車輛空調送風方式對車輛客室熱舒適性的影響

向清河 康 偉 朱啟文 段洪亮 秦鴻波 姜 宇

(1.武漢地鐵集團建設事業總部，430079，武漢；2.中車長春軌道客車股份有限公司工程研究中心，130062，長春//第一作者，教授級高級工程師)

通過CFD(計算流體動力學)軟件數值模擬研究室內熱環境已成為現代通風空調工程研究規劃和設計中的課題之一[1]。文獻[2]利用FLUENT軟件對北京地鐵車輛客室內的溫度場和流場進行了數值模擬，得到了滿足人體舒適性要求的送風工況；文獻[3-4]對地鐵車輛的風道和客室內氣流組織進行了模擬，為地鐵車輛空調系統的合理設計提供了理論依據。通過CFD數值模擬分析不同送風方式對車輛內流場、溫度場的影響，可以為城市軌道交通車輛空調系統的設計提供新的思路和方法，有利于車輛舒適性的提升。

本文針對送風格柵和中頂孔板與側送風口這兩種送風方式進行試驗測試、數值模擬、舒適性分析，研究不同送風方式下客室內的溫度與流場，為開展以舒適性為基礎的送風氣流組織研究工作摸索經驗和方法。

1 測試方法及結果

測試對象為武漢地鐵3號線列車，測試儀器為“天建華儀WFWZY-1”手持式萬向風速風溫記錄儀。測點選取參考 UIC553《客車通風采暖和空調》，選取距地板面高0.6 m、1.1 m、1.7 m和回風口4處共10個測點。測試中，送風口的平均風速為2 m/s，溫度為19 ℃。送風格柵與中頂孔板與側送風口兩種送風方式下客室內的溫度分布如圖1、圖2所示。

圖1 送風格柵送風方式下客室內的溫度分布圖

由圖1、圖2可見，在兩種送風方式下，頭部處的溫度均較低，這是因為頭部處靠近送風口，受氣流射流影響；0.6 m、1.1 m處的截面溫度比1.7 m處的高，這是因為下部區域人體散熱堆積，而氣流循環又受阻，因而導致溫度升高。

圖2 中頂孔板側送風口送風方式下客室內的溫度分布圖

下文根據實測數據模擬送風格柵和中頂孔板與側送風口兩種送風方式下客室內的氣流組織。

2 模型建立及邊界條件設定

2.1 物理模型

以武漢地鐵3號線車輛為研究對象建立車廂內部模型，僅針對送風口、流速分布及客室內部分建模分析。由于車輛具有對稱性，因此，研究中車長取值為4.2 m，車寬取值為2.6 m，車內凈高取值為2.1 m。客室內設2排座椅，每排座椅限定6人。簡化模型如圖3所示。

圖3 車輛客室模型斷面圖

2.2 車廂數學模型選擇

為能更直觀地分析模擬結果，建立車廂數學模型。設定車長為X軸、高為Y軸、寬為Z軸，并選取車廂客室的代表性截面，代表性截面及其說明如表1所示。

表1 車廂客室代表性截面說明表

采用標準k-ε方程模型，同時作如下假設：客室內空氣不可壓縮且符合Boussinesq假設；流動為穩態湍流；流體的湍流粘性各向同性，且具有高雷諾數；不考慮漏風影響，車廂內氣密性良好。

2.3 邊界條件的設定及模擬工況

1)車廂各部位傳熱系數K值為2.4 W/(m2·K)。采用第二類邊界條件，設置邊界條件熱流密度。

2)風口邊界為：夏季送風溫度為19 ℃，室外環境溫度35 ℃，送風口風速為2 m/s。

3)回風口采用自由出口，給定人體平均熱流密度值為116 W，顯熱值為75 W，潛熱值為41 W。

不同模擬工況下的客室斷面送風示意圖如圖4所示。模擬工況1為送風格柵送風，模擬工況2為中頂孔板與側送風口送風。

圖4 不同送風工況下車輛客室斷面送風示意圖

3 數值計算結果及分析

3.1 氣流組織的評價指標

根據相關規范[6-9]要求，車內氣流組織的評價指標為：車內任意兩點間溫差≤3 ℃；送風口風速為1～3 m/s ，車內任意點風速≥ 0.07 m/s；夏季車內風速≤0.5 m/s，地鐵車輛可放寬到 0.7 m/s。

