寒冷地區(qū)春季地鐵車廂出行者適應性熱舒適研究*

西安建筑科技大學 林宇凡 孫 歌西北工業(yè)大學 鄭武幸西安建筑科技大學 李曉偉 楊秋俠 李 婷

0 引言

隨著城市發(fā)展的日新月異，人們對生活質(zhì)量的要求不斷提高，以及綠色和可持續(xù)發(fā)展理念的普及，不論在室內(nèi)、外或在特殊環(huán)境下(例如公共交通工具)，都希望處于舒適的熱環(huán)境中。

ASHRAE認為，人體熱舒適是“人體對周圍熱環(huán)境感覺滿意的意識與狀態(tài)”[1]。目前，獲得舒適的熱環(huán)境有2個途徑：一個是以人體換熱平衡為基礎，基于人工氣候?qū)嶒灲Y(jié)果的PMV模型[2]，它為人類社會創(chuàng)造舒適人工環(huán)境提供了科學依據(jù)；另一個是基于地域氣候的熱適應模型[3-5]，考慮人的行為調(diào)節(jié)、生理習服、心理調(diào)節(jié)因素[6-7]。熱舒適模型和理論已發(fā)展較為成熟，世界各個地區(qū)也相繼開展了室內(nèi)外環(huán)境的熱舒適研究，并且開始關注特殊環(huán)境(例如地鐵交通)的熱舒適問題。目前關注點主要體現(xiàn)在3個方面。一是調(diào)研地鐵交通工具內(nèi)熱環(huán)境，通過對昆明、青島、上海等地鐵車廂熱環(huán)境參數(shù)進行測試，結(jié)合主觀問卷得到乘客的實際熱感受評價情況，發(fā)現(xiàn)乘客熱中性溫度與可接受溫度范圍[8-11]；杜賽賽等人針對北京平峰時段某2個地鐵站及其往來車輛的熱環(huán)境情況進行了現(xiàn)場調(diào)研，獲得寒冷地區(qū)夏季地鐵熱環(huán)境的特點[12]。二是調(diào)研地鐵站廳層工作區(qū)的風速和氣溫的耦合作用，發(fā)現(xiàn)其熱環(huán)境的特性[13]。三是提出一些設計策略：管宏宇等人發(fā)現(xiàn)昆明地鐵車廂溫度低于熱中性溫度，為溫和地區(qū)地鐵車廂熱環(huán)境設計參數(shù)的確定提供了參考[8-9]；谷雅秀等人通過研究分析了長春地鐵車站及車廂的熱環(huán)境和熱舒適狀況，為地鐵環(huán)控系統(tǒng)的設計提供了參考[14]；朱培根等人結(jié)合南京地鐵現(xiàn)有的環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)，提出了車站溫度動態(tài)控制模型[15]。

相關文獻對公共交通工具熱舒適研究提供了有意義的探索，但仍有一些問題尚待揭示：1) 中國幅員遼闊，不同地域的氣候條件差異較大，出行者的長期熱經(jīng)歷背景不同，因此，需要發(fā)現(xiàn)關中寒冷地區(qū)城市出行者的熱舒適中性溫度、偏好區(qū)域、可接受閾值區(qū)及熱適應特性；2) 已有文獻未考慮出行者的短期熱暴露(即出行者進入車廂前的短期熱經(jīng)歷)，以及未考慮出行起終點不同，會導致出行者在車廂內(nèi)的熱適應性差異。

針對上述問題，本文選取氣候四季分明的寒冷氣候區(qū)代表城市——西安，以其地鐵熱環(huán)境為關注點，開展春季熱舒適現(xiàn)場調(diào)研。研究目的是：在考慮出行者長期熱經(jīng)歷、短期熱暴露及出行起終點的基礎上，通過現(xiàn)場實測及調(diào)研發(fā)現(xiàn)出行者主觀感受特點；同時揭示出行者對地鐵車廂熱環(huán)境的適應特性。此項工作有助于對寒冷地區(qū)地鐵車廂熱環(huán)境較全面的了解，同時為地鐵熱環(huán)境設計與評價提供參考，致力于營造健康、舒適、節(jié)能的地鐵車廂熱環(huán)境。

