地鐵強冷和弱冷車廂的人體舒適率分析

陳 陽 臧建彬 王 濤 陳廣旭

(1.上海電力大學(xué)能源與機械工程學(xué)院, 200090, 上海; 2.同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院, 200092, 上海∥第一作者, 碩士研究生)

地鐵以其占地少、運量大、運行速度快、環(huán)境污染小和乘坐方便舒適等特點,已成為各大城市中人們出行、上班最理想的交通方式。同時,地鐵的日常運營也表現(xiàn)出許多不足之處,如車廂內(nèi)的溫度過高或過低,乘客明顯感覺到很冷或很熱等情況時有發(fā)生,尤其是在夏季高溫天氣,車廂內(nèi)的溫度冷熱不均成為了地鐵乘客反映最多的問題[1]。在實際運營中,由于不同乘客的體感溫度和所站位置有所不同,乘客對地鐵溫度的感受也不盡相同。針對此現(xiàn)象,在2019年6月,北京地鐵6號線車廂空調(diào)采取“同車不同溫”的設(shè)定模式,在地鐵車廂內(nèi)新設(shè)了冷熱區(qū),乘客可按需選擇車廂乘車。

近年來,已有學(xué)者對地鐵乘客的乘坐舒適性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]對地鐵空調(diào)系統(tǒng)及客室內(nèi)流場數(shù)值進(jìn)行了分析,獲得了客室流場溫度與速度的分布規(guī)律。文獻(xiàn)[3]對地鐵列車的氣流進(jìn)行了模擬,并用ADPI(空氣分布特性指標(biāo))對乘客舒適性進(jìn)行了評價。但以上研究中地鐵車廂的空調(diào)送風(fēng)溫度均相同,未涉及不同空調(diào)送風(fēng)溫度問題,且未考慮乘客新陳代謝率與熱環(huán)境人體舒適率之間的關(guān)系。鑒于此,本文對地鐵強冷和弱冷車廂的環(huán)境溫度進(jìn)行了實車測試,在實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對地鐵車廂進(jìn)行建模和熱環(huán)境仿真計算,并以車廂內(nèi)典型截面為例,分析強代謝率乘客與弱代謝率乘客在不同環(huán)境溫度內(nèi)的PMV(預(yù)測平均評價)熱舒適性指標(biāo)。本文研究可為地鐵日常運營中提高乘客舒適度提供參考依據(jù)。

1 地鐵車廂環(huán)境溫度實測與分析

夏季工況下,西安地鐵3號線及4號線,長沙地鐵1號線、2號線、3號線、4號線及5號線均實行“同車不同溫”的地鐵車廂溫度控制方案。對這幾條線路的地鐵車廂溫度進(jìn)行現(xiàn)場測量,對比分析這7條線路強冷和弱冷車廂的環(huán)境溫度,如表1所示。所用測試儀器為Testo 175H1溫濕度記錄儀,其溫度量程為-20～60 ℃,測量精度為0.1 ℃;濕度量程為1%RH,測量精度為1%RH。

表1 7條地鐵線路強冷和弱冷車廂溫度對比

由表1可知,強冷車廂內(nèi)的溫度在23 ℃左右,弱冷車廂內(nèi)的溫度在26 ℃左右,同一地鐵線路的弱冷車廂與強冷車廂的溫度差約為3 ℃,其中強冷車廂和弱冷車廂內(nèi)的溫度最大值與最小值均相差約2～3 ℃。這說明地鐵車廂內(nèi)的環(huán)境溫度有著較大程度的變化,不僅強冷車廂和弱冷車廂的溫度相差約3 ℃,同一節(jié)車廂內(nèi)的環(huán)境溫度也有2～3 ℃左右的上下浮動。

2 車廂模型及邊界條件

2.1 車廂模型

對地鐵列車車廂進(jìn)行建模,車廂模型主要分為座椅區(qū)和門區(qū)。車廂中部長為4.2 m,寬為2.7 m,車廂地板距離客室頂板2.1 m。車廂內(nèi)部設(shè)有2排座椅,位于座椅區(qū)左右兩側(cè),每排座椅限坐6人。以AW2(滿座+6人/m2,額定載荷)工況為例進(jìn)行模擬計算,客室內(nèi)人員密度為站立區(qū)6人/m2、座椅6人/排。三維車廂模型示意圖如圖1所示。

圖1 三維車廂模型示意圖

采用ICEM軟件中的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格對流場區(qū)域進(jìn)行劃分,最大網(wǎng)格邊長約為150.0 mm,最小網(wǎng)格邊長約為2.5 mm。模擬時,車廂模型劃分了兩種數(shù)量的網(wǎng)格模型,分別為9×106個網(wǎng)格和2×107個網(wǎng)格。通過計算可知,兩種網(wǎng)格數(shù)量均符合模擬計算要求。在保證計算精度的前提下,同時考慮計算周期,最終選取的網(wǎng)格數(shù)量為9×106個。

