青島地鐵地下站廳層工作區(qū)熱環(huán)境測試與分析

劉建偉

摘要： 針對青島地鐵地下站工作區(qū)的熱舒適性問題，本文以青島地鐵3號線五四廣場站站廳層工作區(qū)為研究對象，采用AGILENT 34970A型溫度采集儀和SZX9KA23型熱線風(fēng)速儀對冬季不同時段公共區(qū)溫度的變化、活塞風(fēng)及陰雨天氣對工作區(qū)溫度的影響進行跟蹤測試。測試結(jié)果表明，站內(nèi)溫度隨室外大氣溫度的升高而升高；活塞風(fēng)對工作區(qū)溫度具有明顯的影響，體感溫度低，帶來更大的不舒適性；短暫的陰雨天氣對地下站內(nèi)溫度的影響不大。與常規(guī)熱舒適感參數(shù)相比，站廳層工作區(qū)在冬季不滿足熱舒適性要求，因此提出了將設(shè)備房廢熱回收用于工作區(qū)，改善熱環(huán)境。該研究為站廳層工作區(qū)冬季供暖方案提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞： 青島地鐵站； 站廳層； 熱環(huán)境； 溫度； 活塞風(fēng)

中圖分類號： TU831文獻標(biāo)識碼： A

地鐵已經(jīng)成為主要的公共交通工具之一。截止2015年8月，我國已有24個城市開通了地鐵，其中上海地鐵開通14條線路，運營里程達567 km，北京地鐵里程數(shù)為527 km，位居第二，到2020年，全國將有40個城市建設(shè)地鐵，總規(guī)劃里程達到7 000 km[1]。地鐵運行能耗巨大（達到600 kW/km），地鐵站內(nèi)熱環(huán)境的研究成為地鐵運行研究的一個重要分支。在熱環(huán)境研究方面，日本、英國、德國、法國及奧地利等國定期進行地鐵站內(nèi)部氣流規(guī)律及節(jié)能運行研究的學(xué)術(shù)交流，在此基礎(chǔ)上，美國交通部開發(fā)出了地鐵環(huán)境模擬計算機程序（the subway environment simulation computer program，SES）；清華大學(xué)開發(fā)了類似的地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件（subway thermal environment simulation software，STESS）設(shè)計軟件[2]。由于地鐵地下站內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱環(huán)境的研究以模擬仿真為主，包括地鐵站臺氣流組織的模擬[3]，缺乏與實驗數(shù)據(jù)的比較。符泰然等人[4]對島式雙層地鐵車站熱環(huán)境優(yōu)化分析，比較全面的模擬了具體的站廳層結(jié)構(gòu)中氣流停留時間、溫度場和速度場，計算了熱舒適度，提出了站內(nèi)設(shè)計優(yōu)化和提高空氣品質(zhì)的建議，仍然以數(shù)值計算為主要研究手段；薛鵬等人[5]對沈陽地鐵地下站內(nèi)冬季隧道內(nèi)的溫度場進行了詳細(xì)測量，分析了活塞風(fēng)效應(yīng)及站內(nèi)溫度的波動，但還需要大量的、長期的、連續(xù)的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)支撐。地下站內(nèi)可視為內(nèi)熱源[67]，來自客流人體散熱、列車運行散熱和站內(nèi)設(shè)備房散熱等熱負(fù)荷，加上土壤層蓄熱，冬季可以回收這些廢熱?？抵菑姷热薣811]提出了余熱熱泵聯(lián)合為站上建筑供暖方案；而吳妍等人[1214]認(rèn)為在地鐵地下站內(nèi)，由隧道內(nèi)列車穿行造成的活塞風(fēng)，對冬季站內(nèi)熱環(huán)境有復(fù)雜的不利影響。由此可知，地鐵地下站內(nèi)熱環(huán)境具有不穩(wěn)定性，雖然地鐵環(huán)控系統(tǒng)控制地鐵內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、空氣流速和品質(zhì)，保證乘客在車廂內(nèi)的舒適性要求[15]，冬季地下站內(nèi)一般不供暖[16]，即使在北方城市地下站內(nèi)，站廳層熱環(huán)境性質(zhì)差別較大。近年來，國內(nèi)外許多研究者對希臘[1718]、天津[19]、哈爾濱[20]等城市的地鐵站廳熱環(huán)境進行了研究。青島城市地鐵剛剛開通運行，地下站內(nèi)冬季熱環(huán)境尚未有評價。因此，本文重點對五四廣場地鐵站內(nèi)工作區(qū)和李村地鐵站廳層工作區(qū)進行熱環(huán)境的測試和分析。該研究為站廳層工作區(qū)冬季供暖方案提供理論依據(jù)。

