捷运电联车车厢内空调系统对温度流场变化之分析 Analysis of EMU Air Conditioning System inside the Temperature Profile of the Flow Field

doi:10.12677/MOS.2012.11003

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Modeling and Simulation 建模与仿真, 2012, 1, 18-24

http://dx.doi.org/10.12677/mos.2012.11003 Published Online August 2012 (http://www.hanspub.org/journal/mos.html)

Analysis of EMU Air Conditioning System inside the

Temperature Profile of the Flow Field

Jia-Twu Lee, Chih-Hung Huang, Wen-Long Yu

Department of Environmental Science and Engineering, National Pingtung University of Science and Technology, Pingtung

Email: yyh1315@gmail.com

Received: May 14th, 2012; revised: Jun. 19th, 2012; accepted: Jun. 27th, 2012

Abstract: With the development in econ omy, urba n public transportation ten ds to pay attention to be safer, faster, more

stable, coupled with the increasing importance in global env ironmental awareness; EMU car is comfortable or not will

have a significant impact on passengers’ travel, especially on commuters’. The objective of this study is not only make

the process of car passengers enjoy a comfortable ride journey, but also improving the EMU energy efficiency of air

conditioning systems. This study uses CFD software to simulate the EMU car’s air conditioning system, the temperature

variations of kinetic energy. Air-conditioning outlet (inlet) is set to 2, and exports (outlet) is set to 4; air velocity range

of 0.1 m/s, 0.2 m/s, 0.3 m/s, 0.4 m/s, ITU body temperature set to 30˚C, 38˚C; air conditioning temperature setting is

22˚C, 25˚C, the human body the best standards of comfort, the temperature set to 28˚C (301 K). The simulation results

show that: 1) The lower temperature location is near air condition ing outflow system. The higher temperatu re is on both

sides of the EMU; 2) At the same wind speed, when the temperature profile is setting lower, the contours of the flow

field is more intensive; 3) Inside temperature changes directly affect the comfort of the passengers in the car more stable

temperature gradient, the higher the comfort. The simulation results show that increasing the wind speed can reduce the

temperature and speed up the time to let it more efficiency, not decreasing the temperature setting.

Keywords: Temperature Flow Field; CFD; Optimum Temperature S tandards; Feeling of Comfort

捷运电联车车厢内空调系统

对温度流场变化之分析

李嘉塗，黄志宏，余汶龙

国立屏东科技大学环境工程与科学系(所)，屏东

Email: yyh1315@gmail.com

收稿日期：2012 年5月14 日；修回日期：2012 年6月19 日；录用日期：2012 年6月27 日

摘要：随着经济日渐富裕与发展观光的需求，未来可以期待对大众运输捷运系统的需求愈益明显。旅客对交

通服务的需求是安全、快速与舒适。因此，本研究目标能让旅客在搭乘过程中享有舒适体感，提升服务满意。

本研究采用 CFD 软件，仿真捷运电联车车厢内空调系统，温度动能的变化情形。冷气送风口(inlet)设为 2个，

出口(outlet)设为 4个；风速设定范围为 0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s，电联车体温度设为 30℃、38℃；空

调温度的设定为 22℃、25℃，人体最佳舒适标准，温度设定为 28℃(301 K)。经过多次尝试，模拟结果如下：1)

离送风口越近，温度越低，低温由送风口经车厢中间再向两侧扩散，形成车厢中间较低温，两侧较高温的温度

流场；2) 在同一风速下，温度设定越低，较低温的温度流场面积会缩小，温度流场的等温线会越密集；3) 车厢

内温度变化直接影响车内旅客的舒适感，等温梯度越平稳，舒适感越高。由模拟实验的结果得知，加大风速，

可加快降低温度的时间，扩散较为良好，不用调低温度设定，较为省电。

关键词：温度流场；CFD；适温标准；舒适感

捷运电联车车厢内空调系统对温度流场变化之分析



随者都市化的日益发展，人口不断向都会区高度

集中，愈发对大众运输需求的高度依赖，捷运是各国

解决城市里交通问题的一大法宝武器，而能提出有效

改善捷运车厢里空气的质量，正是作者群们做此项模

拟研究的最大目的。前人曾经做过大型体育馆的空调

改善，本研究想要在移动的车厢中做相似的模拟研

究，目前研究的热点在于温度与压力，希望能找到最

有效率的空调冷气系统设计，让人们感受到最佳舒适

感(影响舒适感的因子，除了温度，还需考虑到湿度)

