瞬態(tài)環(huán)境軌道交通客車乘員人體熱舒適分析

刁雷，何鋒，趙京

（1.550025 貴州省 貴陽市 貴州大學 機械工程學院；2.550025 貴州省 貴陽市 貴州航航科技有限公司）

0 引言

地鐵列車乘員熱舒適隨車廂空調送風系統(tǒng)熱流場改變而變化。張建平[1]以B 型地鐵半節(jié)車廂為模型，以不同的送風角度及回風情況工況對車廂內氣流組織進行數(shù)值模擬；柳禹羿[2]采用人體模型第三類邊界，對車廂內氣流組織進行數(shù)值計算，并利用 ADPI 熱舒適性評價；胡滋艷[3]結合PMV-PPD 評價法對車廂乘員進行了人體熱舒適分析。徐雯和王瑞君[4]采用模糊綜合模型對乘員的熱舒適性評價，優(yōu)化設計裝甲車輛空調艙內氣流組織，為空調艙送風控制提供相關理論依據(jù)。目前，人體熱舒適性評價通常借用適用于穩(wěn)態(tài)、均勻熱環(huán)境的PMV-PPD 評價法。地鐵車廂環(huán)境復雜多變，呈現(xiàn)熱環(huán)境高度不均勻；Fiala[5]對大量的熱舒適實驗的熱舒適模型進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，控制整體動態(tài)熱感覺的3 個生理變量分別是皮膚溫度、核心溫度及皮膚溫度變化率。開發(fā)出一種數(shù)學模型，其預測人體熱響應以及穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下的熱感覺；Stolwijk[6]等提出人體生理溫度調節(jié)模型，將人體分為14 個節(jié)段，每個節(jié)段均有肌肉層、核心層、脂肪層及皮膚層。Zhang[7]等基于非均勻和瞬態(tài)條件下人體實驗測試，建立了局部熱舒適、人體局部熱感覺、整體熱感覺與整體熱舒適模型人體熱舒適預測模型，但目前鮮有該模型在軌道交通領域應用。

針對B 型地鐵列車乘員車廂空氣循環(huán)導致人體熱舒適不佳，結合瞬態(tài)熱舒適模型對不同新風進口溫度及不同進口風量下人體熱舒適進行對比評價。對進一步推進優(yōu)化車廂送風控制、氣流循環(huán)和節(jié)能有著重要意義。

1 熱舒適理論

Berkeley 人體熱舒適模型中局部熱感覺指標計算

式中：Ts1——局部皮膚表面溫度，℃；S1——局部熱感覺；Ts1s——設定的局部皮膚表面溫度，℃；Tsas——設定的平均溫度，℃；Tsa——平均皮膚溫度，℃；Tc——核心溫度，℃；C1，K1，C2i，C3i——常數(shù)回歸系數(shù)；t——時間，s。

局部熱舒適指標公式為：

式中：S0——整體熱感覺絕對值；C3，C6，C7，C8，n——常數(shù)回歸系數(shù)，其中，整體熱感覺正負不同時，C3和C7數(shù)值不相同；其中，

式中：Wi——各部位影響權重。

一般情況下，整體熱舒適取兩個最低局部熱舒適度平均值。

2 數(shù)值計算

2.1 計算模型

如圖1 所示，建立半截車廂，車廂總長、寬、高分別為9.9，2.1，2.8 m。各風口按實際尺寸及位置布置。簡化兩側送風口；頂部設回風口4 個；布置2 個廢排風口在地鐵頂板，條縫型廢排風口設于列車底部。

圖1 車廂及人體模型圖Fig.1 Carriage and manikin

2.2 網格劃分及邊界條件

如圖2 所示，利用STRA-CCM+幾何清理，表面重構選擇高質量三角形，人體表面使用棱柱層及細化網格50%，網格類型選用多面體網格，整體網格數(shù)量42 萬。

圖2 1/2 車廂網格Fig.2 1/2 carriage grid

選用Realizable k-ε湍流模型，地鐵處于地下，忽略太陽熱輻射。車廂內流為低速受限流動，選用Boussinesq 重力模型。半截車廂進口風量為4 000 m3/h，回風量2 350 m3/h，廢排風量1 650 m3/h。入口邊界條件設置為質量流量入口，回風口設置為+y 軸質量流量入口，數(shù)值為0.193 2 kg/s。出口邊界條件根據(jù)廢排風量設置為壓力50 Pa 目標質量流量壓力出口。人體熱調節(jié)模型采用Stolwijk的人體生理溫度調節(jié)模型，TCM 乘客設置根據(jù)實驗所測設置。TCM 邊界設置相對濕度保持40%，外部對流列車參考車75 km/h，外部總溫度35 ℃，車身、車窗及車門設置為對流。熱傳遞系數(shù)分別2.4，3.1，4.6 W/m2·K。

