冬季輕軌交通列車氣流組織舒適度研究

趙嵩穎，趙超洋

（吉林建筑大學 市政與環境工程學院，長春 130118）

0 引言

輕軌交通是一種方便、快捷的現代交通工具，市民在享受便利出行的同時，對乘車環境的要求也越來越高。舒適的乘車環境需要更加合理的氣流分布，這與車廂內風速、溫度及濕度的分布是否合理息息相關［1-3］。輕軌車廂空間狹小，運行區時間短，上下車乘客交換頻繁，尤其冬季運行時，開關門造成車廂內外氣流熱交換頻繁，車廂內熱環境不穩定［4-5］。因此，探究冬季輕軌交通列車的氣流組織舒適度，對改善車廂內氣流組織形式，提高車廂內熱環境穩定性具有理論價值和現實意義。

1 空氣溫度、濕度、風速實測及舒適度評價

為探究冬季輕軌交通列車的氣流組織舒適度，以長春市輕軌交通4號線為例，于2019年12月25日至2020年1月8日進行空氣溫度、濕度、風速及舒適度評價實測。長春市輕軌交通4號線從天宮路站到長春站北站共15站，2座換乘車站：職業學院站和吉林大路站，3座地下車站：偽滿皇宮站、北亞泰大街站和長春站北站，其余均為高架站臺。天宮路站部分時段站臺氣候條件見表1。

表1 天宮路站站臺氣候條件Tab.1 Climatic conditions of tiangong road station platform

1.1 溫度實測分析

站臺上冷空氣進入車廂導致車廂內空氣溫度明顯下降，且下降值與停車時長成正比，通常換乘車站客流量較大，停車時間較長，溫度下降更明顯；由于夜間溫度更低，因此在相同停車時長內空氣溫度的下降幅度更大，溫度同比下降約為0.3～0.5 ℃；列車在12月26日晚途經海口路站時，停車145 s，導致車廂內空氣溫度下降5.9 ℃且列車在后續運行過程中車廂內空氣溫度更低（見圖1）；乘客對車廂內空氣溫度的影響則很小。

圖1 12月26日晚途經海口路站時空氣溫度變化Fig.1 Changes in air temperature when passing through Haikou road station in the evening of December 26

1.2 空氣濕度和風速實測分析

受站臺冷空氣影響，雪天車廂內空氣濕度較高；列車停站時，車廂內風速有所增大，但實際上由于沒有空調設備的運行，車廂內風速仍較小；乘客對空氣濕度和風速的影響很小。圖2示出車廂內平均空氣濕度和風速。

圖2 天宮路站和長春站北站車廂內平均空氣濕度和風速Fig.2 Map of average air humidity and wind speed in the carriages at Changchun Station North Station

1.3 舒適度評價

在本次研究中共發放200份問卷，收回117份，收回率為58.5%。其中女性有62人，男性有55人。

1.3.1 乘客乘車過程中的舒適度評價

乘客進站候車時的熱舒適度與站內溫度有關，地下站臺進站乘客的熱舒適度較高，候車時的熱舒適度隨候車時長的增加而降低；列車進出站時，站臺及車廂內風速有所增大，增幅約為0.4～0.6 m/s，0.2～0.3 m/s，乘客的熱舒適度在短時間內略有下降；地下車站空間相對封閉，空氣濕度相對較低，從地下車站進站乘車乘客的濕感覺較差。

1.3.2 基于乘客性別的舒適度評價

由于女性乘客衣著相對較少，因而有46名男性乘客（83.6%）和57名女性乘客（91.9%）在乘車時有冷感（如圖3，4所示）；有48名男性乘客（87.2%）和60名女性乘客（96.8%）希望提高車廂內空氣溫度；乘客衣著對濕感覺的影響很小，有36名男性乘客（65.4%）和42名女性乘客（67.7%）能夠接受車廂內的空氣濕度。

圖4 女性乘客熱舒適度評價Fig.4 Evaluation of thermal comfort for female passengers

1.3.3 基于乘客年齡的舒適度評價

各年齡段男女乘客數及熱舒適度評價如圖5，6所示。由于20～40歲的女性乘客衣著較為單薄，因此該年齡段大部分女性乘客在乘車時有冷感；各年齡段對空氣濕度的接受程度基本相同。

圖5 各年齡段男女乘客數Fig.5 Number of male and female passengers by age group

圖6 各年齡段乘客熱舒適度評價Fig.6 Evaluation of thermal comfort of male passengers by age group

1.3.4 基于乘客位置的舒適度評價

輕軌車廂與地鐵車廂不同，乘客位置對熱感覺的影響較為明顯，對濕感覺的影響很小。受訪乘客中，有40名乘客位于帶有車門的車廂內，且均有明顯冷感；有61名乘客位于相鄰車廂，但離車門較近，其中16人有明顯冷感，43人有輕微冷感，2人感覺舒適；離車門較遠的16名乘客中有12人感覺舒適，4人有輕微冷感。

