幅流風(fēng)機(jī)對(duì)地鐵列車車廂內(nèi)風(fēng)環(huán)境與乘客舒適度的影響

趙 楠

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室，201001，上海∥工程師）

由于地鐵列車客流量大、車門開關(guān)頻繁，因此很難保持車廂內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定。為改善車廂內(nèi)環(huán)境，提高乘客熱舒適性，需對(duì)車廂內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［1］研究表明，動(dòng)態(tài)風(fēng)可有效改善熱環(huán)境。文獻(xiàn)［2］研究發(fā)現(xiàn)，在空氣相對(duì)濕度50%的情況下，通過提高風(fēng)速可使得舒適溫度上限達(dá)到29.4℃。文獻(xiàn)［3］指出增加氣動(dòng)脈流強(qiáng)度可加強(qiáng)對(duì)流換熱，從而產(chǎn)生冷吹風(fēng)感。文獻(xiàn)［4］通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，搖頭風(fēng)扇吹風(fēng)比直吹風(fēng)扇更容易讓人接受。

幅流風(fēng)機(jī)是一種制造動(dòng)態(tài)風(fēng)環(huán)境的設(shè)備。近幾年，幅流風(fēng)機(jī)在民用空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)已成熟，在地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)中也有應(yīng)用。北京地鐵昌平線即采用了幅流風(fēng)機(jī)，以改善車廂的熱舒適性［5］。文獻(xiàn)［6］對(duì)比了安裝幅流風(fēng)機(jī)前后空載條件下A、B型列車的流場(chǎng)和熱舒適性，發(fā)現(xiàn)安裝幅流風(fēng)機(jī)后，即使提高客室內(nèi)設(shè)定溫度以降低空調(diào)負(fù)荷，也依舊能保證客室內(nèi)的熱舒適性。文獻(xiàn)［7］通過研究空載車廂20℃送風(fēng)時(shí)無風(fēng)機(jī)和有風(fēng)機(jī)作用下的客室流場(chǎng)，以及有風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)將送風(fēng)溫度提高到23℃時(shí)的客室流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)幅流風(fēng)機(jī)能降低客室溫度不均勻度，改善客室的人體熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)，并降低空調(diào)機(jī)組負(fù)荷。

本文對(duì)地鐵列車的車內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，并對(duì)乘客的舒適度進(jìn)行問卷調(diào)查，分析地鐵列車車內(nèi)環(huán)境現(xiàn)狀。基于測(cè)試及調(diào)查結(jié)果，采用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）方法模擬滿載車廂未加載幅流風(fēng)機(jī)以及加載幅流風(fēng)機(jī)時(shí)，車廂內(nèi)流場(chǎng)和熱舒適度的變化，以評(píng)估幅流風(fēng)機(jī)對(duì)車廂內(nèi)環(huán)境的改善效果。

1 地鐵列車車廂風(fēng)環(huán)境和乘客舒適度調(diào)研

地鐵運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，軟件難以準(zhǔn)確模擬列車車廂內(nèi)的風(fēng)環(huán)境。故采用熱線風(fēng)速溫度儀測(cè)試地鐵列車實(shí)際運(yùn)行過程中車廂內(nèi)的風(fēng)速及溫度，并對(duì)受測(cè)試車廂內(nèi)的乘客進(jìn)行舒適度問卷調(diào)查，以了解乘客的實(shí)際感受。

1.1 調(diào)查對(duì)象

數(shù)據(jù)采集對(duì)象涵蓋了上海軌道交通的6條線路，包含A、B 2種車型。采用KANOMAX6006熱線風(fēng)速溫度儀，可同時(shí)測(cè)定氣流的速度和溫度，其參數(shù)如表1所示。在測(cè)試的同時(shí)進(jìn)行調(diào)查問卷的發(fā)放和回收，以保證乘客感受與風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)的同步性。

圖1 上海軌道交通車廂內(nèi)風(fēng)速和溫度測(cè)試路線

表1KANOMAX6006熱線風(fēng)速溫度儀參數(shù)表

1.2 調(diào)查過程

根據(jù)線路起終點(diǎn)和車型，設(shè)定了測(cè)試路線如圖1所示。沿測(cè)試線路進(jìn)行了3個(gè)來回的測(cè)試，以保證樣本數(shù)量和準(zhǔn)確度。

測(cè)試時(shí)站臺(tái)的平均溫度為18℃。每列列車均選擇了1節(jié)頭車車廂和1節(jié)中間車廂進(jìn)行測(cè)試。每節(jié)車廂均測(cè)試了2.0 m、1.7 m、1.0 m高度位置的風(fēng)速和溫度。其中，2.0 m高度位置代表出風(fēng)口位置、1.7 m高度位置代表站立乘客頭部高度位置，1.0 m高度位置代表坐姿乘客頭部高度位置。讀取數(shù)據(jù)均在列車勻速運(yùn)行時(shí)，以避免車門開關(guān)及貫堂風(fēng)的影響。

