徐州地鐵環(huán)控系統(tǒng)溫度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定

段 飛

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

地鐵建設(shè)作為國家基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成部分在近年來取得了快速發(fā)展，在很大程度上改變了人們的固有生活方式，前景十分廣闊[1]。地鐵環(huán)控系統(tǒng)類似于人體的“呼吸系統(tǒng)”，地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要保證外部氣象條件、站外環(huán)境參數(shù)及站內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一，形成一個(gè)整體。乘客沿道路、出入口通道，站廳層，站臺(tái)層，車廂內(nèi)這一順序進(jìn)站并反向車站的過程，通過人體新陳代謝的調(diào)節(jié)機(jī)理建立新的熱平衡，避免熱感覺出現(xiàn)較大的瞬時(shí)波動(dòng)。因此，如何確定這些中間過程的溫度標(biāo)準(zhǔn)、尤其是站廳層和站臺(tái)層溫度標(biāo)準(zhǔn)就顯得尤為重要，這一點(diǎn)成為地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度指標(biāo)的核心內(nèi)容。

1 地鐵環(huán)控系統(tǒng)熱舒適評(píng)價(jià)方法

1.1 熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

文獻(xiàn)[2]和[3]的研究結(jié)果表明，乘客進(jìn)出站的在時(shí)間維度上實(shí)際上是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的新陳代謝過渡期，乘客的體感及舒適性時(shí)刻處于變化之中，因此PMV評(píng)價(jià)指標(biāo)和SET*評(píng)價(jià)指標(biāo)并不適用于這一非穩(wěn)態(tài)過程，而RWI指標(biāo)表征動(dòng)態(tài)變化的熱舒適性，十分契合地鐵乘客進(jìn)出站的過程變化，故本研究采用RWI指標(biāo)來評(píng)價(jià)地鐵熱舒適性。

1.2 相對熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)學(xué)模型

文獻(xiàn)[4]給出了RWI指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中：M為新陳代謝率，Btu/(h·ft2)；Icw、Ia分別為著裝熱阻和空氣邊界層熱阻，clo；t為空氣干球溫度，℃；R為除與室溫相同的墻壁外，平均外界輻射熱，Btu/(h·ft2)；P為空氣中水蒸氣分壓力，kPa。

文獻(xiàn)[5]給出了RWI值的表征特性，如下表所示：

表1 設(shè)計(jì)工況下乘車過程RWI值

2 徐州地區(qū)氣象參數(shù)

徐州市位于東經(jīng)117.09°、北緯34.17°的位置，屬于寒冷地區(qū)。徐州地鐵1號(hào)線為東西向骨干線，線路貫穿城市東西發(fā)展主軸，全長約29.1 km。徐州市部分氣象參數(shù)如下：

徐州市大氣壓力：夏季100.08 kPa；冬季102.21 kPa

徐州市t干= 31.7 ℃

徐州市t濕= 26.3 ℃

徐州市地鐵列車車廂內(nèi)干球溫度定為：27.0 ℃，相對濕度定為：40%～65%

3 采用RWI指標(biāo)確定徐州地鐵環(huán)控設(shè)計(jì)溫度標(biāo)準(zhǔn)

3.1 地鐵公共區(qū)設(shè)計(jì)溫度的確定

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50175—2013)[6]13.2.14(2)規(guī)定：“當(dāng)車站采用空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，空調(diào)室外空氣計(jì)算干球溫度高出公共區(qū)的空氣計(jì)算溫度2～3 ℃，且不應(yīng)超過30 ℃；站臺(tái)公共區(qū)的空氣計(jì)算溫度應(yīng)低于站廳的空氣計(jì)算溫度1～2 ℃，相對濕度均應(yīng)為40%～70%”，這種空氣狀態(tài)下水蒸氣分壓力基本處于2.269 kPa以下[7-8]，故可根據(jù)式(2)對RWI值進(jìn)行計(jì)算。

站廳層公共區(qū)溫度不應(yīng)超過30 ℃，是根據(jù)地鐵的特點(diǎn)制定的。同時(shí)根據(jù)北京地鐵車站長期觀察數(shù)據(jù)，車站的溫度超過30 ℃時(shí)，工作人員、乘客都感覺到很不舒適，悶熱難受。因此，可以把30 ℃作為站廳層公共區(qū)的上限設(shè)計(jì)溫度來考慮。

根據(jù)規(guī)范的要求，室外計(jì)算溫度要高出公共區(qū)的設(shè)計(jì)溫度2～3 ℃，這一準(zhǔn)則是根據(jù)乘客在進(jìn)入車站內(nèi)的熱舒適感覺不能比在室外還差這一原則計(jì)算確定的，詳細(xì)來說，可將乘客站廳買票時(shí)的RWI值和室外RWI值相等時(shí)的站廳溫度作為站廳層設(shè)計(jì)溫度的上限。

徐州地區(qū)空調(diào)室外計(jì)算溫度為31.7 ℃，因此，可以先假定徐州地鐵環(huán)控設(shè)計(jì)溫度為29.7 ℃，地鐵車廂內(nèi)溫度取27 ℃，計(jì)算得到表2。