2 氣流組織模擬分析

2.1 模型的建立

為提高車廂內空氣溫度及氣流組織舒適度，以長春市輕軌交通4號線中一節帶有車門的車廂為例，做在車門上方增加熱空氣幕的三維空間的瞬態［6］模擬分析，模型如圖7所示。

圖7 車廂模型Fig.7 Carriage model

模型結構尺寸如下：

（1）由于列車只開1側門，因此將車廂右側車門作為進風口，尺寸為寬×高=1 m×2 m；

（2）車廂內部尺寸為長×寬×高=5 m×2.65 m×2.4 m；

（3）回風口位于車廂頂部，左右兩側對稱分布，尺寸為長×寬=0.3 m×0.5 m；

（4）散熱器布置在座椅下，尺寸為長×寬×高=0.3 m×0.3 m×0.1 m；

（5）熱空氣幕尺寸為長×寬=1 m×0.3 m。

2.2 控制方程

變化中的流體在流動和傳熱過程中都遵守恒定律，這些守恒定律的物理描述稱為控制方程［7-9］，模擬過程中不包括組分混合和相對運動。為簡化問題，作如下假設［10-11］：（1）車廂內空氣為不可壓縮且符合Boussinesq假設；（2）車廂內的空氣流動為穩態湍流；（3）忽略固體壁面之間的熱輻射；認為車廂內空氣為輻射透明介質；（4）忽略由于流體黏性力做功所引起的耗散熱。

控制方程由標準k-ε湍流模型［12］方程、連續性方程、動量方程、能量方程組成。

（1）連續性方程

本文中空氣流速較低，可認為是不可壓縮流體，連續性方程為：

（2）動量方程

動量守恒定律表明：單位時間內作用在控制之上的外力之和等于控制體的動量相對變化率。因此動量方程如下，以x方向為例：

（3）能量方程

根據能量守恒定律建立的能量方程如下：

式中 cp——比熱容，J/（kg·K）；

k——流體的傳熱系數，W/（m2·K）；

sT—— 流暢內部熱源和黏性力共同作用導致的流體機械能轉化為熱能的部分，本文中由于氣流速度較低，因此可以忽略由流體粘性力做功所引起的耗散熱，即sT=0。

2.3 邊界條件設置

選取 2019 年 12月 26 日 15：04、20：08，12 月30日 16：18時的溫度和風速，分別為 -8.5 ℃、0.14 m/s，-14.5 ℃、0.21 m/s，-20 ℃、-0.3 m/s作為進風溫度和風速，壁面溫度為10，7，5 ℃，散熱器模型采用離散坐標輻射模型（DO），輻射溫度為40 ℃，熱流量為500 W/m2，乘客表面溫度為17 ℃，車門開啟后熱空氣幕的送風溫度和風速分別為40 ℃、1 m/s，40 ℃、2 m/s，40 ℃、3 m/s，時間步長為30 s。

2.4 模擬結果分析

選取ZX平面1.2 m和0.5 m處作為參考平面。

圖8～11分別示出熱空氣幕送風溫度、風速為40 ℃，1 m/s時的溫度和速度場分布。在車門上方增加熱空氣幕后，空氣溫度明顯提升，但0.5 m高度處溫度增幅較低；車廂內風速有所提高，但風速分布仍符合舒適性要求。

圖8 ZX平面1.2 m溫度分布Fig.8 Temperature distribution at 1.2 m above ZX plane

圖9 ZX平面1.2 m速度場分布Fig.9 Velocity field distribution at 1.2 m above ZX plane

圖10 ZX平面0.5 m溫度分布Fig.10 Temperature distribution at 0.5 m above ZX plane

圖11 ZX平面0.5 m速度場分布Fig.11 Velocity field distribution at 0.5 m above ZX plane

圖12～15分別示出熱空氣幕送風溫度、風速為40 ℃、2 m/s時的溫度和速度場分布。該工況下，車廂內空氣溫度和風速得到明顯提升，且1.2 m高度處的增幅更為顯著，在實際條件下的風速分布符合舒適性要求。

圖12 ZX平面1.2 m溫度分布Fig.12 Temperature distribution at 1.2 m above ZX plane

圖13 ZX平面1.2 m速度場分布Fig.13 Velocity field distribution at 1.2 m above ZX plane

圖14 ZX平面0.5 m溫度分布Fig.14 Temperature distribution at 0.5 m above ZX plane

圖15 ZX平面0.5 m速度場分布Fig.15 Velocity field distribution at 0.5 m above ZX plane

圖16～19分別示出了熱空氣幕送風溫度、風速為40 ℃、3 m/s時的溫度和速度場分布。該工況下，0.5 m高度處空氣溫度的提升效果較低，但仍得到明顯改善；車廂內空氣風速較大，在實際條件下，熱空氣幕所送的熱風會向相鄰車廂流動，因此風速分布符合舒適性要求。

圖16 ZX平面1.2 m溫度分布Fig.16 Temperature distribution at 1.2 m above ZX plane

圖17 ZX平面1.2 m速度場分布Fig.17 Velocity field distribution at 1.2 m above ZX plane

3 結論

（1）受站臺冷空氣影響，冬季輕軌列車車廂內空氣溫度明顯下降；雪天的空氣濕度較高；列車停站時車廂內風速有所增大，但增幅較小，空氣濕度和風速符合舒適性要求。

（2）乘客進站候車時的熱舒適度與站內溫度有關，地下車站進站乘客的熱舒適度較高，濕感覺較差；候車時的熱舒適度隨候車時長的增加而降低；列車進出站時，乘客的熱舒適度會在短時間略有下降。

（3）由于20～40歲的女性乘客衣著相對較少，因此該年齡段大部分女性乘客在乘車時有冷感，且女性乘客的總體熱舒適度相對較低；乘客衣著對濕感覺的影響很小，大部分乘客認為空氣濕度適中；乘客的位置對熱舒適度的影響較為明顯，對濕感覺的影響很小，離車門越近的乘客乘車時的冷感越明顯。

（4）在車門上方增加熱空氣幕使車廂內空氣溫度明顯提升，在不同時間段合理調整熱空氣幕的風速，能更有效的改善車廂內氣流組織舒適度。