長春市地鐵熱環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查研究

王春青，張鴻偉，潘 嵩，韓曉飛，劉奕巧，謝 浪，王統(tǒng)照，卞彩俠

1吉林建筑大學 市政與環(huán)境工程學院,長春 130118 2北京工業(yè)大學 綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室,北京 100124 3北華航天工業(yè)學院,河北 廊坊 065000 4山東省日照市山東路639號消防救援支隊,山東 日照 276800 5長春建筑學院,長春 130607

隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展,各種交通工具也陸續(xù)出現(xiàn),有效地緩解了城鎮(zhèn)交通擁堵問題.其中，地鐵以方便、快捷、節(jié)能等特點成為了人們出行的首要選擇[1].隨著人們乘坐地鐵的時間與次數(shù)的增多,人們對地鐵熱舒適的要求也越來越高.據(jù)以往的調(diào)查研究表明[2-4],影響地鐵站內(nèi)熱環(huán)境舒適度的因素較多,例如溫度、風速、室外空氣參數(shù)和季節(jié)等，然而多數(shù)地鐵熱舒適研究都選取環(huán)控系統(tǒng)為空調(diào)系統(tǒng)的地鐵作為研究對象,對于通風系統(tǒng)的地鐵熱舒適研究相對較少,而嚴寒地區(qū)地鐵環(huán)控系統(tǒng)一般采用通風系統(tǒng)而非空調(diào)系統(tǒng).因此，本文采用現(xiàn)場實測和問卷調(diào)查的方法對嚴寒地區(qū)的長春地鐵作為研究對象,旨為乘客提供一個舒適的地鐵環(huán)境,并為長春地鐵的熱環(huán)境設計與相關(guān)規(guī)范提供參考依據(jù).

1 研究方案

1.1 實驗對象

本文研究對象為嚴寒地區(qū)典型城市-長春市,其氣候特點為冬季寒冷且持續(xù)時間久,夏季涼爽且持續(xù)時間短,該地區(qū)的地鐵車站的環(huán)控系統(tǒng)為通風系統(tǒng),因此選取長春市地鐵作為嚴寒地區(qū)調(diào)研對象.此次測試線路選取長春市地鐵1號線、2號線,均為地下車站,環(huán)控系統(tǒng)均采用機械通風和自然通風結(jié)合的方式運營.

1.2 研究內(nèi)容及方法

地鐵站屬于地下半封閉建筑,乘客在乘坐地鐵過程中經(jīng)歷的熱環(huán)境是動態(tài)變化的.為了更加全面地研究地鐵熱環(huán)境及乘客熱舒適狀況,本文采取了熱環(huán)境現(xiàn)場實測及乘客動態(tài)舒適度問卷調(diào)查相結(jié)合的方法進行實地調(diào)研,測試時間選取2017年12月～2020年12月.為了還原乘客進出地鐵站的實際過程,將測試路線分為10個過程,包括進站5個過程和出站5個過程.其中進站過程是地鐵站外-進站口-售票處-站廳-站臺-車廂,出站過程與進站過程相同.此測試過程共設立12個測試點,模擬乘客進出地鐵站的真實情況.在每個過程中12個測點處測試當時的溫濕度、風速,同時受試者實時填寫主觀熱感受問卷.

1.3 測試參數(shù)及測試儀器

本文測試了長春地鐵1號線、2號線從進站到出站全過程中的空氣溫度、相對濕度和風速等熱環(huán)境參數(shù).測試儀器見表1.

表1 測試儀器

2 熱環(huán)境分析

長春地鐵站內(nèi)環(huán)境參數(shù)分布如圖1所示,使用箱線圖進行直觀數(shù)據(jù)描繪.

圖1 地鐵內(nèi)各測點熱環(huán)境參數(shù)分布

箱線圖又稱盒式圖,可用于幾種樣本之間的比較并且直接識別數(shù)據(jù)中的異常值.箱體的高度代表各個測點溫濕度相對于該測點平均值的偏差程度.其中高度越高,相對于平均值的波動越大.

