基于相變材料的公交候車亭綜合優(yōu)化設計

毛宏黎

（重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074）

基于相變材料的公交候車亭綜合優(yōu)化設計

毛宏黎

（重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074）

公交乘客候車體驗與公交服務水平直接相關，運用相變材料改造公交候車亭，通過吸收外界的熱量和釋放自身的熱量調節(jié)候車亭內的溫度，形成其內部的“小氣候”。同時，對公交候車亭進行基于人因考量的優(yōu)化設計，綜合改善公交乘客的候車環(huán)境。選定CaCl2·6H2O為相變材料，計算得到候車亭室內空氣發(fā)生1℃的溫度變化時，相變保溫砂漿需放出或吸收1036.33kJ的熱量，所需相變材料質量為5.76kg，從而形成候車亭內趨近28.1℃的候車環(huán)境。

相變材料；公交候車亭；溫度調節(jié)；候車環(huán)境

發(fā)展城市公共交通不僅能夠緩解城市交通擁堵的情況，也能改善城市人居環(huán)境，促進城市可持續(xù)發(fā)展[1]。城市公交發(fā)達水平不僅體現(xiàn)在乘車的便捷性上，還體現(xiàn)在候車過程的舒適程度上，乘客候車的心情愉悅程度在很大程度上會受到公交站點環(huán)境和秩序的影響。公共汽車是公共交通的重要組成部分，作為公共交通載體的一部分，它承擔著人們日常出行的重任，對人們生活的影響顯而易見，不論是在學習、工作上，還是娛樂上，公交車都是人們出行的重要選擇[2]。

在實際生活中，許多公交站臺存在候車環(huán)境差、服務水平低等問題，比如公交站臺太小，不能很好的遮風避雨；酷暑時候車環(huán)境炎熱，冬天則較為寒冷。但是，如果為每個公交站都安裝空調，改善乘客的候車體驗，則成本高昂。城市公共交通系統(tǒng)的發(fā)展水平與城市建設水平緊密相關，公交站臺和候車亭是城市品位及其“親和度”的直接體現(xiàn)[3]。著眼于建筑材料的革新，在節(jié)能環(huán)保的條件下提高人們的候車舒適度，運用相變材料改造公交候車亭，提升公交候車亭環(huán)境的舒適程度，能夠增強公共交通的吸引力，促進公交優(yōu)先實際落地。近年來，開發(fā)適宜的相變材料，明確相變溫度，得到了人們的高度關注，許多相變材料都投入到實際運用中，取得了良好的效果[4]。選用CaCl2·6H2O這種相變材料，其相變溫度點為22～28℃，接近于人體舒適溫度，生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，適用于城市公交候車亭的大規(guī)模改造工程。

1 公交候車亭的結構形式優(yōu)化

出于人性化考慮，公交候車亭的優(yōu)化設計是非常重要的。在現(xiàn)實生活中，許多候車亭不能為人們遮陽避雨，人們候車時難以抵擋酷暑與嚴寒，且空間狹小。特別是在不良天氣條件下，經(jīng)常出現(xiàn)擁擠的情況，導致許多乘客“站外候車”，候車秩序混亂，公交服務水平低下?；谌艘蚬こ虒W的考量，理想的公交候車亭尺寸如下：

候車亭棚頂高度：我國99%的成年男子中指指尖上舉高在230.9cm以下，考慮到極端身高個體性差異，可將候車亭高度建到245cm左右[5]。

候車亭寬度：考慮到站點客流比較大，候車亭內容納3排乘客。人體男性胸厚最大約261mm，女性最大約260mm，近體學的個人距離近段約為60cm，總寬約為1.98m[6]。

候車亭長度：根據(jù)該站點的乘車需求大小而定，取8m。

頂棚形狀：采用前高后低的形狀，使雨水盡量往后側排出，以充分保障乘客的避雨環(huán)境。

頂棚上加層：距離棚頂5cm。我國夏季炎熱地區(qū)，如重慶的地面溫度經(jīng)常達到50℃以上，金屬板面溫度更高，所以，可以在候車亭頂棚設置空氣加層，以阻礙棚頂高溫傳遞。

頂棚下加層：與棚頂距離20cm，采用Q460高強度鋼板，其廣泛用于大型船舶、橋梁等大型工程結構和載荷比較大的輕型結構，以承載棚頂相變材料的負荷。

相變材料安置盒：采用強度稍低的普通建筑鋼板，根據(jù)候車亭尺寸做成頂部帶蓋可開關的長方體，內層鋪滿導熱橡膠，將相變材料安置在內，定期檢查和更換，外面安裝滑輪，便于取出，平時可鎖住。相變材料安置盒如圖1所示。