2.2 模型假設(shè)

文獻(xiàn)研究表明,采用RNG(重整化群)k-ε湍流模型與SIMPLE算法的模擬結(jié)果與車內(nèi)實際熱環(huán)境具有較高的吻合,能夠滿足模擬的準(zhǔn)確性[4-5]。根據(jù)SIMPLE算法作如下假設(shè):①車廂內(nèi)空氣為不可壓縮氣體,且符合Boussinesq假設(shè);②車廂內(nèi)的氣體流動為穩(wěn)態(tài)湍流;③流場內(nèi)流體的湍流黏性各向同性,且具有高雷諾數(shù);④不考慮漏風(fēng)影響,車廂內(nèi)氣密性良好。

2.3 邊界條件

1) 以送風(fēng)口作為計算入口邊界,風(fēng)速設(shè)定為1.173 m/s,速度方向垂直于入口邊界面。

2) 以回風(fēng)口作為計算出口邊界,回風(fēng)口的壓力設(shè)定為0,外界壓強為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3) 第1個工況設(shè)置送風(fēng)溫度為16 ℃,之后每個工況的送風(fēng)溫度均比前1個工況增加1 ℃。

4) 車廂墻壁的傳熱系數(shù)為2.4 W/(m2·K),在模擬計算中采用第二類邊界條件,設(shè)置邊界條件熱流密度,車廂兩端截面設(shè)置為絕熱面。

5) 座椅下方回風(fēng)孔板采用多孔跳躍模型,設(shè)置黏性阻力系數(shù)為1.12×10-4,慣性阻力系數(shù)為14.05。

3 車廂內(nèi)典型截面處的人體舒適度分析

3.1 舒適性指標(biāo)

PMV指標(biāo)表征人體熱反應(yīng)的評價指標(biāo),即PMV正值越大,人體就感覺越熱;PMV負(fù)值越大,人體就感覺越冷。PMV熱感覺標(biāo)尺如表2所示。為了研究車內(nèi)環(huán)境舒適性分布情況,在車廂典型位置建立剖切平面,通過分析該平面上的速度和溫度分布情況,研究整個地鐵車廂內(nèi)部的流場分布情況。對于人體而言,對于冷熱感覺最為敏感的部位是人體頭部。為直觀而有針對性地對客室PMV情況進(jìn)行分析,根據(jù)UIC 553:2004《客車的通風(fēng)、采暖和空調(diào)》的規(guī)定,選取距車廂底部1.1 m高度處的列車截面(該截面對應(yīng)坐姿乘客頭部位置),以及距車廂底部1.7 m高度處的列車截面(該截面對應(yīng)站姿乘客頭部位置)進(jìn)行研究。

表2 PMV熱感覺標(biāo)尺

3.2 乘客新陳代謝率

新陳代謝率對人體熱感覺有較大程度的影響。

若人體新陳代謝率高,則人體達(dá)到最舒適狀態(tài)時所需的溫度就較低;若人體新陳代謝率低,則人體達(dá)到最舒適狀態(tài)時所需的溫度就較高。人體的新陳代謝率受到種族、年齡、性別、身體成分、形體、營養(yǎng)狀態(tài)、疾病和內(nèi)分泌等因素的影響。隨著年齡的增長。人體的新陳代謝率逐漸降低,同時女性的新陳代謝率要低于男性的新陳代謝率。由于列車運動、人員擁擠及各種心理因素的影響,列車內(nèi)乘客的新陳代謝率要高于建筑內(nèi)正常靜坐者的新陳代謝率。模擬時,列車內(nèi)成年男性乘客的新陳代謝率M取為70 W/m2,記為強代謝率乘客;婦女和老人的新陳代謝率取為56 W/m2,記為弱代謝率乘客。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過模擬獲得的各工況下4個典型位置處的溫度如表3所示,其中:底部回風(fēng)口的風(fēng)量占總回風(fēng)量的82%;頂部回風(fēng)口的回風(fēng)量占總回風(fēng)量的18%。