2.1 環(huán)境溫度

由圖1(a),圖1(b)中可以看出:

(1)夏季站外平均溫度為27.6 ℃,進站口為25.5 ℃,售票處為24.8 ℃,站廳為24.4 ℃,站臺為24 ℃,車廂為24.3 ℃，地鐵站內(nèi)溫度由站外到站內(nèi)溫度逐漸下降,從進入售票處到車廂內(nèi)溫度變化不大.

(2)冬季站外平均溫度為-8.4 ℃,進站口為11.7 ℃,售票處為14.5 ℃,站廳為15.7 ℃,站臺為17.2 ℃,車廂為20.3 ℃，冬季地鐵站內(nèi)溫度依次升高,在車廂內(nèi)達到最高.

(3)由箱體高度可知,出入口溫度值的波動程度偏大,均大于售票處、站廳、站臺及車廂.夏季地鐵進站口平均溫度比站外低2.1 ℃,售票處比進站口低0.7 ℃,站廳比售票處低0.4 ℃,車廂比站廳高0.3 ℃.通過比較相鄰測點的溫度差值可知,出入口受站外溫度影響較大,站內(nèi)各測點的溫度變化不大,冬季亦是如此.

根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》[5]相關(guān)條例,當?shù)罔F車站采用通風系統(tǒng)時,夏季地鐵車站的進風一般都來自于大氣,室內(nèi)計算溫度不宜高于室外空氣計算溫度5 ℃,并且不應超過30 ℃.在冬季運行模式下,最低溫度不宜低于12 ℃為符合地鐵設計規(guī)范.可知夏季地鐵站平均溫度均符合地鐵設計規(guī)范.冬季地鐵內(nèi)售票處,站廳,站臺及車廂均符合規(guī)范,進站口溫度較低不符合規(guī)范.

2.2 相對濕度

從圖1(c),圖1(d)中可以看出,冬夏季各個測點的相對濕度箱體高度基本保持一致,因為在通風模式下,地鐵站內(nèi)的相對濕度受室外相對濕度影響較大,所以地鐵站內(nèi)冬夏相對濕度的差異幾乎與室外冬夏相對濕度的季節(jié)性差異一致.夏季地鐵站內(nèi)相對濕度保持在60 %～80 %范圍內(nèi),平均值一般都在70 %以上.冬季相對濕度區(qū)間大體保持在30 %～50 %之間,平均值一般都在35 %左右.根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》(GB 50157—2013)[5]中規(guī)定:車站采用空調(diào)系統(tǒng)時,相對濕度在40 %～70 %范圍內(nèi)符合規(guī)定,但規(guī)范內(nèi)并未對通風系統(tǒng)下的相對濕度進行規(guī)范.經(jīng)過查閱文獻GB/T1 8049-2000[6]中規(guī)定:“熱舒適濕度范圍為30 %～70 %”在T/ASC02 中規(guī)定濕度的限值為30 %～70 %[7].根據(jù)上述規(guī)范可知,冬季各測點均符合熱舒適濕度范圍,夏季相對濕度較高,不符合規(guī)范.由于嚴寒地區(qū)夏季短暫除濕系統(tǒng)使用率低,因此在夏季可以在公共區(qū)域設置除濕器,并根據(jù)需要進行調(diào)節(jié),為以后的濕度設計和研究提供實際依據(jù).

2.3 風速

由圖2得到夏季地鐵站外平均風速0.89 m/s,進站口0.53 m/s,售票處0.28 m/s,站廳0.24 m/s,站臺0.46 m/s,車廂0.52 m/s,進入地鐵車站后,風速逐漸降低,在站廳達到最小值,到達站臺后風速又逐漸增大.冬季站外平均風速1.3 m/s,進站口0.79 m/s,售票處0.42 m/s,站廳0.32 m/s,站臺0.41 m/s,車廂0.46 m/s,風速變化趨勢與夏季相同,風速均呈正V型.

圖2 各測點風速箱線圖

3 主觀調(diào)查問卷分析

3.1 主觀熱感覺

根據(jù)調(diào)查問卷的數(shù)據(jù)結(jié)果,對各個測點的乘客熱感覺投票值及熱舒適投票值統(tǒng)計分析，將7級指標熱感覺投票值分為偏冷、適中和偏熱3個區(qū)間，分別計算各個測點處3種區(qū)間的受試者人數(shù)占該測點總?cè)藬?shù)的百分比,做出熱感覺堆積圖如圖3所示.

