Investigation of the Effect of Insulation Thickness on Interior Wagon Temperature and Thermal Load in Railway Vehicles

Öz

This study focuses on the effect of insulation thickness and material on energy consumption in passenger wagons. With the aim of minimizing heat losses of the train, the structural model, referred to as the "train envelope," was divided into sub-sections and examined. Different insulation thicknesses and material types were defined for these determined sections, thereby conducting a parametric analysis. The analyses were carried out under various temperature scenarios specific to summer and winter seasons to determine the effect on energy consumption. The data obtained from these evaluations, performed using ANSYS, a commercial engineering software, were compiled in a format suitable for comparative analysis. The study supports with quantitative data the direct relationship between the decrease in energy consumption and the reduction in the material's thermal conductivity coefficient and the increase in insulation thickness.

Anahtar Kelimeler

• Train envelope
• Insulation material
• Numerical analysis
• Railway
• Energy efficiency

Demiryolu Araçlarında Yalıtım Kalınlığının Vagon İç Sıcaklığına ve Isıl Yüke Etkisinin İncelenmesi

Öz

Yolcu taşımacılığında kullanılan vagonlarda yalıtım kalınlığı ve malzemesinin enerji tüketimi üzerindeki etkisi bu çalışmanın odak noktasını oluşturmaktadır. Trenin ısı kayıplarını minimize etme hedefiyle, tren zarfı olarak adlandırılan yapısal model alt bölümlere ayrılarak incelenmiştir. Belirlenen bu bölümler için farklı yalıtım kalınlıkları ve malzeme çeşitleri tanımlanmış, bu sayede parametrik bir analiz gerçekleştirilmiştir. Analizler, yaz ve kış mevsimlerine özgü farklı sıcaklık senaryoları altında enerji tüketimi üzerindeki etkiyi belirlemek üzere yürütülmüştür. Ticari bir mühendislik yazılımı olan ANSYS kullanılarak yapılan bu değerlendirmeler sonucunda elde edilen veriler, karşılaştırmalı analize uygun biçimde derlenmiştir. Çalışma, malzeme ısı iletim katsayısının düşmesi ve yalıtım kalınlığının artmasıyla enerji tüketiminde gözlemlenen azalma arasındaki doğrudan ilişkiyi nicel verilerle desteklemektedir.

Anahtar Kelimeler

• Tren zarfı
• Yalıtım malzemesi
• Nümerik analiz
• Raylı sistemler
• Enerji verimliliği

Kaynakça

1. [1] A. Uğur, "Demiryolu sektöründe Dünya gelişme beklentileri ve Türkiye’nin durumunun araştırılması," Alphanumeric Journal, vol. 7, no. 2, pp. 369-398, 2019, doi: 10.17093/alphanumeric.582290.
2. [2] M. Aliahmadipour, M. Abdolzadeh, and K. Lari, "Air flow simulation of HVAC system in compartment of a passenger coach," Applied Thermal Engineering, vol. 123, pp. 973-990, 2017, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2017.05.086.
3. [3] C. Dullinger, W. Struckl, and M. Kozek, "A modular thermal simulation tool for computing energy consumption of HVAC units in rail vehicles," Applied Thermal Engineering, vol. 78, pp. 616-629, 2015, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2014.11.065.
4. [4] J. P. Powell, A. González-Gil, and R. Palacin, "Experimental assessment of the energy consumption of urban rail vehicles during stabling hours: Influence of ambient temperature," Applied Thermal Engineering, vol. 66, no. 1-2, pp. 541-547, 2014, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2014.02.057.
5. [5] G. Barone, A. Buonomano, C. Forzano, and A. Palombo, "Enhancing trains envelope – heating, ventilation, and air conditioning systems: A new dynamic simulation approach for energy, economic, environmental impact and thermal comfort analyses," Energy, vol. 204, 2020, doi: 10.1016/j.energy.2020.117833.
6. [6] R. N. Hofstadter, J. Amaya, and M. Kozek, "Energy optimal control of thermal comfort in trams," Applied Thermal Engineering, vol. 143, pp. 812-821, 2018, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2018.07.084.
7. [7] N. Vetterli, U. P. Menti, F. Sidler, E. Thaler, and G. Zweifel, "Energy efficiency of railway vehicles," in Future Buildings and Districts – From Nano to Urban Scale, CISBAT 2015, Lausanne, Switzerland, 9-11 September 2015, pp. 955-960.
8. [8] H. Amri, R. N. Hofstadter, and M. Kozek, "Energy efficient design and simulation of a demand controlled heating and ventilation unit in a metro vehicle," in 2011 IEEE Forum on Integrated and Sustainable Transportation Systems, Vienna, Austria, 29 June - 01 July 2011: IEEE, pp. 7-12, doi: 10.1109/fists.2011.5973605.

9. [9] D. Marcos, F. J. Pino, C. Bordons, and J. J. Guerra, "The development and validation of a thermal model for the cabin of a vehicle," Applied Thermal Engineering, vol. 66, no. 1-2, pp. 646-656, 2014, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2014.02.054.
10. [10] W. Liu, Q. Deng, W. Huang, and R. Liu, "Variation in cooling load of a moving air-conditioned train compartment under the effects of ambient conditions and body thermal storage," Applied Thermal Engineering, vol. 31, no. 6-7, pp. 1150-1162, 2011, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2010.12.010.
11. [11] M. Shravanth Vasisht, G. A. Vashista, J. Srinivasan, and S. K. Ramasesha, "Rail coaches with rooftop solar photovoltaic systems: A feasibility study," Energy, vol. 118, pp. 684-691, 2017, doi: 10.1016/j.energy.2016.10.103.
12. [12] F. Ampofo, G. Maidment, and J. Missenden, "Underground railway environment in the UK Part 2: Investigation of heat load," Applied Thermal Engineering, vol. 24, no. 5-6, pp. 633-645, 2004, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2003.10.018.
13. [13] Y. A. Çengel and A. J. Ghajar, Heat and mass transfer, 4 ed. New York, ABD: McGraw-Hill Education, 2011.
14. [14] ANSYS Fluent, User’s Guide, Release 14.0.1, ANSYS Inc., Lebanon, NH.