表3 各工況下4個典型位置處的溫度

通過Fluent軟件計算可以獲得1.1 m高度截面與1.7 m高度截面下車廂環(huán)境的PMV值。2種新陳代謝率下,選取4種車廂環(huán)境PMV分布情況浮動較大的典型工況進(jìn)行分析,如圖2所示。根據(jù)GB/T 18049—2020《中等熱環(huán)境 PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》推薦的舒適要求,PMV處于-0.5～0.5的熱環(huán)境屬于舒適的熱環(huán)境。

a) 工況1

由圖2 a)可以知道:環(huán)境中的PMV主要處于-1.5～0.5,此時強代謝率乘客與弱代謝率乘客均感覺偏涼;對于強代謝率乘客而言,該環(huán)境中PMV為-0.5～0的比例為17%,PMV為0～0.5的比例為22%,車內(nèi)舒適率為39%;對于弱代謝率乘客而言,該環(huán)境中PMV為-0.5～0的比例為22%,PMV為0～0.5的比例為11%,車內(nèi)舒適率為33%。

隨著送風(fēng)溫度的提高,車內(nèi)環(huán)境溫度逐漸升高,環(huán)境中的PMV在-0.5～0.5所占的比例也越來越高。由圖2 b)可知:工況3下,強代謝率乘客的舒適感最佳,該環(huán)境中的PMV為-0.5～0的比例為16%,PMV為0～0.5的比例為25%,車內(nèi)舒適率為41%,達(dá)到最高值;對于弱代謝率乘客而言,該環(huán)境中的PMV為-0.5～0的比例為20%,PMV為0～0.5的比例為18%,車內(nèi)舒適率為38%,相比工況1有所提高,但還未達(dá)到最高值。

由圖2 c)可知:工況6下,弱代謝率乘客的舒適感最佳,該環(huán)境中的PMV為-0.5～0的比例為21%,PMV為0～0.5的比例為21%,車內(nèi)舒適率為42%,達(dá)到最高值;強代謝率乘客的舒適率有所下降,該環(huán)境中的PMV為-0.5～0的比例為18%,PMV為0～0.5的比例為18%,車內(nèi)舒適率為36%。

由圖2 d)可知:工況9的車內(nèi)環(huán)境溫度較高,該環(huán)境中的PMV主要為0.5～1.5,此時強代謝率的乘客與弱代謝率的乘客均感覺偏暖,強代謝率乘客和弱代謝率乘客的車內(nèi)舒適率均有所降低。

分析每個工況的車內(nèi)舒適率與回風(fēng)口溫度(以回風(fēng)口溫度表征車廂內(nèi)環(huán)境溫度)之間的關(guān)系,可以獲得強代謝率乘客和弱代謝率乘客在不同車內(nèi)溫度下的車內(nèi)舒適率情況,如圖3所示。

圖3 強代謝率和弱代謝率乘客在不同回風(fēng)口 溫度下的車內(nèi)舒適率

由圖3可知:①當(dāng)回風(fēng)口溫度為20.7～22.0 ℃時,強代謝率乘客的車內(nèi)舒適率較高;當(dāng)回風(fēng)口溫度為22.0 ℃時,車內(nèi)強代謝率乘客的舒適率達(dá)到最高值,此時車內(nèi)舒適率為41%。隨著回風(fēng)口溫度的升高,強代謝率乘客的車內(nèi)舒適率開始下降。②當(dāng)回風(fēng)口溫度為23.0～24.3 ℃時, 弱代謝率乘客的車內(nèi)舒適率較高;當(dāng)回風(fēng)口溫度為24.3 ℃時,車內(nèi)弱代謝率乘客的舒適率達(dá)到最高值,此時車內(nèi)舒適率為42%。

4 結(jié)語

本文基于實車測試獲得了地鐵強冷和弱冷車廂的溫度分布規(guī)律。強冷車廂內(nèi)的溫度約為23 ℃,弱冷車廂內(nèi)的溫度約為26 ℃,強冷和弱冷車廂的溫度相差約為3 ℃,且同一節(jié)車廂內(nèi)的溫度也有2～3 ℃的上下浮動。通過數(shù)值模擬設(shè)定不同空調(diào)送風(fēng)溫度,分析地鐵列車在夏季AW2工況下乘客的舒適率情況。模擬結(jié)果表明,強代謝率乘客在20.7～22.0 ℃溫度范圍內(nèi)的舒適率較高,在22.0 ℃時的舒適率達(dá)到最高,車內(nèi)舒適率為41%。隨著車內(nèi)溫度的升高,強代謝率乘客的舒適率開始下降。弱代謝率乘客在23.0～24.3 ℃溫度范圍內(nèi)的舒適率較高,在24.3 ℃的舒適率達(dá)到最高,車內(nèi)舒適率為42%。本文針對不同新陳代謝率的乘客,分別研究了其在強冷和弱冷車廂內(nèi)的舒適率情況,彌補了強冷和弱冷車廂空調(diào)溫度設(shè)定經(jīng)驗的不足,可為強冷和弱冷車廂的空調(diào)溫度設(shè)定提供借鑒與參考。