1測試地點

五四廣場地鐵站的等級屬于1級地鐵站，它的站型屬于地下2層標(biāo)準(zhǔn)島式，即地下1層為站廳層（含通訊等設(shè)備室），地下2層為站臺層（含變電設(shè)備室）。車站是五柱六跨結(jié)構(gòu)，長度為2776 m，寬度為448 m，其寬度是正常車站的2倍，大小僅次于青島市最大的地鐵站——青島北站。與其他車站不同，五四廣場車站所處的位置堪稱青島的經(jīng)濟和政治核心地帶，五四廣場車站有9個出入口，除2個應(yīng)急出口外，7個都是乘客日常出入口。其中，在香格里拉酒店南側(cè)和東側(cè)各有一個出入口，在南通路和山東路中間有2個出入口，在頤和國際北側(cè)的香港路邊上有1個出入口，青島中心北側(cè)和東側(cè)也分別有1個出入口。五四廣場地鐵站站廳層平面布置圖如圖1所示。

2實驗測試

2.1測試參數(shù)說明

本文測試了各車站內(nèi)站廳層不同區(qū)域的溫度、風(fēng)速和濕度，對比冬季不同時段和1 d內(nèi)不同時段室外大氣溫度和活塞風(fēng)作用下的氣流速度對站廳層工作區(qū)溫度的影響，以此為依據(jù)對青島地區(qū)地鐵站內(nèi)工作區(qū)熱環(huán)境予以評價。

2.2測試儀器

采用AGILENT 34970A型溫度采集儀，精度為0001 ℃，可對溫度進行連續(xù)且精準(zhǔn)的測量；采用SZX9KA23型熱線風(fēng)速儀，同時對風(fēng)速、溫度及壓力進行實時測量，風(fēng)速的精度為001 m/s，溫度的精度為01 ℃。另外，借助車控室內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)，對各測點的溫度和濕度進行統(tǒng)計，掌握壁掛傳感器數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)的偏差，真實反映工作區(qū)熱環(huán)境性質(zhì)。

2.3測試過程

1）本文分別選取1月份、2月份和3月份各1 d，連續(xù)測量對冬季不同時段的室外大氣溫度和站廳層距地15 m高處的溫度，獲取車站內(nèi)工作區(qū)溫度隨冬季時段變化的規(guī)律。

2）分別在圖1所示的A、B、C、D安檢區(qū)和站廳兩端公共區(qū)進行連續(xù)測量，時值地鐵8 min一趟，則活塞風(fēng)的周期約為8 min，因此，選擇4～5個活塞風(fēng)周期的時間進行測量，分析活塞風(fēng)對站內(nèi)溫度的影響性質(zhì)。

3）對比晴天和陰雨天的影響，通過相同時間段內(nèi)的測試，獲得站內(nèi)溫度和風(fēng)速受天氣變化的影響。

3測試結(jié)果與分析

3.1冬季不同時段公共區(qū)溫度的變化

以站廳層公共大廳為測試點，對2017年初3個月份中各選擇了1個晴天進行溫度測試，溫度變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，1月份的數(shù)據(jù)來自于車控室，為壁掛式傳感器的測試數(shù)據(jù)，未體現(xiàn)活塞風(fēng)的影響；2月份和3月份的數(shù)據(jù)均來自熱線風(fēng)速儀，在所測試的時間段內(nèi)，多個活塞風(fēng)周期的作用比較明顯，從而使車站內(nèi)公共區(qū)溫度存在明顯波動；而不同月份中，3個月的最高溫度都不超過15 ℃，且1，2月份車站內(nèi)的溫度差別不大，但3月份的車站內(nèi)溫度明顯升高，即站內(nèi)溫度隨室外大氣溫度的升高而升高。