兩側與后墻運用相變材料改造，前面敞開露天部分可采用透明門簾遮擋、保溫，并在中間留有入口。相變制冷不同于空調制冷，其物理狀態(tài)會隨著溫度的變化不停變化，不斷吸收或者釋放并且存儲熱量。候車亭的概念設計如圖2所示，半封閉式候車亭設計如圖3所示。

2 基于相變材料的候車亭溫度調節(jié)

2.1 相變材料的選擇

在選擇相變材料時，要注意以下幾點內容：①相變材料必須具有較大的儲能容量，且產(chǎn)生單位相變熱量變化時體積變化也比較小。②特定的相變溫度必須適合具體的應用要求。對于公交候車亭的改造，站在乘客的角度來說，相變溫度最好保持在20～28℃之間，在這個溫度區(qū)間內，人的舒適度比較好，有利于人體機能的正常運轉。③相變材料必須具有適宜的傳導系數(shù)，大多數(shù)情況下能夠快速吸收、釋放熱量。④必須具有正確的相變過程，其過程必須完全可逆，且熱量變化的方向僅僅以溫度決定。⑤相變材料必須具有良好的化學和物理穩(wěn)定性，無毒無污染、安全、可靠，可反復循環(huán)使用，壽命長。⑥原料來源廣泛，成本比較低，生產(chǎn)工藝簡單。

在無機相變材料中，對于硫酸鈉、醋酸鈉、磷酸鹽類物質，其相變溫度高于30℃，不符合用于公交候車亭改造的溫度要求；在有機相變材料中，石蠟當中正十七烷的相變溫度為22℃，比較理想，但是，其易燃且制取正十七烷的成本比較高[7]。石蠟受熱易膨脹，用于長期處于露天室外環(huán)境的公交候車亭來說不耐久，易損壞。各脂肪酸類相變材料同樣由于相變溫度點不適宜，所以，不被廣泛使用。而其他復合及其高分子材料價格昂貴，成本比較高，大規(guī)模使用不經(jīng)濟。綜合對比各種類型的相變材料，最終選用成本比較低、工藝簡單、相變潛熱也比較大（180J/g）的CaCl2·6H2O作為相變材料。CaCl2·6H2O的熔點為29℃，密度為1.7g/cm3，是一種無機、固液型、低溫的相變材料，無污染、無腐蝕、安全無毒，其相變溫度最接近于人體舒適的溫度，比溫度適宜的有機正烷烴制備成本低，工藝更簡單。但是，氯化鈣的含水鹽存在過冷現(xiàn)象，即降溫過程的相變溫度低于升溫過程的相變溫度，需添加防過冷劑，使其更接近于室溫[8]。

圖1 置于頂棚下加層之上的相變材料安置盒

圖2 候車亭概念設計

圖3 半封閉式候車亭設計

2.2 相變候車亭的工作過程

由相關文獻可知，加入了質量分數(shù)為3%的Ba（OH）2作為防過冷劑的CaCl2·6H2O，在28.1℃，即常溫下，室溫低于其相變溫度點，墻體內的六水氯化鈣為固體[9]。當亭內溫度高于28.1℃，相變材料開始從環(huán)境中吸熱，隨著熱量的漸漸積累，CaCl2·6H2O晶體開始由固態(tài)向液態(tài)發(fā)生相變，使亭內的溫度慢慢趨近于28.1℃這一較為舒適的溫度；反之，當溫度低于28.1℃，CaCl2·6H2O儲蓄的能量開始釋放，大量的相變熱轉移到環(huán)境中，使候車亭內的溫度升高。整個工作過程如圖4所示。

圖4 候車亭內溫度調節(jié)過程

2.3 相變候車亭的溫度調節(jié)效能

此前假設的公交候車亭長8m，寬1.98m，高2.45m，相變砂漿厚度0.02m，得到熱量計算公式為[8]：

式（1）中：Q為相變保溫砂漿放出或者吸收的熱量；Cp1和Cp2分別為干燥空氣、相變砂漿的比熱容；m1和m2分別為干燥空氣、相變砂漿的質量；△θ為室內空氣溫度變化。質量計算公式為：

