幅流風機對地鐵列車車廂內風環境與乘客舒適度的影響

趙 楠

（海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室，201001，上海∥工程師）

由于地鐵列車客流量大、車門開關頻繁，因此很難保持車廂內熱環境的穩定。為改善車廂內環境，提高乘客熱舒適性，需對車廂內風環境進行研究。文獻［1］研究表明，動態風可有效改善熱環境。文獻［2］研究發現，在空氣相對濕度50%的情況下，通過提高風速可使得舒適溫度上限達到29.4℃。文獻［3］指出增加氣動脈流強度可加強對流換熱，從而產生冷吹風感。文獻［4］通過調查發現，搖頭風扇吹風比直吹風扇更容易讓人接受。

幅流風機是一種制造動態風環境的設備。近幾年，幅流風機在民用空調系統中的應用技術已成熟，在地鐵列車空調系統中也有應用。北京地鐵昌平線即采用了幅流風機，以改善車廂的熱舒適性［5］。文獻［6］對比了安裝幅流風機前后空載條件下A、B型列車的流場和熱舒適性，發現安裝幅流風機后，即使提高客室內設定溫度以降低空調負荷，也依舊能保證客室內的熱舒適性。文獻［7］通過研究空載車廂20℃送風時無風機和有風機作用下的客室流場，以及有風機運行時將送風溫度提高到23℃時的客室流場，發現幅流風機能降低客室溫度不均勻度，改善客室的人體熱舒適評價指標，并降低空調機組負荷。

本文對地鐵列車的車內風環境進行實車測試，并對乘客的舒適度進行問卷調查，分析地鐵列車車內環境現狀?；跍y試及調查結果，采用CFD（計算流體動力學）方法模擬滿載車廂未加載幅流風機以及加載幅流風機時，車廂內流場和熱舒適度的變化，以評估幅流風機對車廂內環境的改善效果。

1 地鐵列車車廂風環境和乘客舒適度調研

地鐵運行環境復雜多變，軟件難以準確模擬列車車廂內的風環境。故采用熱線風速溫度儀測試地鐵列車實際運行過程中車廂內的風速及溫度，并對受測試車廂內的乘客進行舒適度問卷調查，以了解乘客的實際感受。

1.1 調查對象

數據采集對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熱線風速溫度儀，可同時測定氣流的速度和溫度，其參數如表1所示。在測試的同時進行調查問卷的發放和回收，以保證乘客感受與風環境數據的同步性。

圖1 上海軌道交通車廂內風速和溫度測試路線

表1KANOMAX6006熱線風速溫度儀參數表

1.2 調查過程

根據線路起終點和車型，設定了測試路線如圖1所示。沿測試線路進行了3個來回的測試，以保證樣本數量和準確度。

測試時站臺的平均溫度為18℃。每列列車均選擇了1節頭車車廂和1節中間車廂進行測試。每節車廂均測試了2.0 m、1.7 m、1.0 m高度位置的風速和溫度。其中，2.0 m高度位置代表出風口位置、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。讀取數據均在列車勻速運行時，以避免車門開關及貫堂風的影響。

1.3 調查結果及分析

測試結果見圖2（測試大廳平均溫度為18℃）。

圖2 上海軌道交通列車車廂內風速、溫度測試結果

由圖2可見，車廂內溫度基本為19～23℃，不同車廂稍有差異。地鐵空調出風口風速集中在0.8～2.0 m/s。出風量和出風速度的差異主要受運動狀態和車內外壓差的影響。遠離風口，風速減小，到站立乘客頭部高度區域時，風速已減至0.3 m/s以下。可見對于整個車廂來說，尤其是在高密度客流量時，會稍顯沉悶。

舒適度調查問卷工作與測試工作同時進行。問卷發放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。被調查的大部分乘客均表示當前車廂內空氣流動速度較小，空氣稍顯沉悶不夠新鮮，溫度也不能根據客流量及時調節。圖3為調查問卷結果統計圖。

圖3 上海軌道交通乘客舒適度調查問卷結果統計圖

對調查結果進行分析可知：上海軌道交通各線大部分列車車廂內的風速較低，溫度在豎直方向上分層明顯，車廂內乘客密度大時舒適度較低。因此，改善地鐵列車車廂內的熱環境可從提高車廂內風速著手，研究更適合地鐵列車車廂的流場形式。

2 基于風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氣流組織特征，研究幅流風機對廂車內乘客舒適性的作用效果。

2.1 計算對象及模型

以地鐵列車B型車為研究對象。車廂內總長19 800 mm，凈寬28 00 mm，凈高2 100 mm。車廂左右兩側各設5排座椅，各風口的位置及尺寸根據實際情況布置。其中，左右兩側分別設置條縫型送風口；頂部集中回風，設計2個回風口；每個機組下方布置1個回風口；廢排風口布置在列車兩端頂板，且兩端各布置2個。

因車廂內部在車體長度方向上對稱，故取半截車廂作為模擬對象，中間截面采用對稱面邊界條件。建立模型如圖4所示。車廂座位坐滿乘客，無站立乘客，一節車廂內有36人。

圖4 滿載車廂三維模型圖

風口格柵模型做了與真實風口相同的精細化處理，以保證模擬出最接近真實的出風排風效果。風口格柵細節如圖5所示。

圖5 風口格柵細節圖

雙軸幅流風機為模擬模型的關鍵部件。其葉輪旋轉時，氣流從葉輪敞開處進入葉柵，穿過葉輪內部，從另一面葉柵處排入蝸殼，形成工作氣流；當蝸殼來回擺動時，帶動風機出風口來回擺動，使得出風方向時刻發生變化，從而影響空氣湍流度提高氣流舒適度。幅流風機的扇葉及其安裝圖如圖6所示。

