武漢地鐵3號線列車車廂內(nèi)環(huán)境實測調(diào)查及熱舒適性分析

朱圣瑞 段洪亮 劉 健 康 偉* 王國強 尤立偉

(1.武漢地鐵集團建設(shè)事業(yè)總部，430079，武漢；2.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，高級工程師)

經(jīng)過近二十年的發(fā)展，我國城市軌道交通車輛空調(diào)系統(tǒng)從無到有，技術(shù)得到了長足的發(fā)展和進(jìn)步。然而，受車輛結(jié)構(gòu)和車廂空間限制，車輛空調(diào)送風(fēng)風(fēng)速過高，乘客在送風(fēng)格柵下部站立時頭部有冷風(fēng)感，這已成為城市軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)的一個技術(shù)問題[2]。武漢地鐵首次在地鐵3號線列車空調(diào)系統(tǒng)中采用了頂部孔板與側(cè)送風(fēng)口相結(jié)合的新型送風(fēng)方式，本文通過測試結(jié)果及數(shù)值模擬仿真分析這種新型送風(fēng)方式下車廂內(nèi)的熱舒適環(huán)境。

1 車廂內(nèi)環(huán)境測試分析

1.1 測試方案

測試對象為武漢地鐵3號線某列車中間一節(jié)車廂，選取該車廂 1/4 作為實測區(qū)域。車廂內(nèi)測點布置如圖1所示，分別以車廂長度、高度、寬度代表X、Y、Z截面(Y截面以車廂地板為基準(zhǔn))，選取X=0.95 m、X=2.66 m、X=4.15 m、X=5.60 m、X=7.12 m、X=8.60 m、Y=0.50 m、Y=1.20 m、Y=1.70 m、Y=2.10 m、Z=0.68 m、Z=1.40 m共12 個截面，在12個截面上共布置 50 個測點，同時測量各測點的溫度和風(fēng)速。測試時間為8：00—10:00，溫濕度自記儀布點采樣；風(fēng)速測量儀測量三組X、Y、Z截面上各測點的風(fēng)速，對測試結(jié)果進(jìn)行矢量求和，再將三組測量結(jié)果做算術(shù)平均。表1為測試儀器的性能參數(shù)表。

圖1 車廂內(nèi)測點布置示意圖

表1 測試儀器性能參數(shù)表

1.2 車廂內(nèi)環(huán)境評價體系

1)GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》的12.1項規(guī)定，在環(huán)境溫度為33 ℃時，車輛空調(diào)制冷能力應(yīng)能滿足：車廂內(nèi)溫度不高于(28±1)℃,相對濕度不超過65%。不同地區(qū)可根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件在合同中另行規(guī)定溫度要求[3]。

2)TB 1951—1987《客車空調(diào)設(shè)計參數(shù)》規(guī)定，車廂內(nèi)同一水平面和同一鉛垂線上的最大氣溫差均不超過3 K。因此，推薦車輛空調(diào)送、回風(fēng)口處風(fēng)速為1～3 m/s，車廂內(nèi)微風(fēng)速不超過0.35 m/s[4]。

1.3 車廂內(nèi)溫度分析

武漢地鐵3號線車輛空調(diào)采用中頂孔板與側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)，車廂內(nèi)側(cè)送風(fēng)口平均溫度為23.97 ℃，回風(fēng)口溫度為23.83 ℃。整合后的各測點平均溫度分布如圖2所示。Y截面的溫度分布如圖3所示。表2為距車廂地板0.5～1.7 m各截面的垂直溫差表。

圖2 各測點平均溫度分布圖

圖3 Y截面溫度分布圖

由表2可看出，車廂各截面間溫差不超過3 ℃，溫度分布比較均勻。實測數(shù)據(jù)表明車廂溫度基本滿足舒適性要求。

表2 距車廂地板0.5～1.7 m各截面的垂直溫差表

由圖3可見：Y=0.5 m截面的溫度分布先降后升，但波動范圍很小，溫度最高點在車廂端部；Y=1.2 m截面的最高溫度在車廂端部，最大溫差為0.45 ℃；Y=1.7 m截面處最高溫度位于第二個門區(qū)位置，約為24.10 ℃，最低溫度約為23.48 ℃。

綜上所述，車廂內(nèi)的溫度分布比較均為，溫差小于2 ℃，基本滿足地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的舒適性要求。

1.4 車廂內(nèi)濕度分析

Y截面的濕度分布如圖4所示。

圖4 Y截面濕度分布圖

由圖4可見：沿車廂長度方向相對濕度的變化均是先增加，中間比較平穩(wěn)，到門區(qū)之后開始下降。相對濕度最高點位于門區(qū)Y=0.5 m截面處，為42.08%；相對濕度最低點位于第二個門區(qū)Y=2.1 m處,為27.4%；大部分區(qū)域的相對濕度在33%以上。按照 UIC 553 —2017《客車通風(fēng)采暖和空調(diào)》相關(guān)規(guī)定：當(dāng)車廂內(nèi)溫度為20～27 ℃時,相對濕度應(yīng)保持在35%～65%之間。武漢地鐵3號線列車車廂內(nèi)環(huán)境總體符合要求。

1.5 車廂內(nèi)風(fēng)速分析

X截面的風(fēng)速分布如圖5所示。圖5中，Y方向的每個編號分別對應(yīng)Y=0.5 m、Y=1.2 m、Y=1.7 m、Y=2.1 m截面位置及側(cè)送風(fēng)進(jìn)口位置。由圖5可見：沿著車廂長度方向風(fēng)速有增加的趨勢，但是幅度不大；回風(fēng)口處氣流的平均風(fēng)速為2.15 m/s,而且靠近回風(fēng)口截面的風(fēng)速都比其他截面的風(fēng)速高。

