武漢地鐵3號線列車車廂內環境實測調查及熱舒適性分析

朱圣瑞 段洪亮 劉 健 康 偉* 王國強 尤立偉

(1.武漢地鐵集團建設事業總部，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)

經過近二十年的發展，我國城市軌道交通車輛空調系統從無到有，技術得到了長足的發展和進步。然而，受車輛結構和車廂空間限制，車輛空調送風風速過高，乘客在送風格柵下部站立時頭部有冷風感，這已成為城市軌道車輛空調系統的一個技術問題[2]。武漢地鐵首次在地鐵3號線列車空調系統中采用了頂部孔板與側送風口相結合的新型送風方式，本文通過測試結果及數值模擬仿真分析這種新型送風方式下車廂內的熱舒適環境。

1 車廂內環境測試分析

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車廂，選取該車廂 1/4 作為實測區域。車廂內測點布置如圖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)，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速。測試時間為8：00—10:00，溫濕度自記儀布點采樣；風速測量儀測量三組X、Y、Z截面上各測點的風速，對測試結果進行矢量求和，再將三組測量結果做算術平均。表1為測試儀器的性能參數表。

圖1 車廂內測點布置示意圖

表1 測試儀器性能參數表

1.2 車廂內環境評價體系

1)GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術條件》的12.1項規定，在環境溫度為33 ℃時，車輛空調制冷能力應能滿足：車廂內溫度不高于(28±1)℃,相對濕度不超過65%。不同地區可根據當地氣候條件在合同中另行規定溫度要求[3]。

2)TB 1951—1987《客車空調設計參數》規定，車廂內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，推薦車輛空調送、回風口處風速為1～3 m/s，車廂內微風速不超過0.35 m/s[4]。

1.3 車廂內溫度分析

武漢地鐵3號線車輛空調采用中頂孔板與側送風口送風，車廂內側送風口平均溫度為23.97 ℃，回風口溫度為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。實測數據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位置，約為24.10 ℃，最低溫度約為23.48 ℃。

綜上所述，車廂內的溫度分布比較均為，溫差小于2 ℃，基本滿足地鐵列車空調系統設計的舒適性要求。

1.4 車廂內濕度分析

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，到門區之后開始下降。相對濕度最高點位于門區Y=0.5 m截面處，為42.08%；相對濕度最低點位于第二個門區Y=2.1 m處,為27.4%；大部分區域的相對濕度在33%以上。按照 UIC 553 —2017《客車通風采暖和空調》相關規定：當車廂內溫度為20～27 ℃時,相對濕度應保持在35%～65%之間。武漢地鐵3號線列車車廂內環境總體符合要求。

1.5 車廂內風速分析

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

圖5 X截面的風速分布圖

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

2 數值模擬仿真分析

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)；車廂分為座椅區和門區兩部分；車廂內部設2排座椅，每排座椅限定6人乘坐。采用非結構四面體網格劃分流場，最大網格節點約為80 mm，最小網格節點約為5 mm。

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

2.2 邊界條件的設置

1)根據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確定車廂內各部分的熱流密度。

2)計算時，設定風機主風口風速為8 m/s。氣流在風道進行分流，最終由中頂板下孔板及側送風口送入車廂內。夏季送風溫度均為19 ℃，室外環境溫度為35 ℃。

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

2.3 車廂內舒適性數值模擬結果分析

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，分別對應為Height-1截面和Height-2截面。

引入PMV(預測平均評價)和PPD(預測不滿意百分比)指標對車廂內的舒適度進行評價。PMV指標就是引進反應人體熱平衡偏離程度的人體熱負荷(TL)而得出的，其理論依據是當人體處于穩態的熱環境下時，人體的熱負荷越大，人體偏離熱舒適的狀態就越遠[5]。

2.3.1 PMV指標分析

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；車廂中間區域PMV值基本在-1～1之間，門區附近站立區PMV值在1左右；座椅區靠近壁面PMV值明顯低于其他區域，基本達到-3，因此人體感覺冷。

2.3.2 PPD指標分析

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，座椅區的PPD值最大。車廂中間站立區乘客及坐姿區乘客的不滿意度低于10%,占比較大，因此車廂整體環境可以滿足大多數乘客的舒適性要求。由圖9可以看出：在Height-2截面，車廂門區中心線至兩側壁面局部區域的PPD值在50%以上。在車廂門區站立區附近，乘客的不滿意度相對較高；乘客熱舒適性較低區域靠近壁面處的非乘客區域，在壁面處的有乘客區域，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 結論

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

1)從實測結果來看：車廂內任意兩點的溫差不超過相關規范規定的范圍，并且溫度較為均勻，基本在23.0～24.3 ℃范圍內波動；在中間乘客站立區，風速基本在0.35 m/s左右，靠近側送風口及回風口附近的風速會偏大。

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