的室温存在。因此，本研究做车厢的实测时，加入了

湿度的测量。

1. 引言

大众捷运系统是民众生活必须，在大型都会区交

通网络更是与民众生活紧密相关。根据研究，冷气温

度调高 1℃，可以节省 6%的电力[1]；人的一生中有 90%

的时间处于广义的室内空间，因此室内环境是否舒

适，则会对人体健康、舒适度及工作效率有很大影响

[2]；电联车车厢内的温度与民众搭车时间舒适感有直

接关系，实在是不容忽视的关键因子。冷气温度调得

适当，人体感受则为舒适；由尤其在上下班尖峰时段，

旅客众多，影响乘客舒适感。空调设备运转须靠电力，

如何能在最短时间内[3]，让电联车内空间舒适凉爽，

提高省电效率，是本研究的目标。

为了找出舒适温度的室内空间与兼顾合理用电

需求，本研究采用市面上贩卖的“计算流体学”CFD

(computational fluid dynamic, CFD)商业软件包[4]。为了

获得准确的结果，我们运用足够的网格密度，在合理

的CPU 的时间内，计算出离散尺度的空间范围[5]。同

时，选定在不同条件下，进行室内空调适温标准的追

求的模拟实验，探讨之主要目的如下：

1) 探讨不同空调温度下，室内空间温度流场变化

之情形。

2) 针对不同风速设定时，风速快慢影响到达适温

标准之情形。

3) 探讨温度与湿度两者，影响人体舒适感的关

系。

2. 实验方法

本研究应用市面贩卖之CFD 商业软件包，针对

电联车车内空调系统对温度流场变化做仿真，利用计

算流体力学 CFD 模拟流体的流动、热的传递(温度的

变化)等物理现象，来探讨车内空调温度到达适温标准

之时间快慢与扩散分布的情形，并且依流场特性设定

统御方程式、网格系统及计算收敛后，计算出整个流

场的温度流场变化情形、车内温度到达适温标准之时

间快慢等结果。一般 CFD 商业软件主要包含三大部

分：1) Gambit；2) Fluent；3) Tecplot。Fluent 求解器

本身就附带有比较强大的后处理功能[4]。本研究将使

用前三种软件为工具，以下针对前两种软件(Gambit、

Fluent 与Tecplot)于此研究中，应用及设定。

本研究所使用之商业软件包 Fluent6.3.26，数值模

拟上主要可分为有限元素法(finite element method,

FEM)和有限体积法(finite volume method, FVM)两种。

其中，FVM 是从有限差分法(finite difference method,

FDM)所衍生，FDM 在数值运算上的处里是取每个元

素点的平均值，由于会有某些点的数值过大及过小所

产生的数值误差问题，后来便产生了现在 CFD 泛用

的FVM[6]。在数值运算上，FVM 是取每个体积的平

均值来求解，比 FDM 更能减少计算误差。

2.1. 理论分析

流体力学是连续介质力学的一门分支，是研究流

体(包含气体及液体)现象以及相关力学行为的科学[7]。

本研究运用流体力学的理论架构是纳维–斯托克斯

方程，简称 N-S 方程。它包含速度、压强

p、密度ρ、黏度 η，和温度 T等变量，经简化找出适

用的微分公式，我们俗称为统御方程式[7]。其所衍生

出的实验基本假设是：代入 Fluent统御方程式中，运

用的基本方程式(U，V，W三个方向的动能方程式)

如下：



,,uvwv



tx x



 





 

 统御方程式(1)

三个方向的动能方程式，其中 i



和i

分别为 i

方向(分X、Y、Z三个方向)



iij ii

ii ij

uuu gF

xx xx



 