圖5 X截面的風(fēng)速分布圖

另外，在Y=0.5 m截面處，有的區(qū)域風(fēng)速接近0.1 m/s，該截面處可能會出現(xiàn)局部靜止區(qū)域，這是由于車廂內(nèi)整體流場不均造成的。在回風(fēng)口下方靠近車壁處存在局部靜止區(qū)域，但整個車廂的風(fēng)速較為均勻，風(fēng)速基本滿足要求。

2 數(shù)值模擬仿真分析

2.1 車廂模型建立

計算模型模擬車廂長為4.2 m、寬為2.7 m、高為2.1 m(車廂中部地板到頂板距離)；車廂分為座椅區(qū)和門區(qū)兩部分；車廂內(nèi)部設(shè)2排座椅，每排座椅限定6人乘坐。采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分流場，最大網(wǎng)格節(jié)點約為80 mm，最小網(wǎng)格節(jié)點約為5 mm。

氣流組織模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型，同時并作如下假設(shè)[5]：①客室內(nèi)空氣不可為壓縮氣體且符合Boussinesq假設(shè)；②空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流；③流場內(nèi)流體的湍流粘性各向同性，且具有高雷諾數(shù)；④不考慮漏風(fēng)的影響，車廂內(nèi)氣密性良好。

2.2 邊界條件的設(shè)置

1)根據(jù)夏季太陽總輻射照度表，車輛南北向放置獲得最大太陽輻射強度：東向為165 W/m2，西向為535 W/m2，水平向為855 W/m2。車廂各部位傳熱系數(shù)K值為2.4 W/(m2·K)，采用第二類邊界條件以及車體傳熱系數(shù)確定車廂內(nèi)各部分的熱流密度。

2)計算時，設(shè)定風(fēng)機主風(fēng)口風(fēng)速為8 m/s。氣流在風(fēng)道進(jìn)行分流，最終由中頂板下孔板及側(cè)送風(fēng)口送入車廂內(nèi)。夏季送風(fēng)溫度均為19 ℃，室外環(huán)境溫度為35 ℃。

3)回風(fēng)口采用自由出口，設(shè)定人體平均熱流密度為120 W，顯熱為65 W，潛熱為55 W。

2.3 車廂內(nèi)舒適性數(shù)值模擬結(jié)果分析

分析截面選取乘客坐姿頭部(距地板1.1 m，即模型Y=21.731 m處)、站姿頭部(距地板1.7 m，即模型Y=22.088 m處)的水平截面，分別對應(yīng)為Height-1截面和Height-2截面。

引入PMV(預(yù)測平均評價)和PPD(預(yù)測不滿意百分比)指標(biāo)對車廂內(nèi)的舒適度進(jìn)行評價。PMV指標(biāo)就是引進(jìn)反應(yīng)人體熱平衡偏離程度的人體熱負(fù)荷(TL)而得出的，其理論依據(jù)是當(dāng)人體處于穩(wěn)態(tài)的熱環(huán)境下時，人體的熱負(fù)荷越大，人體偏離熱舒適的狀態(tài)就越遠(yuǎn)[5]。

2.3.1 PMV指標(biāo)分析

圖6為Height-1截面PMV云圖。圖7為Height-2截面PMV云圖。

圖6 Height-1截面PMV云圖

圖7 Height-2截面PMV云圖

由圖6、圖7可以看出：Height-1截面和Height-1截面相類似，PMV值分布較為均勻；車廂中間區(qū)域PMV值基本在-1～1之間，門區(qū)附近站立區(qū)PMV值在1左右；座椅區(qū)靠近壁面PMV值明顯低于其他區(qū)域，基本達(dá)到-3，因此人體感覺冷。

2.3.2 PPD指標(biāo)分析

圖8為Height-1截面PPD云圖。圖9為Height-2截面PPD云圖。

由圖8可以看出：在Height-1截面，座椅區(qū)的PPD值最大。車廂中間站立區(qū)乘客及坐姿區(qū)乘客的不滿意度低于10%,占比較大，因此車廂整體環(huán)境可以滿足大多數(shù)乘客的舒適性要求。由圖9可以看出：在Height-2截面，車廂門區(qū)中心線至兩側(cè)壁面局部區(qū)域的PPD值在50%以上。在車廂門區(qū)站立區(qū)附近，乘客的不滿意度相對較高；乘客熱舒適性較低區(qū)域靠近壁面處的非乘客區(qū)域，在壁面處的有乘客區(qū)域，乘客的滿意率都是較高的。

圖8 Height-1截面PPD云圖

圖9 Height-2截面PPD云圖

3 結(jié)論

本文通過對武漢地鐵3號線列車車廂的實測分析與數(shù)值模擬分析得出：采用中頂孔板與側(cè)送風(fēng)的送風(fēng)形式，可為乘客提供一個較高的舒適性環(huán)境。

1)從實測結(jié)果來看：車廂內(nèi)任意兩點的溫差不超過相關(guān)規(guī)范規(guī)定的范圍，并且溫度較為均勻，基本在23.0～24.3 ℃范圍內(nèi)波動；在中間乘客站立區(qū)，風(fēng)速基本在0.35 m/s左右，靠近側(cè)送風(fēng)口及回風(fēng)口附近的風(fēng)速會偏大。

2)從數(shù)值模擬仿真結(jié)果來看：車廂中間區(qū)域的PMV值在-1～1范圍內(nèi)波動，車廂的熱環(huán)境是非常舒適的；座椅區(qū)靠近壁面區(qū)域，由于回風(fēng)風(fēng)速高，坐、立乘客可能都會有冷感，但是在可控范圍之內(nèi)；無論是對站立乘客還是對坐姿乘客而言，車廂中部區(qū)域的舒適性較好。