圖6 幅流風機扇葉及安裝圖

模擬計算采用RNG k-ε湍流模型、SIMPLE數值計算算法，選用二階迎風（Second Order Upwind）差分格式的離散格式，選用Standard的壓力插值格式。車內的人體采用單節點模型，將人體簡化為1個熱源，其計算模型采用輻射條件下的第二類邊界條件。

2.2 邊界條件設置

車廂內送風速度、送風溫度，以及送風口、回風口的尺寸均按相關設計單位提供的設計參數進行設置。

入口邊界條件：送風溫度初設為20℃；總風量按B型車空調系統取8 000 m3/h，半節車廂風量為4 000 m3/h；風速由總風量及送風口有效面積確定。

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

回風口設置為速度入口邊界條件?；仫L口風速大小由總風量及送風口有效面積確定。經計算，回風口風速為1.61 m/s。

廢排風口設置為壓力出口邊界條件。根據一般列車車內壓力規律，設定廢排風口壓力值為50 Pa。

壁面邊界：車身的傳熱系數為2.4 W/（m2·K），車窗的傳熱系數為3.1 W/（m2·K），車門的傳熱系數為4.6 W/（m2·K）。模擬計算考慮最極端工況，故將外界空氣溫度設定為35℃，將Fluent軟件中壁面傳熱系數設置為Mixd，即根據外界溫度和墻體換熱系數自動匹配傳熱量。

幅流風機：根據旋轉方向和旋轉軸位置設置了扇葉的運動模式，且扇葉轉速為1 200 r/min。該部分使用動網格，通過加載UDF（User Defined Functions），使蝸殼按要求進行擺動。

2.3 計算結果及分析

數值計算工況分別是：①未加載幅流風機，且空調出風溫度為20℃的靜態計算工況（工況一）；②加載幅流風機，且空調出風溫度為20℃的動態計算工況（工況二）；③加載幅流風機，且空調出風溫度為22℃的動態計算工況（工況三）。

根據3個工況的計算結果，研究在相同送風溫度前提下幅流風機對客室環境的影響，以及在提高送風溫度后幅流風機對客室環境的影響。經計算，各工況下車體各部分傳遞的熱量如表2所示。

對比工況一和工況二可知，在相同的送風溫度下，工況二的車體傳熱量更多。當車內溫度較低時，內外溫差的加大會使維護結構傳熱量增大，使列車空調效率增加。因此，在相同送風溫度下，加載幅流風機會使空調效果更好。對比工況一和工況三可見，兩者的車體傳熱量基本相同。這說明在達到相同車廂風環境的情況下，加載幅流風機能增大送風溫度，降低空調能耗。

表2 各工況下車體各部分傳遞的熱量

2.3.1 速度場

圖7為3種工況在同一截面（幅流風機中間點）處的速度分布云圖。在未加載幅流風機（工況一）的時候，人體對客室氣流組織的阻礙作用較大，影響了設計工況的氣流走向，使得客室送風出現“死區”；而且，人體散熱也使得空氣不斷上升，加劇了對氣流組織的擾亂作用。在加載了幅流風機之后（工況二、工況三），在風機的出風方向不會出現“死區”；而且，由于幅流風機的擺動作用使整個車廂內都會間斷性出現較大風速，故周期性溫度場也會相對均勻。

客室內乘客區域的速度場分布，與人員位置及數量以及送風方式都有很大的聯系。對于工況二、三，最大風速約為2.8 m/s，均出現在幅流風機出風口處，其截面平均風速約為0.5 m/s。在幅流風機的半個擺動周期內（約15 s），風機吹風作用涉及了整個下部空間。相比工況一，工況二、三能更好地擾動列車車廂氣流，使空調冷風能更均勻地作用到各個“氣流死區”。此外，還可根據外界環境溫度和客流密度來調整幅流風機的轉速和擺動頻率，以創造更舒適的客室環境。

2.3.2 溫度場

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

2.3.3 人體熱舒適評價指標

文獻［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個因素有關的人體熱舒適評價指標——PWV（預測平均投票數）。ISO（國際標準化組織）也據此制定了相關標準。根據模型模擬計算，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，車廂內的舒適度提高了，車廂內的氣流組織也更均勻。而對比工況一和工況三可以發現，盡管工況三出風溫度降低了，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現，熱舒適度是多因素綜合作用的結果。幅流風機可增強客室氣流擾動，提高空氣參數均勻度，降低PMV值，以緩解高溫情況下的熱感和高密度客流量時的沉悶感。可見在一定條件下，幅流風機對客室舒適度的提高是有極大促進作用的。

3 結語

本文通過對地鐵列車車廂內風速和溫度的實車測試及問卷調查，了解了當前車廂內的風速及舒適度情況，并研究了幅流風機對地鐵列車車廂內環境的改善作用。通過CFD數值模擬的方法，模擬了滿載列車車廂內有無加載幅流風機對車廂內環境的影響，以及在幅流風機的作用下不同送風溫度下車廂內的熱環境。最后得出以下結論：

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）當前地鐵列車運行時，車廂內乘客舒適度較低，車廂內空氣流速較低，流場較差。

（2）相同出風溫度情況下，加載幅流風機能夠達到更好的制冷效果以及客室流場均勻度。

（3）在加載幅流風機的情況下，即使提高空調出風溫度，其客室流場均勻度、車廂舒適度依然能夠達到未加載幅流風機工況低出風溫度的水平，甚至比之更好。

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