滿載情況下地鐵車廂乘客熱舒適性評(píng)價(jià)

趙 楠

(海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室，200011，上海//工程師)

地鐵車廂普遍存在人流量眾多、人員復(fù)雜和車廂內(nèi)空間相對(duì)擁擠的情況，尤其高峰時(shí)期上述情況更為嚴(yán)重，因此提高地鐵車廂乘客的舒適度這一問題亟待解決。

文獻(xiàn)[1]研究了空氣有規(guī)律地波動(dòng)與人體熱舒適度之間的關(guān)系，總結(jié)發(fā)現(xiàn)了新的舒適度影響因素，即空氣的波動(dòng)頻率和速度變化幅度。文獻(xiàn)[2]利用自制的動(dòng)態(tài)出風(fēng)裝置進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)裝置出風(fēng)頻譜越接近自然風(fēng)，受試者的熱舒適滿意度越高。文獻(xiàn)[3]顯示，當(dāng)風(fēng)扇的風(fēng)速不超過2 m/s時(shí)，可以顯著改善室內(nèi)的熱舒適度，但若風(fēng)速太大，則會(huì)產(chǎn)生相反的效果；同時(shí)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在28 ℃的環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)者也能感受到熱舒適，其條件就是將風(fēng)速提高到一定程度。文獻(xiàn)[4]通過投票實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)送風(fēng)可以顯著改善局部熱環(huán)境。文獻(xiàn)[5]表明，在相對(duì)濕度為50%的情況下，人體依然能夠通過提高風(fēng)速來提高舒適溫度上限。文獻(xiàn)[6]于1967年提出了聞名于世的熱舒適方程， 并綜合人體熱平衡方程及ASHRAE七點(diǎn)標(biāo)度，提出了預(yù)測(cè)平均投票數(shù)PMV(Predicted Mean Vote)指標(biāo)。該指標(biāo)考慮了空氣溫度、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，是目前最完善的熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，本文選用PMV指標(biāo)作為熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本文通過加載幅流風(fēng)機(jī)和改變送風(fēng)溫度，設(shè)計(jì)了3種不同工況，建立了1∶1的實(shí)車模型和人體模型，借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法研究送風(fēng)速度和溫度對(duì)滿載地鐵車廂乘客舒適度的影響。研究結(jié)論有助于合理調(diào)整空調(diào)出風(fēng)溫度和速度，進(jìn)而達(dá)到既舒適又節(jié)能的效果。

1 物理模型

以B型地鐵列車車廂作為研究對(duì)象，列車頂部有兩臺(tái)空調(diào)機(jī)組，采用對(duì)送的送風(fēng)方式，一臺(tái)機(jī)組位于一位端，另一臺(tái)機(jī)組位于二位端。機(jī)組的回風(fēng)口位于各個(gè)機(jī)組下部，負(fù)責(zé)將車內(nèi)的空氣送回空調(diào)機(jī)組。車廂左右兩側(cè)分別設(shè)置5排座椅，2個(gè)條縫型送風(fēng)口分別位于車頂左右兩側(cè)，風(fēng)口下方有導(dǎo)流板，負(fù)責(zé)將送風(fēng)引入車廂兩側(cè)的座椅處。本車廂采用的回風(fēng)方式為頂部集中回風(fēng)，每個(gè)機(jī)組下方均布置1個(gè)回風(fēng)口，回風(fēng)進(jìn)入機(jī)組下部風(fēng)道后，再次參與送風(fēng)循環(huán)。車廂內(nèi)剩余空氣則通過廢排風(fēng)道直接排向車外，廢排風(fēng)口布置在列車兩端頂板，每端布置2個(gè)，如圖1所示。

圖1 地鐵B型車車廂通風(fēng)設(shè)備布置示意圖

因車廂內(nèi)部在車體長(zhǎng)度方向上是對(duì)稱的，故取車體的一半作為本文的研究對(duì)象。由于計(jì)算車型的排風(fēng)和回風(fēng)是分開的，因此，車廂內(nèi)設(shè)置了送風(fēng)口、回風(fēng)口和排風(fēng)口，即物理模型的入口和出口。在車頂特定位置布置有3個(gè)幅流風(fēng)機(jī)安裝處，為減小列車震動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)的影響，結(jié)構(gòu)之間安裝有避震保護(hù)裝置。本文旨在研究滿載時(shí)風(fēng)速和溫度對(duì)地鐵車廂內(nèi)乘客舒適度的影響，因此車廂內(nèi)共有232人，其中36人有座，196人站立。