1.3 調(diào)查結(jié)果及分析

測(cè)試結(jié)果見圖2（測(cè)試大廳平均溫度為18℃）。

圖2 上海軌道交通列車車廂內(nèi)風(fēng)速、溫度測(cè)試結(jié)果

由圖2可見，車廂內(nèi)溫度基本為19～23℃，不同車廂稍有差異。地鐵空調(diào)出風(fēng)口風(fēng)速集中在0.8～2.0 m/s。出風(fēng)量和出風(fēng)速度的差異主要受運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和車內(nèi)外壓差的影響。遠(yuǎn)離風(fēng)口，風(fēng)速減小，到站立乘客頭部高度區(qū)域時(shí)，風(fēng)速已減至0.3 m/s以下。可見對(duì)于整個(gè)車廂來說，尤其是在高密度客流量時(shí)，會(huì)稍顯沉悶。

舒適度調(diào)查問卷工作與測(cè)試工作同時(shí)進(jìn)行。問卷發(fā)放200份，回收182份，其中有效問卷173份。各線路的舒適度情況大體相同。被調(diào)查的大部分乘客均表示當(dāng)前車廂內(nèi)空氣流動(dòng)速度較小，空氣稍顯沉悶不夠新鮮，溫度也不能根據(jù)客流量及時(shí)調(diào)節(jié)。圖3為調(diào)查問卷結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖。

圖3 上海軌道交通乘客舒適度調(diào)查問卷結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖

對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析可知：上海軌道交通各線大部分列車車廂內(nèi)的風(fēng)速較低，溫度在豎直方向上分層明顯，車廂內(nèi)乘客密度大時(shí)舒適度較低。因此，改善地鐵列車車廂內(nèi)的熱環(huán)境可從提高車廂內(nèi)風(fēng)速著手，研究更適合地鐵列車車廂的流場(chǎng)形式。

2 基于風(fēng)速的地鐵列車車廂舒適性

本文建立地鐵列車車廂的整車模型和人體模型，分析滿載情況下不同工況的車廂內(nèi)氣流組織特征，研究幅流風(fēng)機(jī)對(duì)廂車內(nèi)乘客舒適性的作用效果。

2.1 計(jì)算對(duì)象及模型

以地鐵列車B型車為研究對(duì)象。車廂內(nèi)總長(zhǎng)19 800 mm，凈寬28 00 mm，凈高2 100 mm。車廂左右兩側(cè)各設(shè)5排座椅，各風(fēng)口的位置及尺寸根據(jù)實(shí)際情況布置。其中，左右兩側(cè)分別設(shè)置條縫型送風(fēng)口；頂部集中回風(fēng)，設(shè)計(jì)2個(gè)回風(fēng)口；每個(gè)機(jī)組下方布置1個(gè)回風(fēng)口；廢排風(fēng)口布置在列車兩端頂板，且兩端各布置2個(gè)。

因車廂內(nèi)部在車體長(zhǎng)度方向上對(duì)稱，故取半截車廂作為模擬對(duì)象，中間截面采用對(duì)稱面邊界條件。建立模型如圖4所示。車廂座位坐滿乘客，無站立乘客，一節(jié)車廂內(nèi)有36人。

圖4 滿載車廂三維模型圖

風(fēng)口格柵模型做了與真實(shí)風(fēng)口相同的精細(xì)化處理，以保證模擬出最接近真實(shí)的出風(fēng)排風(fēng)效果。風(fēng)口格柵細(xì)節(jié)如圖5所示。

圖5 風(fēng)口格柵細(xì)節(jié)圖

雙軸幅流風(fēng)機(jī)為模擬模型的關(guān)鍵部件。其葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣流從葉輪敞開處進(jìn)入葉柵，穿過葉輪內(nèi)部，從另一面葉柵處排入蝸殼，形成工作氣流；當(dāng)蝸殼來回?cái)[動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口來回?cái)[動(dòng)，使得出風(fēng)方向時(shí)刻發(fā)生變化，從而影響空氣湍流度提高氣流舒適度。幅流風(fēng)機(jī)的扇葉及其安裝圖如圖6所示。