 



 



动能方程式(2)

为了简化流场的设计做一些基本假设，而本研究

捷运电联车车厢内空调系统对温度流场变化之分析

所做的假设如下：1) 流体为牛顿流体。2) 流体为不

可压缩流体。3) 流场为非稳态。4) 流体性质如黏度、

密度与扩散系数为定值。5) 两流体进行混合只有浓度

变化，没有化学反应[8]。车厢之配置，长 66 m，宽 3 m，

高2 m，共 3节车厢，每节车厢有 4个门，车厢顶端

有两排带状，冷气排风口，但不相连，也就是每一个

排风口都是独立的。

本研究的边界条件与初始条件设定：1) 于冷气送

风口面设定入口边界(temperature inlet)，给定常数范

围为 0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s，且给定冷气入口温度，

分别为 23℃、24℃、25℃三种温度。2) 于车门出口

面设为出口边界(outflow)，一般而言，在分析具黏滞

性流体问题时，出口条件的给定比较困难，方法之一

是将出口流面放置在合宜的位置，使其该处的各种物

理量变化较小。3) 壁面边界条件(wall)，壁面是流场

中最常见的边界设定状况。对于具有黏滞性的流体而

言，采用不滑动黏附条件，及壁面处流体速度与壁面

上该处的速度相同[9]。另外，给定所有车厢壁面温度

皆为 28℃，其它未特别提及之参数值，皆以本软件之

默认参数值为主。fluent 求解器代入计算得知。

2.2. 实际电联车厢实测数据

以台湾高捷公司实际营运中的电联车厢为例，测

量时间为 2011.03.11午后，研究者参考黄志宏、李嘉

涂，2011年的仿真实验，空调系统的降温效能，至少

要在开始降温初始时间后，900 秒内的适温扩散时间

内，就要取得最佳的适温标准，以达到人体感觉的舒

适度的效果[10]。研究者操作得测量条件有三项：1) 测

点共有五点。2) 每点测试时间间距 15 分钟(可得 2种

数据)，也就是前测测量完，经过 15 分钟后，再进行

后测。3) 包含停车 4分钟在内，本实验共取得 3 × 5 =

15 个数据，所需时间 5 × 19 = 95，实际花费约 2小时。

以下为实际测得电联车厢的温度与湿度变化之

情形(表1)。

3. 结果与讨论

3.1. 车厢内部仿真之温度变化

图1是车厢基本架构图。图2代表数据收敛情形，

结果是可以信赖的。图3与图 4风速为 0. 2 m/s、0.4 m/s，

温度为 22℃、25℃之车厢温度分布图。车厢内部之温

Table 1. Five points of time and temperature table

表1. 五点测点的经过时间与温度变化总表

时间测点实测温度车内相对湿度车内人数

点1 22.7℃ 79.3%

点2 22.8℃ 87.0%

点3 23.3℃ 88.5%

点4 24.1℃ 84.0%

17:25

(行车中)

点5 23.6℃ 81.3%

点1 24.4℃ 64.9%

点2 24.5℃ 66.2%

点3 24.4℃ 66.0%

点4 24.6℃ 65.6%

17:35

(约停 4分

钟后关

门，再车)

点5 24.6℃ 64.7%

点1 23.3℃ 56.3%

点2 23.6℃ 56.7%

点3 23.2℃ 58.1%

点4 24.8℃ 58.3%

17:44

(行车中)