3.2 數值模擬氣流對比分析

圖5為數值模擬各工況下Length-1截面氣流速度云圖。

圖5 數值模擬各工況下Length-1截面氣流速度云圖

由圖5可知：模擬工況1，受送風氣流射流影響，在射流方向和客室中間區域風速達到1 m/s左右，如果送風溫度較低，舒適感就會較差，因此格柵送風口附近站立區人體頭部區域風速基本都大于0.7 m/s；模擬工況2，站立區人體頭部靠近側送風口局部風速大于0.6 m/s，中間區域則低于0.25 m/s。

圖6為數值模擬各工況下Height-1截面氣流速度云圖。

圖6 數值模擬各工況下Height-1截面氣流速度云圖

由圖6可知：模擬工況1，車廂中間氣流速度略高，坐姿時人體頭部區域風速絕大部分在0.5 m/s左右，會有輕微的吹風感；模擬工況2，座椅區靠壁面區域受氣流貼附作用，風速基本在0.3 m/s以下，其余區域在0.4～0.8 m/s之間，就座乘客會有一定的吹風感。

圖7為數值模擬各工況下Height-2截面速度云圖。

圖7 數值模擬各工況下 Height-2截面氣流速度云圖

由圖7可知：模擬工況1，格柵送風方向上對應區域風速偏高，超過1.0 m/s，站立區乘客舒適感較差；模擬工況2，距地面1.7 m處風速均在0.3 m/s以上，受側送風口送風氣流影響，門區站立乘客頭部局部風速達到或超過0.7 m/s，但中間區域風速相對均勻。

圖8為車體中心截面處氣流速度云圖。

圖8 數值模擬各工況下Width-1截面氣流速度云圖

由圖8可知：模擬工況1,氣流從送風口噴射出后，氣流比較均勻但相對速度較高；模擬工況2在滿載工況下，客室內人員密度對空氣流動的阻礙作用明顯，使得回排風的阻力大。

3.3 數值模擬溫度場分析

圖9為數值模擬各工況下 Width-1截面的溫度云圖。

圖9 數值模擬各工況下Width-1截面的溫度云圖

由圖9可知：頭部以上區域側送風溫度均勻性更好；頭部以下區域，側送風時的客室平均溫度也略低于格柵送風時的；滿載時，客室內人員密度較大區間氣流流動困難，熱量不能及時帶走，導致局部溫度高。

圖10為座椅乘客頭部區域Height-1截面的溫度云圖。

圖10 數值模擬各工況下 Height-1截面的溫度云圖

由圖10可知：客室門區主流溫度在25～29 ℃，座椅區主流溫度可以細分為站姿人體區和坐姿人體區主流溫度，分別為23～27 ℃和20～24 ℃。

圖11為站立人眼高度處Height-1截面的溫度云圖。

圖11 數值模擬各工況下Height-1截面的溫度云圖

由圖11中可知：2種模擬工況下，客室兩端回風口處溫度都偏高，這主要是受氣流影響。

圖12是客室內縱向溫度分布圖。由圖12可知：氣流從上向下溫度逐漸升高形成梯度；而回風口處，熱空氣向上形成一個凸起的高溫區域；模擬工況2，乘客頭部以下區域溫度普遍較高，可能會使乘客感到熱感。

4 車輛客室PMV-PPD指標分析

人體熱舒適不僅僅是溫度或者風速單獨作用的結果，需要考慮多重環境因素。乘客在客室中的停留時間相對較長，代謝率在6 min之后可以認為處于穩定狀態，因此本文重點討論反應穩定狀態下乘客熱舒適性指標的PMV(預測平均評價)。PMV指標反應人體熱平衡偏離程度，PPD(預測不滿意百分比)代表人的預期不滿意程度[10]。表2為PMV熱感覺標尺表。