1 材料與方法

1.1 氣候與調(diào)研地點

本次調(diào)研地點為西安市地鐵4號線。西安市屬于寒冷地區(qū)，氣候為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冷暖干濕，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷多霧，而春季溫暖、干燥、多風、氣候多變。西安春季為每年的3—5月，平均氣溫為14.8 ℃，平均相對濕度約為66.1%，平均風速為0.7～2.6 m/s。

1.2 調(diào)研內(nèi)容

1.2.1出行者遴選

地鐵出行者涉及各類人群，包括青年人、老年人、男性、女性等，如果不對出行人群分類，可能會給后續(xù)數(shù)據(jù)分析帶來誤差，因此，本文選取出行者中的青年健康群體，遴選長期生活在西安市的在校大學生作為受試者。此外，出行者遴選還考慮了2個前提條件：1) 出行者應有相似的長期熱經(jīng)歷背景，因此要求出行者至少在西安生活了3 a；2) 出行者應有相同的短期熱經(jīng)歷背景和相同的出行起終點。因為通過已有文獻梳理，發(fā)現(xiàn)未考慮出行者的短期熱暴露(即出行者進入車廂前的短期熱經(jīng)歷)和出行起終點不同，可能會給后續(xù)數(shù)據(jù)分析帶來誤差。此外，要求出行者身體健康，無心血管系統(tǒng)疾患，調(diào)研之前應保證正常飲食和充足的睡眠，避免飲酒、喝咖啡、服藥等。避免劇烈運動和情緒波動，以確保調(diào)研當天身體狀況和精神狀態(tài)均良好。調(diào)研前，對出行者進行動員，內(nèi)容包括閱讀調(diào)研說明書和主觀問卷調(diào)查。

1.2.2熱環(huán)境參數(shù)測試

地鐵車廂內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)(空氣溫度、空氣濕度、黑球溫度、風速)的測試方法參照ISO 7726:1998標準[16]，在進行測試之前，對測試儀器進行了調(diào)試和校核。熱環(huán)境參數(shù)測試儀器見表1。

表1 環(huán)境參數(shù)測試儀器

1.2.3主觀調(diào)查問卷

本次調(diào)研的問卷設計包括2個部分。第1部分統(tǒng)計出行者的基本信息，如年齡、性別、身高、體重、服裝熱阻、活動量、出行時長。第2部分調(diào)研出行者的主觀感受，包括：熱感覺，采用ASHRAE[17]的7度標尺(-3冷、-2涼、-1稍涼、0中性、1稍暖、2暖、3熱)；熱舒適，7度標尺(-3非常不舒適、-2不舒適、-1稍不舒適、0中性、1比較舒適、2舒適、3非常舒適)；濕度感，7度標尺(-3很潮濕、-2潮濕、-1有點潮、0適中、1有點干燥、2干燥、3非常干燥)；氣流感，7度標尺(-3氣流感很強、-2有氣流感、-1有微風感、0適中、1有點悶、2悶、3很悶)；熱可接受度，4度標尺(1完全接受、0.01剛剛接受、-0.01剛剛不接受、-1完全不接受)；車廂內(nèi)空氣溫度、相對濕度、風速的期望投票則采用3度標尺(1增大(升高)、0不變、-1減小(降低))。

1.3 調(diào)研流程

本次調(diào)研路線為地鐵4號線，調(diào)研季節(jié)為春季的4月，歷時19 d?？紤]出行者的短期熱暴露因素和出行起終點因素，要求出行者從學校出發(fā)，徒步到達地鐵車站，起終點均為建筑科技大學·李家村站和老火車站，克服了出行者的短期熱暴露差異和起終點不同帶來的誤差。