圖6 幅流風(fēng)機(jī)扇葉及安裝圖

模擬計(jì)算采用RNG k-ε湍流模型、SIMPLE數(shù)值計(jì)算算法，選用二階迎風(fēng)（Second Order Upwind）差分格式的離散格式，選用Standard的壓力插值格式。車內(nèi)的人體采用單節(jié)點(diǎn)模型，將人體簡(jiǎn)化為1個(gè)熱源，其計(jì)算模型采用輻射條件下的第二類邊界條件。

2.2 邊界條件設(shè)置

車廂內(nèi)送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度，以及送風(fēng)口、回風(fēng)口的尺寸均按相關(guān)設(shè)計(jì)單位提供的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

入口邊界條件：送風(fēng)溫度初設(shè)為20℃；總風(fēng)量按B型車空調(diào)系統(tǒng)取8 000 m3/h，半節(jié)車廂風(fēng)量為4 000 m3/h；風(fēng)速由總風(fēng)量及送風(fēng)口有效面積確定。

出口邊界條件：根據(jù)B型車回風(fēng)和廢排風(fēng)量的比例可知回風(fēng)量為4 700 m3/h，廢排風(fēng)量為3 300 m3/h，故計(jì)算模型中的回風(fēng)量和廢排風(fēng)量分別為2 350 m3/h和 1 650 m3/h。

回風(fēng)口設(shè)置為速度入口邊界條件。回風(fēng)口風(fēng)速大小由總風(fēng)量及送風(fēng)口有效面積確定。經(jīng)計(jì)算，回風(fēng)口風(fēng)速為1.61 m/s。

廢排風(fēng)口設(shè)置為壓力出口邊界條件。根據(jù)一般列車車內(nèi)壓力規(guī)律，設(shè)定廢排風(fēng)口壓力值為50 Pa。

壁面邊界：車身的傳熱系數(shù)為2.4 W/（m2·K），車窗的傳熱系數(shù)為3.1 W/（m2·K），車門的傳熱系數(shù)為4.6 W/（m2·K）。模擬計(jì)算考慮最極端工況，故將外界空氣溫度設(shè)定為35℃，將Fluent軟件中壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)設(shè)置為Mixd，即根據(jù)外界溫度和墻體換熱系數(shù)自動(dòng)匹配傳熱量。

幅流風(fēng)機(jī)：根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)軸位置設(shè)置了扇葉的運(yùn)動(dòng)模式，且扇葉轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。該部分使用動(dòng)網(wǎng)格，通過加載UDF（User Defined Functions），使蝸殼按要求進(jìn)行擺動(dòng)。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

數(shù)值計(jì)算工況分別是：①未加載幅流風(fēng)機(jī)，且空調(diào)出風(fēng)溫度為20℃的靜態(tài)計(jì)算工況（工況一）；②加載幅流風(fēng)機(jī)，且空調(diào)出風(fēng)溫度為20℃的動(dòng)態(tài)計(jì)算工況（工況二）；③加載幅流風(fēng)機(jī)，且空調(diào)出風(fēng)溫度為22℃的動(dòng)態(tài)計(jì)算工況（工況三）。

根據(jù)3個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果，研究在相同送風(fēng)溫度前提下幅流風(fēng)機(jī)對(duì)客室環(huán)境的影響，以及在提高送風(fēng)溫度后幅流風(fēng)機(jī)對(duì)客室環(huán)境的影響。經(jīng)計(jì)算，各工況下車體各部分傳遞的熱量如表2所示。

對(duì)比工況一和工況二可知，在相同的送風(fēng)溫度下，工況二的車體傳熱量更多。當(dāng)車內(nèi)溫度較低時(shí)，內(nèi)外溫差的加大會(huì)使維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量增大，使列車空調(diào)效率增加。因此，在相同送風(fēng)溫度下，加載幅流風(fēng)機(jī)會(huì)使空調(diào)效果更好。對(duì)比工況一和工況三可見，兩者的車體傳熱量基本相同。這說明在達(dá)到相同車廂風(fēng)環(huán)境的情況下，加載幅流風(fēng)機(jī)能增大送風(fēng)溫度，降低空調(diào)能耗。

表2 各工況下車體各部分傳遞的熱量

2.3.1 速度場(chǎng)

圖7為3種工況在同一截面（幅流風(fēng)機(jī)中間點(diǎn)）處的速度分布云圖。在未加載幅流風(fēng)機(jī)（工況一）的時(shí)候，人體對(duì)客室氣流組織的阻礙作用較大，影響了設(shè)計(jì)工況的氣流走向，使得客室送風(fēng)出現(xiàn)“死區(qū)”；而且，人體散熱也使得空氣不斷上升，加劇了對(duì)氣流組織的擾亂作用。在加載了幅流風(fēng)機(jī)之后（工況二、工況三），在風(fēng)機(jī)的出風(fēng)方向不會(huì)出現(xiàn)“死區(qū)”；而且，由于幅流風(fēng)機(jī)的擺動(dòng)作用使整個(gè)車廂內(nèi)都會(huì)間斷性出現(xiàn)較大風(fēng)速，故周期性溫度場(chǎng)也會(huì)相對(duì)均勻。