3 結果與分析

3.1 實驗與數(shù)值計算對比

對乘員位置進行實測。圖3 為對比云圖。實驗云圖中，背景環(huán)境溫度為22 ℃，頭部面部因戴口罩，軀干、大腿及腳部因著衣呈現(xiàn)較低溫度，實驗與仿真皮膚表面溫度云圖基本吻合。

圖3 乘員實驗與仿真溫度云圖對比Fig.3 Comparison of temperature nephogram between passenger experiment and simulation

3.2 進口溫度的影響

設置進風溫度16，20，24 ℃三組工況，送風量均為4 000 m3/h。圖4 中，隨著進口溫度的升高，人體熱感覺在各部位也隨之升高。其中，頭部和小腿部位熱感覺較高，說明乘員感覺到更熱。除軀干外，人體其余部位在各工況下均處于正值。人體四肢對于進口溫度的改變比較敏感，說明頭部、軀干等部位熱感覺受進口溫度的影響較小。

圖4 不同進口溫度乘員局部熱感覺對比Fig.4 Comparison of local thermal sensation of passengers with different inlet temperatures

如圖5 所示，隨著進口溫度的降低，人體局部熱舒適隨之升高。其中，對熱感覺最為敏感的四肢熱舒適改善較為明顯，當人體四肢感受到不舒適時可適當降低送風溫度；左下臂隨著溫度的降低由輕微不舒適狀態(tài)轉變?yōu)槭孢m狀態(tài)；腳部處于溫暖的熱感覺狀態(tài)局部熱舒適較高，說明腳部更偏好于溫暖的環(huán)境；頭部和小腿部位則相反。因此，地鐵車廂想要改善人體熱舒適情況，應加強頭部和小腿部位的氣流均勻度，使其獲得較為舒適的狀態(tài)。

圖5 不同進口溫度乘員局部熱舒適對比Fig.5 Comparison of local thermal comfort of passengers with different inlet temperatures

局部熱感覺和局部熱舒適決定整體熱感覺和整體熱舒適，如圖6 所示。夏季條件下，整體熱感覺隨進口溫度的升高而升高；反之，整體熱舒適隨進口溫度而定升高而降低。16 ℃工況下相對于24 ℃工況下，熱感覺降低了30.66%，熱舒適升高了6.32%。因此，夏季條件下，降低進口溫度可降低熱感覺提升熱舒適。

圖6 不同進口溫度乘員整體熱感覺和舒適對比Fig.6 Comparison of overall thermal feeling and comfort of passengers with different inlet temperatures

3.2 進風量的影響

設置進口風量4 000，6 000，8 000 m3/h 三組工況，進口溫度保持20 ℃。如圖7 所示，隨著進口風量的增大，人體局部熱感覺隨之升高，腳部除外。人體四肢對進風量的改變比較敏感。相較于進口溫度的改變，進口風量的增加使得頭部和小腿部分降低熱感覺的效果變得明顯。結合進口溫度的影響，人體想要得到全部位低熱感覺，軌道交通客車需加以適當?shù)倪M口溫度和風量。

圖7 不同進風量乘員局部熱感覺對比Fig.7 Comparison of local thermal sensation of passengers with different air intakes

如圖8 所示，人體大部分局部熱舒適隨進風量的增大而增大，軀干和腳部隨進風量的增大局部熱舒適減小。這說明局部和軀干更偏好于低進風量。

圖8 不同進風量乘員局部熱舒適對比Fig.8 Comparison of local thermal comfort of passengers with different air intakes volume

如圖9 所示，隨著進風量增大，整體熱感覺下降，整體熱舒適上升。其中，8 000 m3/h 的進風量相較于4 000 m3/h 整體熱感覺下降了21.14%，整體熱舒適上升了19.92%。由于整體熱舒適和局部不舒適相關，車廂中的人體小腿部分局部熱舒適最差。提升進口風量小腿的敏感度較高。因此，提升進風量可降低熱感覺，提升整體熱舒適。

圖9 不同進風量乘員整體熱感覺熱舒適對比Fig.9 Comparison of overall thermal feeling and comfort of passengers with different air intake volume

4 結論

通過對比實驗與數(shù)值模擬人體溫度場確保數(shù)值計算的準確性，結合瞬態(tài)人體熱舒適模型研究了夏季不同進口溫度和不同進口流量對人體熱感覺及熱舒適的影響。得出以下結論：

（1）進口溫度升高會提高人體局部熱感覺，導致整體熱感覺上升，整體舒適度下降。腳部偏好熱環(huán)境的部位局部舒適度上升。

（2）進口風量的增大降低人體局部熱感覺，導致整體熱感覺下降，整體舒適度上升。其中軀干和腳部更偏好低進口風量。