具體流程為：1) 出行者應進行調(diào)研準備，包括攜帶便攜式測量儀器和主觀問卷；2) 從宿舍出發(fā)徒步到達地鐵車站(建筑科技大學·李家村站)入口處，測量室外環(huán)境參數(shù)1次，同時填寫主觀問卷1次；3) 進入地鐵車廂，測量車廂環(huán)境參數(shù)1次，同時填寫主觀問卷1次；4) 每5 min測量車廂環(huán)境參數(shù)1次，同時填寫主觀問卷1次，共計4次，歷時大概20 min；5) 確認問卷填寫完整后，攜帶儀器乘坐地鐵原路返回至學校，調(diào)研結(jié)束。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

為研究出行者主觀感受與環(huán)境溫度之間的關系，采用溫度頻率法(Bin法)，將操作溫度以1 ℃為間隔進行分組，得出主觀感受投票的平均值。操作溫度是根據(jù)人體與環(huán)境的干熱交換公式推導出的溫度參數(shù)，本文根據(jù)GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》[18]的規(guī)定來計算：

top=Ata+(1-A)tr

(1)

式中top為操作溫度，℃；A為系數(shù)，根據(jù)空氣流速取值；ta為空氣溫度，℃；tr為平均輻射溫度，℃，可由黑球溫度tg、ta和風速v根據(jù)式(2)計算得出：

tr=tg+2.4v0.5(tg-ta)

(2)

2 調(diào)研結(jié)果

2.1 熱環(huán)境參數(shù)測試結(jié)果

本文主要研究車廂內(nèi)熱環(huán)境對出行者適應性熱舒適的影響，暫不涉及室外環(huán)境參數(shù)。地鐵車廂內(nèi)的環(huán)境參數(shù)包括空氣溫度、相對濕度、風速、黑球溫度，對測試參數(shù)的最小值、最大值、平均值和標準差進行了描述性統(tǒng)計，結(jié)果見表2，各參數(shù)頻率分布見圖1。

表2 熱環(huán)境參數(shù)

從圖1可知：春季地鐵車廂內(nèi)空氣溫度主要集中在22～26 ℃，占比為80.5%；而相對濕度則主要集中在30%～60%，占比超過95%；黑球溫度在各溫度段分布比較均勻；車廂內(nèi)風速主要集中在0～0.4 m/s，占比接近80%，說明風速相對較小。

圖1 地鐵車廂內(nèi)環(huán)境參數(shù)頻率分布

2.2 出行者主觀感受分析

2.2.1基本資料統(tǒng)計

地鐵車廂內(nèi)主觀問卷調(diào)查共回收有效問卷215份，出行者數(shù)量為44人，且長期生活在西安，年齡均在20～29歲之間，性別比例為男∶女=30∶14，同時出行者的身高、體重及服裝熱阻等信息見表3。

表3 出行者基本資料

2.2.2主觀感受

主觀感受指的是出行者對周圍熱環(huán)境的主觀反應，本文從以下2個方面進行統(tǒng)計分析：一是包括熱感覺、濕感覺等；二是對車廂環(huán)境參數(shù)的心理期望。

圖2顯示了主觀感受投票、環(huán)境期望投票及熱可接受度投票。從圖2a可看出：春季車廂內(nèi)，熱感覺投票為中性(0)和稍暖(1)的占比較大，分別為44.2%和32.1%；濕感覺投票為適中(0)和有點干燥(1)的占比較大，分別為47.4%和33.0%；在氣流感方面，認為有微風感(-1)、適中(0)和有點悶(1)3種的出行者占比較大，超過了80%，其中認為有點悶(1)的出行者稍多，占35.3%；有超過一半的出行者熱舒適投票為適中(0)，即比較認可車廂內(nèi)的舒適度；同時，在4種主觀感受的投票中，極端感受的投票相當少，說明當前熱環(huán)境尚在出行者的容忍范圍內(nèi)。