圖3 乘客經(jīng)歷各測點的熱感覺投票百分比

圖3中可以看出,在夏季時,售票處和站廳有80 %以上的乘客熱感覺較好,售票處與站廳相鄰近,對于剛進入地鐵站的乘客熱敏感度不高，到達站臺后,乘客熱感覺投票值下降,站臺61 %的受試者熱感覺為偏冷.這是由于站臺一般處于地下二層,環(huán)境陰冷潮濕,與站外熱環(huán)境距離較遠,影響較小，由于列車的運行會產(chǎn)生較大的活塞風,導致站臺溫度降低,且地鐵站未有空調(diào)系統(tǒng)故無法提高夏季站臺溫度.進入車廂內(nèi)有60 %的乘客熱感覺中性,33 %的乘客熱感覺偏冷.根據(jù)熱環(huán)境參數(shù)分布可知,地鐵車廂內(nèi)溫度較低,當列車突然加速或減速時,車廂會產(chǎn)生較大風速,使乘客產(chǎn)生冷感.由于夏季長春氣候炎熱,人們出行衣著較少,地鐵位于地下,使乘客感受到偏冷狀態(tài).

冬季乘客從站外進入地鐵車站后,在出入口處,有17 %的乘客感受到中性,甚至有4 %的乘客感受到偏熱,可能是因為乘客已經(jīng)適應了室外寒冷天氣,心理期望溫度較低,更容易接受室內(nèi)低溫環(huán)境.伴隨進入地鐵的過程,乘客總體熱感覺值大幅度上升.進入車廂后,43 %的乘客感受到偏冷,39 %的乘客熱感覺值為中性,另外18 %的乘客感受到偏熱,因為乘客長時間處于較低溫度環(huán)境,突然進入較熱環(huán)境中,熱感覺敏感度上升.

3.2 主觀熱舒適

熱舒適投票值為0～4的5級指標,投票值為0記作舒適,為1記作稍不舒適,為2記作不舒適,為3記作很不舒適,為4記作不可忍受.分別計算5類投票值的人占總?cè)藬?shù)的百分比做出熱舒適堆積圖如圖4所示.

圖4 乘客經(jīng)歷各測點的熱舒適投票百分比

由圖4可以看出,夏季乘客舒適度明顯優(yōu)于冬季,尤其在售票處與站廳,絕大多數(shù)受試者感到舒適.對比而言，站臺與車廂內(nèi)的不舒適乘客偏多,其中站臺占42 %,車廂內(nèi)占60 %.通過對比熱感覺投票百分比可知,站臺與車廂的熱感覺偏冷會引起乘客的不舒適感,所以地鐵車廂應適當提升溫度或減少活塞風來提高乘客熱舒適度.

冬季,隨著乘客進入地鐵站的過程中,乘客熱舒適度逐漸上升,但仍有大部分乘客感受到不舒適.進站口處感受到不舒適的乘客最多,占77 %,主要受室外溫度的影響,但由于乘客在進站口停留時間較短,所以認為無需改變環(huán)控系統(tǒng)來升高進站口溫度.根據(jù)熱感覺投票值看出，進站口、售票處、站廳及站臺的不舒適感主要是由于乘客的熱感覺偏冷,而車廂內(nèi)的不舒適感主要因為乘客的熱感覺偏熱.這可能是因為冬季乘客長時間處于低溫狀態(tài)且衣著偏多,進入車廂后溫度升高,空間較密閉,人體機能會感到不舒適,因此說明車廂內(nèi)通風系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足.

