技术分享 | 如何获得更好的火车供暖、通风和冷却(HVAC)系统设计？（一）

在世界上的许多国家，火车旅行是一种流行的交通方式。例如在欧洲，2014年火车旅客的出行里程数超过了4,750亿公里，而在亚洲和中东，这个值更是高达五倍之多。[1] 由于政府法规日益完善，客户需求不断提高，铁路客车的气候控制也变得越来越重要。例如欧洲标准13129 (EN13129)在控制乘客车厢内的空气温度、相对湿度和空气速度方面制定了严格的要求。

设计人员希望设计出能提供舒适环境的铁路客车，在过去，西门子工程师大约耗费四个月时间在气候风洞中测试铁路客车，以验证供暖、通风和冷却(HVAC)系统的设计。现在，他们可在建造第一节车厢之前利用计算流体动力学(CFD)软件对设计进行验证，从而将测试时间与成本减少高达50%。

“西门子工程师的设计一次性成功，有望将风洞测试的工作量减少50%，相当于缩短两个月的时间。”

过去，为设计出满足这一标准的最新客车车厢的HVAC系统，我们需要在气候风洞中花费四个月的时间对HVAC系统设计进行测试和修改，仅租赁费每天就要花费数千欧元。此外，由于列车交付期限紧迫，仿真时间十分受限。

在过去几年里，西门子工程师成功利用 Ansys Fluent CFD 软件对完整的铁路客车进行了准确的仿真，得到的详细结果与物理测量结果极为吻合。而获得仿真结果所用的时间仅为测试所用时间的几分之一。与以往相比，工程师能够评估更多的设计迭代，并且总会得到出色的HVAC性能。

虽然铁路客车仍须进行测试，以验证是否符合该标准的要求，但是最新产品的测试时间已经缩短了50%，既节省了大笔的风洞租赁费用，又额外节约了相当可观的人员和设备成本。

欧洲标准在城际铁路客车的气候控制方面规定了广泛而且颇具挑战性的要求。内部平均温度只能在设定温度的+/-1摄氏度之间变化。距离地板1.1米高的车内水平温度分布值的变化范围不超过2摄氏度。垂直温度分布值的变化范围不超过3摄氏度。

此外，该标准还对墙壁、车顶、窗户、窗框和地板的表面温度，以及走廊、厕所、附属设施和列车其他部分的内部温度规定了相关要求。最后，该标准还定义了相对湿度和新鲜气流的要求。

仿真模型分解图

载客测试可用于检查满载列车的功能。其中用红色发热垫来仿真乘客的体温，用加湿器仿真他们的汗液蒸发，这样就能测试在实际操作条件下满载列车的所有系统是否能正常工作。一名坐着的乘客大约会辐射120瓦的热量。在设计和调整ICE 4列车的空调系统时，西门子工程师会将这些因素全部纳入考量范围。

在第一个产品建造完成之前我们无法获得HVAC系统性能的相关反馈，而此时客户通常着急提货。车厢必须安装500到800个传感器，大约花费两周时间。然后需要进行大约14周的测试，以在多种不同的气候条件下评估单节车厢设计是否符合该标准。然后进行典型的冷却测试，让车内的每一个座位都处于40摄氏度的环境温度下，并将行驶速度设置为15 km/h，内部温度设置为27摄氏度。