埃及齋月十日城鐵路項目車站熱環境計算參數分析

文 王振

中鐵二院地下鐵道設計研究院 埃及齋月十日城鐵路項目勘察設計項目部總體組 通風空調專業負責人

一、引言

城市軌道交通系統是指服務于城市客運交通，通常以電力為動力，輪軌運行方式為特征的車輛或列車與軌道等各種相關設施的總和。其中，車站公共區為乘客進站乘車的過渡空間，具有客容量大，有換乘通道，一般地處商業區或人口集聚區，起到交通樞紐作用等特點。該類空間通風系統設計至關重要，其基礎和關鍵為室外熱環境計算參數。

因埃及齋月十日城鐵路項目采用ASHRAE 標準體系，存在系統設計理念差異、車站建筑方案調整等一系列因素，中埃雙方在室外熱環境計算參數方面有較大分歧。經過對比和分析國內外標準定義下的開羅室外熱環境計算參數、開羅室外氣象參數點在人體熱舒適性特性圖中的分布，并與埃方業主、監理進行了長時間的技術論證和磋商，確定了該項目通風和空調系統設計可采用的室外計算參數，為車站公共區的通風方案設計確定了統一標準。本文從埃及氣象參數對比、ASHRAE 氣象參數、熱舒適性特性等角度，對埃鐵項目熱環境計算參數進行分析。

二、研究背景

城市軌道交通車站公共區為乘客進站乘車時短暫停留的過渡空間，乘客在該過渡空間中的停留時間一般小于一個行車間隔。過渡空間的特征在于連接著室外、車站公共區和列車的熱環境，各熱環境之間的溫濕度不同。

圖1 開羅城市軌道交通車站公共區通風方案Fig. 1 Ventilation scheme for public areas of urban rail transit stations in Cairo

車站通風空調室外計算參數Ventilation and air conditioning system parameters of stations calculated outdoors

埃及開羅地鐵1 號線、2 號線和3號線，分別于1987年、1996年、2012年開通運行，開羅地鐵1、2、3 號線地面和高架車站站廳和站臺公共區均采用自然通風方案。根據既有線現狀、埃及當地習慣，埃鐵項目車站公共區起初采用了自然通風方案。在2017年至2019年間，業主來函對車站建筑方案進行了一系列調整，如增加南北進站大廳、更換外墻可通風鋼絲網為平時不開啟的外窗等，極大地改變了車站的建筑方案。與此同時，業主和監理堅持認為車站為封閉車站，使得先期考慮的所有車站自然通風和自然排煙方案被推翻。

2019年，在建筑方案亟待穩定的嚴峻形勢下，為顧全大局、保證項目的穩步推進，聯合體機電部與設計項目部的技術專家、聯合體商務人員從經濟性、可實施性、對各專業影響、業主和監理目標期望等角度對車站站廳和站臺通風系統方案進行了專題研究和論證，最后一致確定了站廳和站臺公共區采用機械通風兼排煙的方案。

埃鐵項目通風系統設計采用ASHRAE 標準，在業主方未對軌道交通車站公共區通風空調系統設計提出具體要求，且以往埃及城市軌道交通項目無相關的報告和分析的情況下。監理提出基于ET*對本項目車站公共區進行熱環境設計調查。

在沒有相關過渡空間通風空調系統設計規范可參考的前提下，監理提出采用0.4%不保證率條件下的夏季制冷干/濕球溫度作為車站通風和空調系統設計的室外空氣計算參數，同時要求空調系統設計用干球溫度要在0.4%不保證率所在條件下的干球溫度基礎上提高2℃，以保證空調系統在夏季運行的可靠性。上述調整導致室外設計干球溫度為40℃，監理認為該溫度會引起乘客中暑。同時在2019年7月，監理來函提出了以下兩個主要問題，其中引入了環境熱舒適性研究領域的若干成果：

①環境的有效溫度≥35ET*時，會嚴重影響人的身體健康，車站熱環境設計時應保證有效溫度＜35ET*，以避免引起乘客中暑；

②在熱環境設計條件調查時要使用ASHRAE 氣象參數中的全年平均最高極端氣象干、濕球溫度和5年、10年、20年重現期的最高極端氣象干、濕球溫度。

上述有效溫度ET*是由Gagge 等在1971年提出，其定義為，同樣著裝和活動的人，在環境中的冷熱感覺與在相對濕度為50%空氣環境中的冷熱感覺相同時，相對濕度為50%空氣環境的干球溫度就稱為有效溫度ET*。有效溫度ET*是反應環境溫度和濕度的一個綜合指數，并不對等環境的真實溫度，當環境風速相同時，即使環境溫濕度存在差異，但只要有效溫度ET*相同，人體冷熱感也是相同的。