圖2 主觀感受投票、環(huán)境期望投票及熱可接受度投票

從圖2b可看出：53.5%的出行者認為車廂空氣溫度適中(0)，而期望溫度降低(-1)和升高(1)的占比分別為37.7%和8.8%，說明如要改變當前溫度，出行者更希望溫度降低；52.1%的出行者滿意當前的相對濕度，但42.8%的出行者期望相對濕度增大；43.3%出行者認為風速比較合適，但還有51.6%的出行者期望風速增大。

從圖2c可看出，出行者對車廂的熱可接受度較好，選擇剛剛可接受(0.01)和完全可接受(1)的分別占58.1%和29.8%，只有1.4%的出行者完全不能接受車廂的熱環(huán)境，表明出行者對當前車廂熱環(huán)境比較滿意。

3 適應性分析

3.1 熱感覺

為探究平均熱感覺投票MTS與操作溫度top之間的關系，采用Bin法對兩者進行擬合分析，擬合結(jié)果如式(3)所示：

MTS=0.14top-2.65 (R2=0.823)

(3)

圖3顯示了車廂平均熱感覺投票與操作溫度的關系。由圖3可知：熱感覺與車廂內(nèi)操作溫度成正比；熱感覺每變化1個標度值，操作溫度的改變量為7.1 ℃，由此說明出行者對溫度的敏感度較差；令MTS=0，得操作溫度為18.9 ℃(稱為熱中性溫度，即理論上人體感覺最適中的環(huán)境溫度)；從整體來看，出行者普遍認為地鐵車廂內(nèi)偏暖，因此比較期待較涼爽的環(huán)境。

圖3 車廂平均熱感覺投票與操作溫度的關系

3.2 濕感覺

車廂內(nèi)相對濕度主要集中在30%～60%，為更具體分析相對濕度與濕感覺之間的關系，將相對濕度以5%為間隔進行分組，得出平均濕感覺投票值，對其進行擬合分析，擬合結(jié)果如下：

MHS=-0.02φ+1.34 (R2=0.388)

(4)

式中MHS為平均濕感覺投票值；φ為相對濕度。

圖4顯示了平均濕感覺投票與相對濕度的關系。由圖4可知：濕感覺與車廂內(nèi)相對濕度成反比；擬合方程斜率為-0.02，即相對濕度每改變1%，濕感覺標度值改變0.02；當濕感覺投票為0時，車廂內(nèi)相對濕度為67.0%(即為中性相對濕度)，出行者在該車廂環(huán)境下感覺比較舒適。

圖4 平均濕感覺投票與相對濕度的關系

3.3 氣流感

為分析車廂內(nèi)風速與氣流感的關系，將風速以0.1 m/s分組，計算每組內(nèi)氣流感投票的平均值，對風速與平均氣流感投票值進行擬合回歸分析，擬合結(jié)果如下：

MAMS=-1.12v+0.74 (R2=0.514)

(5)

式中MAMS為平均氣流感投票值；v為風速，m/s。

圖5顯示了平均氣流感投票與風速的關系。由圖5可知：氣流感與車廂內(nèi)風速成反比；氣流感每變化1個標度值，風速的改變量為0.89 m/s；令MAMS=0，可得風速為0.66 m/s(即為中性風速)，此時出行者的氣流感最為舒適；從整體分布來看，風速主要集中在0.40 m/s內(nèi)，出行者大多數(shù)感覺比較悶，期望較大的風速。

圖5 平均氣流感投票與風速的關系

3.4 熱可接受度

為研究出行者對所處熱環(huán)境的可接受溫度范圍，將車廂內(nèi)的操作溫度以1 ℃進行分組，統(tǒng)計每組內(nèi)的熱可接受度PS(包括剛剛可接受和完全可接受，即滿意百分比)，采用二次回歸進行分析，最后求得90%的可接受溫度范圍，擬合結(jié)果為

(6)