点5 24.8℃ 56.3%

Figure 1. Carriage basic chart

图1. 车厢基本架构图

Figure 2. Temperature flow field changes in residual shown in

figure

图2. 温度流场变化残差显示图

捷运电联车车厢内空调系统对温度流场变化之分析

Figure 3. Air-conditioned wind speed is 0.2 m/s, temperature, flow

temperature of 22˚C field distribution

图3. 冷气风速为0.2 m/s，温度为 22℃之温度流场分布图

Figure 4. Air-conditioned wind speed of 0.4 m/s, temperature of

25˚C temperature flow field distribution

图4. 以冷气风速为 0.4 m/s，温度为 25℃之温度流场分布图

度流场分布，车厢两侧温度略高，车门的温度最高。

图4为提高风速至 0.4 m/s，流场分布与上述相同，但

经过相同时间，室内平均温度则明显低于上述情况。

比较图 3与图 4为提高风速至 0.4 m/s，温度降低情形

更为明显。但风速度过高，会产生不舒适之感觉。从

tecplot 图形所呈现 X方向切面及 Z方向切面之温度分

布图在图 5~7及18，两侧车门附近温度略高于车厢内

部；下层温度略高于上层温度。

3.2. 车厢内部仿真之流场之分布

从tecplot 图形所呈现气流走向图。图8为车厢

冷气气场侧面流线图，箭头方向显示气流吹送方向，

气场流线是由上往下，碰底部在往上，涡流式的循

环。图 9更明显显现气流由中间往下，碰到底部再

沿着两边往上循环。捷运车厢长条型送风设计，是

很好的设计，可以短时间达到降温效果，在旅客尖

峰的上下班时间，能使乘客感到舒适体感。红色代

Figure 5. Air-conditioned wind speed of 0.2 m/s, temperature 22˚C

the temperature distribution of compartment section

图5. 冷气风速为0.2 m/s，温度为 22℃，车厢切面温度分布图

Figure 6. Air-conditioned wind speed 0.2 m/s, the temperature i

22˚C Y direction section temperature distribution

图6. 冷气风速为0.2 m/s，温度为 22℃，Y方向切面温度分布图

Figure 7. Air-conditioned wind speed of 0.3 m/s, temperature of

图

22˚C Y direction section temperature distribution

7. 冷气风速为 0. 3 m/s，温度为 22℃，Y方向切面温度分布图

Figure 8. Air-velocity aspect flow of the chart

图8. 冷气气场流线图

表速率较大。

捷运电联车车厢内空调系统对温度流场变化之分析

Figure 9. All air-velocity flow of EMU of the chart

图9. 冷气气场流线图

.3. 比较不同风速仿真之压力图

显示下层气压高

于上

X速度在 Z方向

速分布情形，显示出风口风速

最高

sec

之送

中间两条冷气入口，速

度较

布

Z不

同方

Z轴不同方向的速度分布情形。

图10 及图 11为气压分布情形，

层气压。图 12 为切面压力分布图，显现两旁压

力较大，中间压力较小。

3.4. 比较不同风速仿真之

切面向分布图

图13 与图 14 为风

，向两侧扩散。由 tepolt图显现，颜色较为深红，

在0.3 m/sec之送风下，X方向的速度，明显提高。由

于风速提高，X方向风速提高，可增加 X方向之扩散。

3.5. 比较不同风速仿真之 Y方向速度分布图

由图 15 及图 16显现，颜色较为浅绿，在 0.3 m/

风下，Y方向的速度，则明显提高。由于风速提

高，Y方向风速提高，可增加 Y方向之扩散。

3.6. 车厢内仿真速度分布

由图 17、18 可以看出，

大，右边因靠门速度也较大，左边因密闭，风速

较缓慢，可以很明确显示气流是涡漩状。

3.7. 车厢内仿真 XYZ不同方向轴速度分

风速设定为 0.1 m/s，温度设 22℃，X、Y、

向轴的方向图见图 19~21。由图 19~21，X、Y、

Z不同方向轴的方向图可以看出，除了 X方向轴的图

形出现速度分布，少部分异常外，Y轴与 Z轴的速度

分布皆明显成规律状分布，可谓成功的模拟出 X、Y、

Figure 10. Wind speed 0.2 m/sec, the Z-direction section pressure

distribution map

图10. 风速为0.2 m/sec，Z方向切面压力分布图

Figure 11. Wind speed 0.3 m/sec, the z-direction section pressure