幅流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處設(shè)置有送風(fēng)格柵，幅流風(fēng)機(jī)向下吹風(fēng)，經(jīng)過格柵進(jìn)行風(fēng)向的分列，用來增強(qiáng)吹風(fēng)作用效果。扇葉長(zhǎng)1.1 m，直徑為8 cm，蝸殼上部開設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，下部平面處為出風(fēng)口。蝸殼以扇葉圓柱中心線為軸做來回圓弧擺動(dòng)，使得出風(fēng)口的位置不斷變化，進(jìn)而形成“掃風(fēng)”的過程。

2 數(shù)值計(jì)算模型

本文采用RNGk-ε湍流模型和 SIMPLE數(shù)值計(jì)算算法，選用二階迎風(fēng)(Second Order Upwind)差分格式的離散格式和標(biāo)準(zhǔn)的壓力插值格式來對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。目前，針對(duì)人體散熱計(jì)算模型的研究主要分為一節(jié)點(diǎn)模型、二節(jié)點(diǎn)模型、多節(jié)點(diǎn)模型和多元模型等。一節(jié)點(diǎn)模型把人體簡(jiǎn)化為一個(gè)熱源，通過人體表面與環(huán)境的換熱來達(dá)到熱平衡，該模型較簡(jiǎn)單，亦得到廣泛應(yīng)用。本文主要研究地鐵列車內(nèi)流場(chǎng)的分布，以及評(píng)價(jià)車廂內(nèi)乘客的舒適度，因此，選擇一節(jié)點(diǎn)模型作為自定義人體模型的理論基礎(chǔ)，且計(jì)算模型采用輻射條件下的第二類邊界條件。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

數(shù)值計(jì)算分為以下3個(gè)工況，分別為：

(1)工況一：無幅流風(fēng)機(jī)且空調(diào)出風(fēng)溫度為20 ℃的靜態(tài)工況，研究?jī)H有進(jìn)排風(fēng)作用下的滿載地鐵車廂的風(fēng)速分布情況；

(2)工況二：開啟幅流風(fēng)機(jī)且空調(diào)出風(fēng)溫度為20 ℃的動(dòng)態(tài)工況，研究幅流風(fēng)機(jī)對(duì)滿載地鐵車廂風(fēng)速分布的影響；

(3)工況三：開啟幅流風(fēng)機(jī)且空調(diào)出風(fēng)溫度為22 ℃的動(dòng)態(tài)工況，研究提高送風(fēng)溫度對(duì)幅流風(fēng)機(jī)作用的影響。

3.1 速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

圖2為工況一時(shí)滿載地鐵車廂截面的風(fēng)速分布云圖。由圖2可知，當(dāng)?shù)罔F車廂滿載時(shí)，不同位置的風(fēng)速大小區(qū)別較為明顯，即風(fēng)速不均勻度增大。同樣，因車廂內(nèi)乘客人數(shù)較多，從頂部吹出的風(fēng)受到阻礙，難以到達(dá)下部即座位上的乘客位置。

圖2 工況一時(shí)滿載地鐵車廂截面的風(fēng)速分布云圖

圖3顯示了工況二時(shí)，幅流風(fēng)機(jī)作用下的滿載地鐵車廂截面半個(gè)周期的風(fēng)速分布云圖。由圖3可以清楚地看出，幅流風(fēng)機(jī)在由7 s向左下方吹風(fēng)轉(zhuǎn)換到23 s向右下方吹風(fēng)的整個(gè)變化過程中時(shí)，最大風(fēng)速出現(xiàn)在幅流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處，約為2.8 m/s，當(dāng)靠近人體區(qū)域時(shí)，風(fēng)速已經(jīng)減弱到2 m/s以下，截面平均風(fēng)速約為0.50 m/s，符合人體舒適性要求。

圖4顯示的是工況三時(shí)滿載地鐵車廂截面半個(gè)周期的風(fēng)速分布云圖，該云圖與圖3無太大區(qū)別，最大風(fēng)速位置出現(xiàn)在幅流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口，約為2.8 m/s，截面平均風(fēng)速為0.51 m/s，符合人體舒適性要求。

對(duì)比工況一和工況二可以發(fā)現(xiàn)，幅流風(fēng)機(jī)可以有效地?cái)_動(dòng)滿載地鐵車廂內(nèi)的氣流，能將空調(diào)出風(fēng)更加均勻地送至“氣流死區(qū)”。而對(duì)于工況二和工況三，即有幅流風(fēng)機(jī)的兩個(gè)工況，在幅流風(fēng)機(jī)的作用下車廂內(nèi)的風(fēng)速度分布幾乎無區(qū)別，最大風(fēng)速均出現(xiàn)在幅流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處，風(fēng)速約為2.8 m/s，截面平均風(fēng)速約為0.5 m/s。