表2 PMV熱感覺標尺表

利用MATLAB語言編制的PMV-PPD計算程序計算得出，當PPD≤10%時，客室內的空氣溫度范圍為21～25 ℃。在該范圍內，相對濕度對熱舒適的影響不是很大。客室內最佳的空氣溫度為25 ℃，最佳的相對濕度為60%。因此，進行UDF(用戶自定義函數)計算時選取相對濕度為60%、室內設計溫度為27 ℃來得出室內溫度濕度偏離該值時整體舒適性。

4.1 格柵送風的舒適性指標分析

選取Height-1和Height-2截面進行分析。

圖13為格柵送風時Height-1截面舒適性指標云圖。由圖13可知：座椅區靠近側壁區域的PPD值達到50%左右，客室中部的PPD值有很大一部分在50%以上；除上述區域外，客室其他區域的PPD值絕大部分在20%以下，舒適度較高。

圖14為格柵送風時Height-2截面舒適性指標云圖。由圖14可知：站姿乘客位置受送風射流的影響較大，由于送風氣流溫度低、風速較大，因此這些區域很大部分的PMV值都在-1.5以下，人體熱舒適感差，偏涼或者冷。

圖13 格柵送風時Height-1截面舒適性指標云圖

圖14 格柵送風時Height-2截面舒適性指標云圖

對于Height-2截面，無論是座椅區還是門區，整個客室內，中部和沿送風射流方向區域的PPD值基本都超過了50%，局部更是達到了90%以上，乘客的不滿意度較高。

4.2 中頂孔板與側送風口送風舒適性指標分析

圖15為中頂孔板與側送風口送風時Height-1截面舒適性指標云圖。由圖15可知：圖15 a)所示的大部分區域的PMV值小于-1，人體感覺偏涼；圖15 b)所示的座椅區靠近側壁區域的PPD值達到90%，門區靠側壁區域的PPD值大部分在50%以上，其他區域的PPD值絕大部分在30%以下，舒適度較高。

圖16為中頂孔板與側送風口送風時Height-2截面舒適性指標云圖。由圖16可知：靠近側壁區域的PPD值基本都達到了90%以上；門區客室中心線至東向壁面，PPD值在50%左右的占比較高；門區客室中心線至西向壁面，局部區域的PPD值在30%，乘客的不滿意度低于格柵送風時的工況。

圖15 中頂孔板與側送風口送風時Height-1截面舒適性指標云圖

圖16 中頂孔板與側送風口送風時Height-2截面舒適性指標云圖

5 結論

1)車輛客室內溫度和風速的實測數據顯示，地板垂直的方向上有明顯的分層現象，氣流在乘客之間流動遇到一定的困難，會造成人體發熱量堆積，從而使Y=1.2 m截面以下區域溫度增高，仿真模擬結果較為符合。

2)中頂孔板送風工況下，受氣流組織形式和熱羽流的綜合影響作用較大，氣流向下流動的速度較弱，客室內空氣的整體流速較低，從而也導致了區域內溫度較高。門區內，西側的送風口送風氣流經風口流出后，明顯受到熱羽流的影響，出現了一定程度的抬升。

3)格柵送風工況下，客室內的速度場和溫度場未沿著客室中心線完全對稱，但總體上其對稱性還是相對較好。客室中部區域和送風氣流方向上，受送風氣流的影響，此區域溫度較低，風速較大。

4)就PMV和PPD而言，中頂孔板送風工況下，Height-1截面處主流區域的PMV值基本都在-0.5～1之間，PPD值大部分在30%以下，整體舒適度較好；Height-2截面處局部區域的PMV值低于-1.5，PPD值也高達50%以上。

5)格柵送風工況下，Height-1截面的PPD值大部分在20%以下，舒適度較高；Height-2截面座椅區，由于存在一定的送風氣流貼附作用的影響，局部區域的PMV值小于-1.5，PPD值大于50%，熱舒適感較差。