distribution

图11. 风速为 0.3 m/sec，Z方向切面压力分布图

Figure 12. air-conditioned wind speed of 0.2 m/s, temperature 22˚C

compartment section pressure force distribution

图12. 冷气风速为 0.2 m/s，温度为 22℃车厢切面压力分布

Figure 13. Wind speed 0.2 m/sec speed X Z direction section speed

distribution Map

图13. 风速为0.2 m/sec，X速度在 Z方向切面速度分布图

捷运电联车车厢内空调系统对温度流场变化之分析

Figure 14. Wind speed 0.3 m/sec, X-speed cut speed in the Z

direction layout

图14. 风速为0.3 m/sec，X速度在 Z方向切面速度分布图

Figure 15. Wind speed 0.2 m/sec, Y speed cut speed distribution in

the Z direction

图15. 风速为0.2 m/sec，Y速度在 Z方向切面速度分布图

Figure 16. Wind speed 0.3 m/sec, y speed cut speed distribution in

the Z direction

图16. 风速为0.3 m/sec，Y速度在 Z方向切面速度分布图

区

座

椅

中

间

车

门

边

Figur. Wind speed is set to 0.1 m/s, the temperature setting of

22˚C Y-axis cut surface temperature maps

图17. 风速设为0.1 m/s，温度设定为22℃，Y轴方向切面温度分

e 17

布图

Figure 18. Wind speed 0.2 m/sec, the carriage section speed

distribution

图18. 风速0.2 m/sec，车厢切面速度分布

Figure 19. X-direction velocity maps

图19. X轴方向的速度图

Figure 20. Y-direction velocity maps

图20. Y轴方向的速度图

Figure 21. Z-direction velocity maps

图21. Z轴方向的速度图

捷运电联车车厢内空调系统对温度流场变化之分析

3.8. 高雄捷运电联车厢实际之测点分布情形

车厢内空调温度直接影响乘车旅客舒适感。电联车

厢实际测点分布情形，总共有五个测点，分别测量温度

与湿度。另外以 15分钟的间隔做前测与后测，外加停

车4分钟的时间，共得 15 个数据(如表 1)。测量当天为

假日午后，人潮较多，实际所花的时间约两小时。

由车厢内温度的实测值可知，靠近车门的测点点

4、点 5，温度 1、

点2、点 3，温车门时常开

由温度实测值与仿真图比较可知，车厢两端与远

离车

符

合我

论

1) 离送风口越近，温度越低，低温由送风口经车

厢中间再向两侧扩散，形成车厢中间较低温，两侧较

高温的温度流场。

2) 在同一风速下，温度设定越低，温的温度

流场面积会缩小，温度流场的等温线会越密集。

3) 车厢内温度变化直接影响车内旅客的舒适感，

等温梯度越平稳，舒适感越高。

解决方案

天气持续高温炎热，用电量节节攀升，应

行电

少用电量，却可以达到快速适温的

效果。

方案二：加大风速，降低温度的时间，扩

散较为良好，不用调低温度设定，较为省电。

1) 研拟电联车运行阶段空调设定模式最适方案，

落实教育司机员节能观念，并依最适方案执行。

2) 建议读者做后续研究时，可以探讨“改变风速

度流场变化的相关”与“电联车关门发车，

车厢内空气流场达到最适温度之时间”的方向。

参考

the

comfort index study. Pingtung: National Pingtung University of

Science and Technology, 2010. u and W.-L. Yu. Study of the

air-conditioning system in a

. CFD study of tem-

n DC, 9-11 October

较高；车厢两端与远离车门的测点点

度较低。可能原因是因为

关，人员进出频繁，冷气容易流失出去。

门的另一侧温度较低，靠近车门的一侧温度较

高，两者的温度变化情形相同，符合我们实验当初的

期望。由湿度实测值与仿真图比较可知，车厢内五个

测点的湿度，湿度梯度皆呈平稳状况。

因此，相对湿度如越稳定，舒适感就会越高,

们实验当初的期望。

4. 结论

4.1. 依本仿真实验之结果，得到下列结

较低

[7]

4.2.

设法实

联车节约省电方案。

方案一：加装隐藏式风扇，增加冷气扩散至车箱

各角落的速度，减

可加快

4.3. 建议

设定导致温

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