表2 設(shè)計(jì)工況下乘車過程RWI值

從表2可以看出，乘客從站外進(jìn)入站廳層公共區(qū)，RWI值下降并不十分明顯，內(nèi)外溫差僅為2 ℃，說明乘客進(jìn)入站廳層獲得的冷感覺有限，會(huì)出現(xiàn)一些不舒適的感覺，對于一個(gè)新開地鐵線路的城市來說，這顯然是不可接受的，另外，選擇29.7 ℃這一待一位小數(shù)的數(shù)值作為設(shè)計(jì)指標(biāo)也不十分合適。根據(jù)地鐵熱力標(biāo)準(zhǔn)的制定原則，地鐵應(yīng)該比其他公共交通工具，例如公共汽車、出租車、輪船等更加舒適，才能夠保證足夠的客源，地鐵建設(shè)才能有其存在的價(jià)值和意義；待建地鐵應(yīng)該比某城市已開通的地鐵更加舒適，或者保持一樣的舒適程度，這樣才能體現(xiàn)出地鐵建設(shè)的與時(shí)俱進(jìn)及持續(xù)的發(fā)展性，因此，筆者選取了國內(nèi)(主要是南方地區(qū))一些代表性城市的環(huán)控溫度設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算后數(shù)據(jù)列于表3。

由表3可以看出，五城市內(nèi)外RWI差值最小為0.0269，比表1中的0.0214大；溫差最小為2.2 ℃，也大于表1中的2 ℃，這說明，如果徐州市站廳層公共區(qū)采用29.7 ℃的設(shè)計(jì)溫度，則乘客從室外進(jìn)入車站站廳層公共區(qū)的舒適感要比其他城市差一些，這顯然不符合設(shè)計(jì)初衷。為提高舒適度，顯然站廳層公共區(qū)設(shè)計(jì)溫度一定要低于29.7 ℃。筆者認(rèn)為，選取此五個(gè)城市站外與站廳RWI差值的平均值作為目標(biāo)值是合適的，經(jīng)計(jì)算內(nèi)外RWI差值的平均值為-0.03675，據(jù)此計(jì)算出站廳公共區(qū)溫度為29.14 ℃，取整為29 ℃。因此，從舒適性的角度考慮，徐州地鐵站廳層公共區(qū)的設(shè)計(jì)溫度定為29 ℃ 是比較合適的。另外，由表2可以看出，站廳與站臺(tái)RWI差值的變化具有規(guī)律性，當(dāng)徐州地鐵站廳與站臺(tái)RWI差值取-0.0129時(shí)，可計(jì)算出徐州站臺(tái)層公共區(qū)設(shè)計(jì)溫度為28 ℃；若取-0.0403時(shí)，站臺(tái)層公共區(qū)設(shè)計(jì)溫度為27 ℃。因此，為滿足環(huán)控系統(tǒng)控制及取整的要求，同時(shí)為保證乘客從站臺(tái)層公共區(qū)進(jìn)入地鐵車廂(車廂內(nèi)設(shè)計(jì)溫度一般為27 ℃)時(shí)還能獲得一定程度的舒適感，徐州地區(qū)站臺(tái)層公共區(qū)設(shè)計(jì)溫度選擇28 ℃是比較合適的，也滿足規(guī)范要求。

表3 國內(nèi)代表性城市環(huán)控設(shè)計(jì)溫度及RWI值

3.2 乘客進(jìn)出站過程熱舒適性分析

表4為上述設(shè)計(jì)溫度下乘客進(jìn)出站RWI值變化情況。總體來說，乘客從室外到上車的過程中，RWI值逐漸減小，意味著乘客正在逐步獲得舒適感，只是在乘客站廳購票時(shí)，RWI有小范圍的增大，這主要是由于乘客運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的突變(從運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)靜止)、人體大量排汗而又難以蒸發(fā)排出體外、服裝熱阻增大所導(dǎo)致的，表現(xiàn)為熱不舒適；乘客從下車到出到室外的過程則剛好與之相反，意味著乘客正在逐步變的不舒適。從乘客的熱感覺變化分析，徐州地鐵環(huán)控系統(tǒng)站廳29 ℃、站臺(tái)28 ℃的溫度設(shè)計(jì)指標(biāo)是合適的。

表4 設(shè)計(jì)工況下乘車過程RWI值

環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度直接和能耗相關(guān)，在滿足熱舒適要求的前提下，盡可能的提高設(shè)計(jì)溫度可以有效的減小環(huán)控系統(tǒng)的能耗及設(shè)備容量，站廳設(shè)計(jì)溫度每升高1 ℃，空調(diào)能耗預(yù)計(jì)增加5%左右。根據(jù)本文的研究結(jié)果，徐州地區(qū)采用站廳29 ℃、站臺(tái)28 ℃的溫度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不僅滿足乘客進(jìn)出站的熱舒適要求，同時(shí)也考慮了耗能程度。盡管如此，徐州地鐵在該設(shè)計(jì)溫度下的熱舒適性仍比廈門、長沙等城市差一些，然而在同樣的地鐵運(yùn)營規(guī)模的情況下，徐州地區(qū)室外溫度相比較低，其地鐵系統(tǒng)的溫升程度和幅度會(huì)小于其他城市，從而在投入運(yùn)營較長時(shí)間后仍能保持現(xiàn)有的舒適性。

4 結(jié)論

地鐵建設(shè)作為拉動(dòng)內(nèi)需、改善國計(jì)民生的重要方面成為新世紀(jì)我國五大基建行業(yè)當(dāng)中的翹楚，隨著全國各城市地鐵建設(shè)進(jìn)程的加快，在改變?nèi)嗣癯鲂蟹绞降耐瑫r(shí)也對其環(huán)控系統(tǒng)提出了新的要求，即滿足乘客對進(jìn)站、購票、候車、上車全過程對熱舒適性的要求，滿足人民對美好生活的正常向往。本研究采用RWI指標(biāo)研究了乘客進(jìn)出站的熱舒適感變化規(guī)律，確定了徐州是地鐵環(huán)控系統(tǒng)站廳站臺(tái)的溫度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度的優(yōu)化及系統(tǒng)控制指明了方向。