客室內(nèi)乘客區(qū)域的速度場(chǎng)分布，與人員位置及數(shù)量以及送風(fēng)方式都有很大的聯(lián)系。對(duì)于工況二、三，最大風(fēng)速約為2.8 m/s，均出現(xiàn)在幅流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處，其截面平均風(fēng)速約為0.5 m/s。在幅流風(fēng)機(jī)的半個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)（約15 s），風(fēng)機(jī)吹風(fēng)作用涉及了整個(gè)下部空間。相比工況一，工況二、三能更好地?cái)_動(dòng)列車車廂氣流，使空調(diào)冷風(fēng)能更均勻地作用到各個(gè)“氣流死區(qū)”。此外，還可根據(jù)外界環(huán)境溫度和客流密度來調(diào)整幅流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和擺動(dòng)頻率，以創(chuàng)造更舒適的客室環(huán)境。

2.3.2 溫度場(chǎng)

圖8為3種工況在x截面（垂直于列車行進(jìn)方向）處的溫度分布云圖。由圖8可以看出，幅流風(fēng)機(jī)的掃風(fēng)會(huì)擾動(dòng)原來冷風(fēng)流動(dòng)，增加冷風(fēng)的作用域，降低被作用部位的表面溫度。隨著風(fēng)向的變化，客室內(nèi)溫度也產(chǎn)生周期性微調(diào)，可減少沉悶感。由圖8可知，工況二的室內(nèi)平均溫度更符合人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)，且比工況一的平均溫度降低了0.3℃。這說明增大風(fēng)速后的擾動(dòng)降溫效果比較明顯。

2.3.3 人體熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)

文獻(xiàn)［8］提出了與空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速、空氣濕度、人體新陳代謝率及服裝熱阻等6個(gè)因素有關(guān)的人體熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)——PWV（預(yù)測(cè)平均投票數(shù)）。ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）也據(jù)此制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)模型模擬計(jì)算，得到3種工況在距車廂地板1.1 m處截面的PMV分布云圖,如圖9所示。由圖9可見，相比工況一，在工況二下，車廂內(nèi)的舒適度提高了，車廂內(nèi)的氣流組織也更均勻。而對(duì)比工況一和工況三可以發(fā)現(xiàn)，盡管工況三出風(fēng)溫度降低了，但其車廂的整體舒適度有了大部分提升。

圖7 各工況的速度分布云圖

分析3種工況下的熱舒適情況可以發(fā)現(xiàn)，熱舒適度是多因素綜合作用的結(jié)果。幅流風(fēng)機(jī)可增強(qiáng)客室氣流擾動(dòng)，提高空氣參數(shù)均勻度，降低PMV值，以緩解高溫情況下的熱感和高密度客流量時(shí)的沉悶感。可見在一定條件下，幅流風(fēng)機(jī)對(duì)客室舒適度的提高是有極大促進(jìn)作用的。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)地鐵列車車廂內(nèi)風(fēng)速和溫度的實(shí)車測(cè)試及問卷調(diào)查，了解了當(dāng)前車廂內(nèi)的風(fēng)速及舒適度情況，并研究了幅流風(fēng)機(jī)對(duì)地鐵列車車廂內(nèi)環(huán)境的改善作用。通過CFD數(shù)值模擬的方法，模擬了滿載列車車廂內(nèi)有無加載幅流風(fēng)機(jī)對(duì)車廂內(nèi)環(huán)境的影響，以及在幅流風(fēng)機(jī)的作用下不同送風(fēng)溫度下車廂內(nèi)的熱環(huán)境。最后得出以下結(jié)論：

圖8 各工況的溫度分布云圖

圖9 不同工況下的PMV分布云圖

（1）當(dāng)前地鐵列車運(yùn)行時(shí)，車廂內(nèi)乘客舒適度較低，車廂內(nèi)空氣流速較低，流場(chǎng)較差。

（2）相同出風(fēng)溫度情況下，加載幅流風(fēng)機(jī)能夠達(dá)到更好的制冷效果以及客室流場(chǎng)均勻度。

（3）在加載幅流風(fēng)機(jī)的情況下，即使提高空調(diào)出風(fēng)溫度，其客室流場(chǎng)均勻度、車廂舒適度依然能夠達(dá)到未加載幅流風(fēng)機(jī)工況低出風(fēng)溫度的水平，甚至比之更好。

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