，加湿器功率为100~300 W时，表面温度最大值为42.40~62.27 ℃，加热器功率为100~500 W时，表面温度最大值为95.4~224.6 ℃。在常用功率范围内，现有加湿器和加热器表面温度均超过40 ℃，未满足标准要求。2.2单个负载对局部温度场影响的测试单个负载对局部温度场影响测试的水平温差曲线和垂直温差曲线如图2和图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.009.F002图2单个负载对局部温度场影响测试的水平温差曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.009.F003图3单个负载对局部温度场影响测试的垂直温差曲线由图2和图3可知，电加热器功率不大于60 W时，对水平温差的影响较小；超过60 W时，功率对水平温差的影响较明显，且测点距离电加热表面越近，温差越大。电加热器功率不大于100 W时，对单侧垂直温差的影响较小；超过100 W时，功率对电加热侧垂直温差的影响较明显。为了减小负载功率对车内温度场的影响，应使负载与车内温度传感器保持适量距离，如果无法控制距离，在风速较小区域，应尽量控制每个负载显热功率在60 W以内。2.3整车负载对车内温度场影响的测试依据EN14750-2：2006进行整车空调试验，车内温度设置和空调风门状态不变，改变负载分布，测得车内、外和各部分的平均温度以及温差等数据。Tc车AW1工况下负载均匀分布、非均匀分布、集中分布测试数据如表1~表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.009.T001表1Tc车AW1工况下负载均匀分布测试数据项目车内平均温度车内水平温差车内温差车外平均温度一位端平均温度中部平均温度二位端平均温度平均值27.061.861.9735.9627.2526.6327.294：0027.111.761.9635.8827.3526.7627.234：1027.071.881.9035.9327.2126.6327.384：2027.061.801.8535.9327.1926.7227.264：3027.081.891.8935.9527.1826.7427.334：4027.021.912.1435.9827.1926.5927.274：5027.061.882.0036.0127.3126.5927.265：0027.051.882.0736.0127.2426.6227.27注：电加热器功率分别为一位端2 406 W、中部2 418 W、二位端2 411 W；电加湿器功率分别为一位端3 396 W、中部3 394 W、二位端3 397 W。℃10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.009.T002表2Tc车AW1工况下负载非均匀分布测试数据项目车内平均温度车内水平温差车内温差车外平均温度一位端平均温度中部平均温度二位端平均温度平均值27.612.722.8035.8326.7827.5628.5010：0027.522.192.4735.7927.0727.3228.1710：1027.512.542.6735.7926.7727.4228.3410：2027.582.772.7835.7826.7327.5528.4610：3027.683.013.0135.8526.7427.6028.6910：4027.673.133.1335.8026.7127.6228.6710：5027.642.672.7035.8626.8027.5928.5311：0027.752.612.7835.9026.8727.8528.53注：电加热器功率分别为一位端1 315 W、中部2 416 W、二位端3 535 W；电加湿器功率分别为一位端1 534 W、中部3 830 W、二位端4 830 W。℃10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.009.T003表3Tc车AW1工况下负载集中分布测试数据项目车内平均温度车内水平温差车内温差车外平均温度一位端平均温度中部平均温度二位端平均温度平均值26.705.485.4835.7924.9226.0629.118：0026.845.295.2935.8025.2426.0229.268：1026.655.615.6135.7824.9326.0828.958：2026.585.715.7135.7524.8226.0628.878：3026.715.435.4335.8124.9526.0529.148：4026.665.345.3435.8224.9326.0429.028：5026.725.235.2335.8024.9126.0729.179：0026.765.295.2935.8324.9026.0729.30注：电加热器功率分别为一位端247 W、中部1 130 W、二位端5 828 W；电加湿器功率分别为一位端201 W、中部4 164 W、二位端5 824 W。℃由表1~表3可知，车内总负载相同或相近时，车内负载分布情况对车内温度场有较大影响，且负载分布越集中，温度场偏离标准工况状态（负载均匀分布）越明显，负载增加部位的局部温度相应升高，相应侧空调机组热负载增加，负载减小部位的局部温度相应降低，相应侧空调机组热负载减小，负载增大或减小，压缩机启停频率均会发生变化，进而导致车内平均温度控制与标准工况状态有一定区别。3负载改进分析为了降低负载对测试结果的影响，满足表面温度不大于40 ℃的要求，在减小单个负载功率的同时，可以增加其外表面积。假设负载表面各处温度值相同（通过改变负载各部分热阻实现），且各处温度均为40 ℃，通过计算负载外表面传热过程，确定其合适的表面积A。负载表面与车内空气对流换热量Q1为：Q1=A∙αω∙t-ta (1)式中：Q1——负载表面与车内空气对流换热量，W；A——表面积，m2；αω——对流换热系数，W/(m2·℃)；t——负载表面温度，℃；ta——车内环境温度，℃。当Q1不变，负载表面与车内空气为自然对流时，负载表面积A最大。自然对流下的对流换热系数αω[5]为：αω=2.38∙t-ta1/4 (2)负载表面与车内周围环境辐射换热量Q2[6]为：Q2=A∙ε∙σ∙feff∙T4-Tmr4 (3)T=273+t (4)Tmr=273+tmr (5)式中：Q2——负载表面与车内周围环境辐射换热量，W；ε——罩体外表面的发射率；σ——波尔兹曼常数，取5.67×10-8 W/(m2·K4)；feff——有效辐射面积系数，参考人体站立状态，取0.72[7]；tmr——车内周围环境表面的平均温度，℃，通常用面积加权求得，此处取值同ta。通过能量守恒可知，在稳定状态下，负载显热功率=负载表面与车内空气对流换热量+负载表面与车内周围环境辐射换热量。P=Q1+Q2=A∙αω∙t-ta+A∙ε∙σ∙feff∙T4-Tmr4 (6)A=P/2.38∙t-ta14∙t-ta+ε∙σ∙feff∙273+t4-273+ta4 (7)式中：P——负载显热功率，即电加热器功率或电加湿器显热功率，W。负载表面温度取40 ℃。为了满足产品使用体验，减轻负载重量，同时保持低发射率，建议选用铝材作为负载表面材质。不同表面状态的铝发射率一般为0.04~0.30[3]，考虑常用铝材表面伴有一定氧化，本处取ε铝=0.10。在制冷试验过程中，车内温度设定值一般为24~28 ℃[8]。考虑不同车型技术要求差异，ta取值区间扩展为20~29 ℃[9]。ta取29 ℃时，负载表面积A值最大。各参数值代入式(7)得：A=P53 (8)通过以上分析可知，为了满足车内负载设备表面温度不大于40 ℃的要求，使用铝材作为负载表面材料时，表面积A应大于P/53，并应通过调节负载各部位热阻值，使得表面温度大致相同。4结语现行负载设备表面温度在常用功率值下无法满足不超过40 ℃要求；为了减小负载设备表面温度，减小负载对局部温度场的影响，建议单个负载设定功率值低于60 W。整车空调试验过程中，负载分布情况会影响最终试验测试结果，为了使试验测试更加贴合车辆实际运用状态，保证测试结果准确可靠，建议试验过程中负载均匀布置于车内。负载设计初期应考虑功率和表面温度的关系，负载尽量用发射率较低的铝材，同时相应增加负载表面积，保证表面积值大于显热功率/53。