圖6顯示了熱可接受度與操作溫度的關系。由圖6可知：隨著操作溫度的升高，出行者的熱可接受度先上升后下降；90%可接受溫度范圍為19.4～24.7 ℃，但其下限值略高于熱中性溫度(18.9 ℃)；從整體分布來看，出行者對當前熱環(huán)境的可接受度較高。

圖6 熱可接受度與操作溫度的關系

3.5 心理期望

當所處的實際熱環(huán)境狀態(tài)與人們對熱環(huán)境所期望的狀態(tài)相符時，受試者就會對該環(huán)境感到滿意，相差程度越大，則滿意度越小，希望改變當前環(huán)境狀態(tài)的期望就越強烈。

從影響人體熱舒適的環(huán)境參數(shù)出發(fā)，分別對空氣溫度、相對濕度及風速的期望態(tài)度進行討論，其中希望溫度、相對濕度及風速增大(升高)或減小(降低)，說明受試者對當前環(huán)境不滿意，若希望保持不變，則說明受試者對當前環(huán)境感到滿意。將空氣溫度以1 ℃、相對濕度以5%、風速以0.1 m/s進行分組，統(tǒng)計每組內(nèi)受試者“希望增大(升高)”和“希望減小(降低)”的人數(shù)百分比，并進行回歸分析，結(jié)果如圖7所示，2條期望線的交點表示出行者所期望的空氣溫度、相對濕度及風速，最后發(fā)現(xiàn)春季出行者期望為：空氣溫度20.1 ℃，相對濕度68.9%，風速0.72 m/s。

3.6 服裝熱阻

服裝熱阻作為影響人體熱舒適的主要因素之一，與室外環(huán)境溫度有著極大的關系。服裝熱阻C與室外溫度的擬合關系式為

(7)

圖8顯示了服裝熱阻與室外溫度的關系。由圖8可以看到：隨著室外空氣溫度的升高，服裝熱阻減小，室外溫度每升高1 ℃，受試者的服裝熱阻減小0.02 clo；當室外溫度低于19 ℃時，服裝調(diào)節(jié)作用隨溫度變化敏感程度較??；當室外溫度高于19 ℃時，服裝熱阻的減小幅度較大，即服裝調(diào)節(jié)作用隨溫度變化敏感程度較之前增大。

圖8 服裝熱阻與室外溫度的關系

從總的趨勢來看，人們會隨著室外空氣溫度的變化來調(diào)整著衣量，以更好地適應熱環(huán)境。

4 討論

表4顯示了本次現(xiàn)場測試結(jié)果和數(shù)據(jù)擬合結(jié)果。對比表中實測值和擬合的中性值，發(fā)現(xiàn)擬合的中性溫度值高于實測溫度值，擬合的相對濕度和風速值低于實測值，表明出行者認為車廂溫度偏高，相對濕度和風速偏低。對比表中擬合的中性值和期望值，發(fā)現(xiàn)二者基本吻合，結(jié)合期望投票分布頻率值，表明出行者期望車廂溫度降低，相對濕度和風速增大。

表4 現(xiàn)場測試和擬合結(jié)果匯總

熱感覺投票MTS隨操作溫度變化的擬合方程的回歸系數(shù)表明人體熱感覺對溫度變化的敏感度，選取春季長春地鐵車廂和春季西安自然通風建筑[14,19]，研究建筑環(huán)境和交通工具環(huán)境之間，以及不同地域氣候下交通工具環(huán)境之間人們的熱適應性差異。對3種MTS擬合模型進行對比，結(jié)果見表5和圖9。西安4號線地鐵車廂的溫度敏感度為0.14，中性溫度為18.9 ℃；西安自然通風建筑的溫度敏感度為0.176，中性溫度為21.0 ℃；長春地鐵車廂的溫度敏感度為0.030，中性溫度為22.5 ℃。出現(xiàn)差異的原因如下：1) 西安4號線地鐵車廂的溫度敏感度與西安春季自然通風建筑的溫度敏感度接近，表明相同地域的人群對建筑環(huán)境和交通工具環(huán)境的溫度感受接近。2) 西安自然通風建筑的熱中性溫度高于西安4號線地鐵車廂，表明人們期望獲得更溫暖的建筑環(huán)境。3) 西安4號線地鐵車廂的溫度敏感度與長春地鐵車廂的溫度敏感度出現(xiàn)差異，并且熱中性溫度較低，這可能是受室外氣候影響。本次調(diào)研在4月進行，西安月平均氣溫約為15 ℃，而長春春季平均氣溫約為7 ℃，并處于供暖季，對比而言長春人更偏好較溫暖的車廂溫度。