3.2 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

無幅流風(fēng)機(jī)時(shí)滿載地鐵車廂截面的溫度云圖，如圖5所示。因無冷風(fēng)直吹作用，且廢排風(fēng)口在其附近，故車廂中部的熱量通過該處排出，造成這個(gè)位置的溫度較其他部位高。由于乘客密度增大，人體之間的輻射熱量增多，造成人體附近的溫度進(jìn)一步升高，最高溫度大約為38 ℃。

a) 7 sb) 15 sc) 23 s

圖3 工況二時(shí)滿載地鐵車廂截面半個(gè)周期的風(fēng)速分布云圖

圖4 工況三時(shí)滿載地鐵車廂截面半個(gè)周期的風(fēng)速分布云圖

圖5 工況一時(shí)滿載地鐵車廂截面的溫度分布云圖

圖6為工況二時(shí)滿載地鐵車廂截面半個(gè)周期的溫度分布云圖。由圖6可知，在幅流風(fēng)機(jī)作用的半個(gè)周期內(nèi)，該截面的溫度變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，冷空氣在幅流風(fēng)機(jī)的擾動(dòng)下吹向車廂內(nèi)各個(gè)區(qū)域。車廂截面最高溫度出現(xiàn)在人體附近，約為37 ℃。當(dāng)出風(fēng)溫度提高到22 ℃時(shí)，滿載地鐵車廂截面的溫度云圖如圖7所示。由圖7可知，與工況二相比，工況三的平均溫度稍高，為27.81 ℃，其溫差基本與出風(fēng)溫差相符。由此可知，在上述客流密度下，當(dāng)出風(fēng)溫度為22 ℃時(shí)，乘客會(huì)感覺稍許悶熱。幅流風(fēng)機(jī)的掃風(fēng)會(huì)擾動(dòng)原來的冷風(fēng)流動(dòng)，增加冷風(fēng)的作用域，降低被作用部位的表面溫度。比較工況二和工況三的溫度分布圖可知，當(dāng)，出風(fēng)溫度為20 ℃時(shí)，滿載地鐵車廂內(nèi)的平均溫度更符合人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)。與工況一進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，平均溫度降低了0.3 ℃，說明幅流風(fēng)機(jī)的擾動(dòng)降溫效果較明顯。

a) 7 sb) 15 sc) 23 s

圖6 工況二時(shí)滿載地鐵車廂截面半個(gè)周期的溫度分布云圖

圖7 工況三時(shí)滿載地鐵車廂截面半個(gè)周期的溫度分布云圖

3.3 PMV指標(biāo)計(jì)算結(jié)果分析

圖8為各工況下滿載地鐵車廂截面的PMV指標(biāo)分布云圖。由圖8a)可知，工況一除出風(fēng)口處PMV值小于0(約為 1.5)外，其余部位PMV值幾乎都大于0，PMV值最大的部位靠近人體附近，其值達(dá)到3.0，尤其靠近廢排風(fēng)口端，由于該部位無出風(fēng)口的直接作用，同時(shí)高溫廢氣多經(jīng)過該區(qū)域排向廢排風(fēng)口，造成該部位PMV值超高，因此該部位的乘客體感尤其差。

a) 工況1

b) 工況2

c) 工況3

圖8 滿載地鐵車廂截面的PMV指標(biāo)分布云圖

當(dāng)出風(fēng)溫度為20 ℃時(shí)，滿載地鐵車廂工況下的PMV值更趨近于零值，且整個(gè)截面PMV值的均勻度較高，由于該工況出風(fēng)溫度較低，同時(shí)乘客數(shù)量多且散熱量大，使得熱量平衡之后乘客的舒適度為最佳。當(dāng)出風(fēng)溫度為22 ℃時(shí)，滿載地鐵車廂工況下，因乘客散熱量大且車廂內(nèi)溫度較高而導(dǎo)致PMV值偏大，尤其是廢排風(fēng)口一側(cè)車廂的PMV值約為2.5，該部位雖有幅流風(fēng)機(jī)擾動(dòng)，卻使得PMV值的整體均勻度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無幅流風(fēng)機(jī)作用的情況，但依舊難以克服因溫度較高而為乘客帶來的不舒適感。

4 結(jié)論

本文采用CFD數(shù)值模擬方法，通過有無加載幅流風(fēng)機(jī)對(duì)滿載地鐵車廂乘客的舒適性進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)工況的數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在幅流風(fēng)機(jī)開啟、空調(diào)出風(fēng)溫度為20 ℃的動(dòng)態(tài)工況(即工況二)下，乘客的舒適度最佳；在幅流風(fēng)機(jī)開啟、空調(diào)出風(fēng)溫度為22 ℃的動(dòng)態(tài)工況(即工況三)下，乘客的舒適度亦表現(xiàn)較佳。因此可知，幅流風(fēng)機(jī)對(duì)地鐵車廂的舒適度具有一定的改善作用，同時(shí)亦需綜合匹配多方因素才能使乘客舒適度達(dá)到最優(yōu)。研究成果可對(duì)實(shí)際工程的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。