3.3 車廂內(nèi)熱中性溫度

熱中性溫度指的是人們在所處環(huán)境中感受到不冷不熱時的溫度[8].地鐵車廂內(nèi)熱環(huán)境與地鐵站內(nèi)環(huán)境有所不同,屬于較封閉區(qū)域.調(diào)查問卷的數(shù)據(jù)中顯示,有較多乘客反映對車廂內(nèi)環(huán)境較不滿意,希望可做出調(diào)整.本文對車廂內(nèi)溫度與乘客熱感覺平均值運用Origin軟件進行回歸分析,得到熱中性溫度回歸方程MTS=at+b(a,b均為常數(shù)),令MTS=0時得到熱中性溫度.圖5為長春地鐵車廂內(nèi)熱中性溫度擬合曲線,通過整理得到表2.

圖5 熱中性溫度擬合曲線

表2 車廂內(nèi)熱中性溫度

冬季回歸方程為MTS=0.19t-3.40,令MTS=0得到冬季車廂內(nèi)熱中性溫度為17.3℃,同理得到夏季車廂熱中性溫度為25.4 ℃,對數(shù)據(jù)整合計算得到冬季車廂內(nèi)平均溫度為20.3 ℃,夏季為24.3 ℃.通過對比可以發(fā)現(xiàn),冬季車廂內(nèi)平均溫度偏高,夏季平均溫度偏低,這與上述車廂內(nèi)乘客熱感覺百分比相對應.在夏季,室外溫度偏高,然而車廂內(nèi)平均溫度仍低于熱中性溫度造成人體不舒適和能源浪費.冬季室外寒冷,人體長時間經(jīng)歷室外寒冷天氣時乘客對環(huán)境溫度期望變低,更容易接受溫度較低的室內(nèi)環(huán)境[9].這與文獻[10]所得出的熱中性溫度值相吻合,說明長春地鐵車廂內(nèi)熱環(huán)境應根據(jù)該情況下熱中性溫度進行改善.

4 結(jié)論

(1)通過對長春地鐵站內(nèi)溫度分析統(tǒng)計,得到夏季站外平均溫度為27.6 ℃,進站口為25.5 ℃,售票處為24.8 ℃,站廳為24.4 ℃,站臺為24 ℃,車廂內(nèi)為24.3 ℃.冬季站外平均溫度為-8.4 ℃,進站口為11.7 ℃,售票處為14.5 ℃,站廳為15.7 ℃,站臺為17.2 ℃,車廂為20.3 ℃.冬季地鐵站內(nèi)溫度依次升高,在車廂內(nèi)達到最高.依據(jù)規(guī)范,夏季溫度均符合設計規(guī)范,冬季除進站口外也均滿足設計規(guī)范.

(2)對濕度分析得到夏季相對濕度范圍為60 %～80 %,平均值一般都在70 %以上,冬季相對濕度范圍為30 %～50 %,平均值一般在35 %左右.依據(jù)規(guī)范可知，冬季相對濕度較好,夏季相對濕度較高,應在公共區(qū)域設置除濕器來提高乘客舒適度.

(3)夏季地鐵站外平均風速0.89 m/s,進站口0.53 m/s,售票處0.28 m/s,站廳0.24 m/s,站臺0.46 m/s,車廂0.52 m/s.冬季站外平均風速1.3 m/s,進站口0.79 m/s,售票處0.42 m/s,站廳0.32 m/s,站臺0.41 m/s,車廂0.46 m/s,風速變化趨勢與夏季相同,風速均呈正V型.

(4)乘客進入地鐵站后,熱感覺逐漸舒適,到達站廳后,舒適度下降.由于冬、夏季氣候差異較大,乘客對環(huán)境溫度的期望不同,夏季期望溫度較高,冬季期望溫度較低.夏季車廂內(nèi)33 %的乘客感覺到偏冷,冬季18 %的乘客感覺到偏熱.所以需要根據(jù)改善車廂內(nèi)環(huán)境來提高乘客熱舒適度.

(5)經(jīng)回歸分析得到冬、夏季車廂內(nèi)熱中性溫度回歸方程,分析得到地鐵車廂內(nèi)夏季熱中性溫度為25.4 ℃,冬季地鐵車廂內(nèi)熱中性溫度為17.3 ℃.通過與車廂內(nèi)的平均溫度和乘客車廂內(nèi)的熱感覺的對比得出,車廂內(nèi)溫度應對實際情況進行調(diào)整,以便為車廂環(huán)境設計參數(shù)的確定提供參考.