冬季工作區(qū)的實際溫度為10～15 ℃，比頂部壁掛傳感器的數(shù)據(jù)（車控室的顯示數(shù)據(jù)）低1～2 ℃。以3月份在A端公共區(qū)連續(xù)測試的數(shù)據(jù)為例，實際溫度與傳感器顯示溫度的偏差如圖3所示。壁掛傳感器反映的是近土壤層的溫度變化，滯后于因空氣流動和客流量造成的公共區(qū)和安檢區(qū)處實際溫度的變化。因此，要評價工作人員的熱舒適性，需以連續(xù)測試的數(shù)據(jù)為依據(jù)。

3.2活塞風(fēng)對溫度的影響

以3月份在D出站口旁的安檢區(qū)為測試點，測試溫度和風(fēng)速的變化，所測風(fēng)速實際是由相對進出口間的對流風(fēng)和站臺溢流上來的活塞風(fēng)的合成速度，但是對流風(fēng)速比較穩(wěn)定，風(fēng)速和溫度的波動主要來自于活塞風(fēng)?；钊L(fēng)風(fēng)速變化對溫度的影響如圖4所示。由圖4可以看出，3月份安檢區(qū)的最高溫度為15 ℃，最低溫度為14 ℃，安檢區(qū)的風(fēng)速最大值為03 m/s，最小值為0 m/s，即列車進站時，將隧道中風(fēng)送入站臺層，擴散至站廳層時風(fēng)速已經(jīng)減弱；而列車出站時又抽吸形成負(fù)壓引入地表冷風(fēng)。因此，活塞風(fēng)使站廳層的溫度降低，一般情況下，活塞風(fēng)的峰值對應(yīng)著溫度的谷值?？梢姡钊L(fēng)對工作區(qū)溫度具有明顯的影響，使體感溫度更低，帶來更大的不舒適性。

3.3陰雨天氣對工作區(qū)溫度的影響

選取3月份陰雨天氣的1 d在D站口旁的安檢區(qū)進行測試，陰雨天氣對站廳層工作區(qū)溫度的影響如圖5所示，與3月份的晴天（見圖3）相比，活塞風(fēng)的周期性更為明顯，溫度的波動也相差近1 ℃。

陰雨天氣時，站內(nèi)溫度的最大值為158 ℃，最小值為148 ℃；風(fēng)速的最大值為066 m/s，最小值為0 m/s。風(fēng)速與晴天相比有較大的變化，最大值明顯的增大，為晴天時的2倍左右；晴天地表溫度8 ℃，陰雨天的地表溫度9 ℃，可見，短暫的陰雨天氣對地下站內(nèi)溫度的影響不大。

4結(jié)束語

通過對青島地鐵3號線五四廣場站地下站廳層工作區(qū)冬季熱環(huán)境的測試可知，站廳層工作具有非常明顯的熱不舒適性，表現(xiàn)在兩個方面，一是溫度普遍不高，在冬季不同時段，站內(nèi)工作區(qū)最高溫度也不超過16 ℃，尤其1月份和2月份，站廳層工作區(qū)溫度甚至低于10 ℃，對于長期在工作區(qū)的地鐵工作人員來說，改善熱舒適性具有必要性；二是站廳層內(nèi)因站臺層活塞風(fēng)的擴散，形成周期性氣流場，安檢區(qū)的風(fēng)速可達066 m/s，進出站口甚至超過15 m/s，明顯降低了工作人員的體感溫度，更加降低了熱舒適性。為了改善冬季時段地下站工作區(qū)的熱環(huán)境，使之達到人體舒適性的要求，將地鐵站內(nèi)設(shè)備房里產(chǎn)生的廢熱進行回收，轉(zhuǎn)移送到公共區(qū)供熱，在保證放熱設(shè)備安全運行的同時，也改善了工作區(qū)的熱環(huán)境，這將是本課題下一步的研究工作。

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