三、車站公共區熱環境分析

中方設計團隊按照中國規范對高架或地面站的通風空調室外空氣計算參數的定義，計算了開羅的通風空調室外計算參數。同時對比了基于ASHRAE 標準應采用的夏季供冷室外計算參數（1%不保證率條件下的制冷干/濕球溫度），可見若采用上述ASHRAE 標準體系下的供冷室外計算參數對本項目的通風系統設計是非常足夠的。

圖2 所示為成年男子穿著0.6clo 服裝在風速<0.15m/s 的環境靜坐1h 的體感舒適性特性線，其中35ET*為中暑的臨界線，也即監理來函中引用的相關論點。可知采用中國規范計算所得的夏季通風室外計算參數、ASHRAE 氣象參數中不保證率為0.4%和1%的設計參數均遠低于35ET*。圖中紫色圈點為開羅全年8760h 的室外空氣參數點，也均低于35ET*。

圖2 一定環境內人體熱舒適性特性線Fig. 2 Characteristic line for human thermal comfort in a certain environment

同時開羅氣候干燥，目前實測車站站廳風速常年＞1.5m/s（未開機械通風時的自然風速），且車站站廳和站臺公共區為過渡性空間，溫濕度、風速環境隨乘客所在位置的不同而存在差異，與圖2 的穩定溫濕度、風速環境明顯不同，乘客在車站公共區的停留時間預計為一個行車間隔，遠小于1 小時，以上實際條件均使得熱環境綜合指數向<32.5ET*偏移，站廳公共區采用合理的通風系統可滿足車站乘客所在熱環境＜35ET*。

根據ASHRAE 手冊，全年最高極端氣象干/濕球溫度主要用于設計設備和系統在一些關鍵和極端情況下的能力，使設備和系統在任何負荷工況下均能持續的運行和服務。重現期最高極端氣象干/濕球溫度代表了該極端氣象干/濕球溫度在該重現期內每年發生的概率。例如20年重現期的最高極端氣象干/濕球溫度（DB：45.1℃，WB：28.0℃），代表了該最高極端氣象干、濕球溫度在這20年的每一年發生或超過的概率為5%（即1/20）。

由于人體體溫調節機制對變化環境具有一定的動態適應性，根據美國運輸部對過渡空間熱舒適指標的研究，人體對過渡環境的調節時間為6 分鐘，大多數情況下的調節時間內，乘客已經完成進站乘車過程，采用最高極端氣象干/濕球溫度進行乘客熱環境設計條件調查忽視了人體體溫調節機制的動態適應性。同時重現期的極端氣象參數也只是呈現極端氣象參數在重現期各年可能發生的概率，并不代表發生的時長。

基于上述情形，聯合體機電部和設計項目部專家與業主和監理進行了多次函件溝通和會議磋商，最終確定夏季通風空調室外計算參數采用ASHRAE（0.4%不保證率）條件下的干/濕球溫度，站廳公共區采用5℃溫差進行機械通風系統的設計和校核。

四、結論和建議

通風空調室外計算參數是車站通風空調系統設計的基礎，對該參數過高或過低的估計，都會引起通風空調系統容量設計不合理。埃鐵項目熱環境計算參數分析表明：

（一）當通風空調室外計算參數不明確時，建議在對比國內規范理論方法的基礎上，依據ASHRAE 氣象參數，合理選取室外環境設計用計算參數。對埃及開羅，夏季空調室外計算溫度可采用：干球溫度36.9℃，濕球溫度21.5℃；夏季通風室外計算溫度可采用：干球溫度35.7℃，濕球溫度21.6℃。

（二）埃及開羅全年幾乎所有時間室外環境空氣參數點均低于35ET*，99.6%全年時間的室外環境空氣參數點低于33ET*，具備過渡空間屬性的車站公共區采用合理的通風系統可滿足車站乘客所在熱環境＜35ET*。