式（2）中：m為所需相變材料質量；H為相變潛熱。

在標準狀況下，干燥空氣的密度P空為1.293kg/m3，當溫度為26.85℃時，空氣的定壓比熱容C1空為1.005kJ/（kg·K）。

假定混合砂漿干密度P砂為1300kg/m3，比熱容C1砂為0.84kJ/（kg·K），將相關數(shù)值帶入公式（1）（2）中，可得：

Q＝ 1.005×1.293×1×38.808m3＋ 1300×0.84×0.02×（1.98×2.45×2＋8×1.98＋8×2.45）≈1036.33kJ。

m＝1036.33/180≈5.76kg。

經(jīng)過計算，得到候車亭室內空氣發(fā)生1℃的溫度變化，相變保溫砂漿需放出或吸收的熱量為1036.33kJ，六水氯化鈣相變材料的相變潛熱為180kJ/kg，所需相變材料質量為5.76kg。由此可知，改建一個公交候車亭，其升高或降低1℃需5.76kg六水氯化鈣相變材料。

在重慶，假設室內最高溫度為40℃，當溫度從40℃降到28.1℃時，需要密度為1.7g/cm3的CaCl2·6H2O68.554kg，算得其需要的體積為0.04m3。排除兩側墻體相變材料，頂部預備的相變材料空間為3.2m3，足以容納且還有大幅剩余。

3 相變公交候車亭的維護

在實際運營過程中，如果溫度一直比較高，相變材料的量不足以滿足不斷制冷或制熱的要求，則需要人員每天定時檢查、更換并維護，將已經(jīng)完全變化且不能通過溫度自動調節(jié)回原狀態(tài)的相變材料回收且進行降溫處理，并為公交亭內加入新的相變材料，以滿足其溫度調節(jié)的要求。在公交站臺旁邊建一個體積為1.5m3的地窖，在維護過程中，人工將溫度過高的材料放到地窖里面自然降溫。在實際工作中，可以將此任務外包給有此意愿的相變材料生產(chǎn)企業(yè)，在生產(chǎn)的同時派出人員維護，工資從新增客流公交費里抽取一部分提成，使候車亭的整個鏈條形成良性循環(huán)。這樣做，生產(chǎn)企業(yè)不僅提高了材料的銷量，還促進了經(jīng)濟效益的提升，同時，公共交通部門也促進了就業(yè)，造福于社會，以此解決溫度調節(jié)的“續(xù)航”問題。

4 結束語

相變材料壽命長，來源廣泛，成本比較低，生產(chǎn)工藝簡單，相變時，能夠快速吸收、釋放熱量，剛好可以滿足調節(jié)候車亭溫度的需要，比較實用。將相變材料運用到候車亭上，在候車亭的自身設計構造上做出更合理的優(yōu)化設計，以滿足選擇公交出行的乘客的需求，讓他們有良好的體驗。雖然城市公交候車亭改建成本比較高，涉及因素比較多，大規(guī)模推廣困難，但是，仍可在旅游區(qū)、景區(qū)、CBD客流比較大的區(qū)域進行局部改善，為人們的觀光、娛樂、休閑活動提供與之相匹配的一體化服務，讓人們有良好的出行體驗。

［1］董宏偉，王磊.美國新城市主義指導下的公交導向發(fā)展：批判與反思［J］.國際城市規(guī)劃，2008（02）：67-72.

［2］GehlJ，Gemz?eL.Publicspaces，publiclife.HowtoStudy PublicLife，1996，2（1）：.

［3］薛慧聰.體現(xiàn)城市特色的公交候車亭設計［J］.四川建筑，2012（03）：288-289.

［4］李暢，劉廣綿.淺析城市公交候車亭的優(yōu)化設計［J］.藝術與設計（理論），2011（05）：116-118.

［5］李偉.應用人機工程學研究［D］.上海：東華大學，2006.

［6］張馨月.公交車候車亭的人性化設計應用研究［D］.長春：吉林大學，2013.

［7］張亮，晏華，余榮升，等.相變材料的研究進展及其在建筑領域的應用綜述［J］.材料開發(fā)與應用，2010（01）：69-73.

［8］胡芃，盧大杰，趙盼盼，等.組合式相變材料最佳相變溫度的熱力學分析［J］.化工學報，2013（07）：2322-2327.

［9］謝望平，汪南，朱冬生，等.相變材料強化傳熱研究進展［J］.化工進展，2008（02）：190-195.

〔編輯：白潔〕

TU248

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.17.070

2095－6835（2017）17－0070－03

毛宏黎（1993—），男，主要研究方向是交通運輸規(guī)劃與管理。