表5 MTS與top擬合回歸關系

圖9 MTS與top的擬合關系

對當天實測的室外溫度及對應的出行者中性溫度分別求取平均值，其中中性溫度tn按照Griffiths方法[20]計算，即tn=top-MTS/G(其中G為Griffiths常數(shù)，取0.5[21])，建立兩者之間的線性關系式，可得到熱適應模型，見表6和圖10。

表6 熱適應模型

圖10 熱適應模型對比

對比西安地鐵車廂與西安自然通風建筑的熱適應模型[22]，發(fā)現(xiàn)中性溫度隨著平均室外溫度tout的變化規(guī)律不同，室外溫度每變化1 ℃，在地鐵車廂與自然通風建筑中，人體感覺舒適的溫度變化分別為0.18 ℃和0.30 ℃，可知，人體的中性溫度在地鐵車廂中變化較小。同時，由圖10可知，在相同室外溫度下，地鐵車廂中的中性溫度低于自然通風建筑中的中性溫度，表明人體對短期熱暴露場所的溫度容忍度較高。

適應性分析的思路是發(fā)現(xiàn)出行者主觀感受與車廂環(huán)境參數(shù)之間的關系，以期找到它們之間的內(nèi)在規(guī)律性。濕感覺和熱可接受度的擬合結(jié)果分別見式(4)、(6)，發(fā)現(xiàn)R2值偏低，說明出行者的濕感覺和熱可接受度不僅與相對濕度和車廂操作溫度有關，可能還有其他影響因素，重慶大學課題組有類似的發(fā)現(xiàn)，在研究居住建筑人員的主觀感受時，發(fā)現(xiàn)濕感覺不僅與相對濕度有關，還與不同地域的居住者和服裝熱阻有關[23]。

5 結(jié)論與展望

1) 西安地鐵車廂的熱中性溫度為18.9 ℃；適中的相對濕度和風速分別為67%和0.66 m/s。對比實測值，出行者認為車廂溫度偏高，相對濕度和風速偏低。

2) 期望的溫度、相對濕度和風速分別為20.1 ℃、68.9%和0.72 m/s。對比實測值，發(fā)現(xiàn)出行者期望車廂溫度降低，相對濕度和風速增大。

3) 對比西安春季自然通風建筑，發(fā)現(xiàn)相同地域的人群對建筑環(huán)境和交通工具環(huán)境的溫度敏感度接近，并且人們期望獲得更溫暖的建筑環(huán)境。

4) 對比長春春季地鐵車廂，發(fā)現(xiàn)人群在溫度敏感度和熱中性溫度出現(xiàn)差異，這可能與地域室外氣候有關。

5) 對比西安春季自然通風建筑，地鐵車廂中的中性溫度低于自然通風建筑中的中性溫度，表明人們對短期熱暴露場所的溫度容忍度較高。

本次調(diào)研遴選的出行者屬于青年健康群體，后續(xù)研究還將擴大不同出行者群體樣本量，包括不同年齡段、不同性別等。本次調(diào)研季節(jié)為春季，后續(xù)研究還要關注其他季節(jié)及高峰/非高峰時段。本研究的適應性分析發(fā)現(xiàn)，出行者主觀感受與車廂環(huán)境參數(shù)之間的有些擬合關系式的R2值偏小，表明有多因素影響，后續(xù)研究還將探索出行者的主觀感受與多種因素的耦合機理。與其他建筑環(huán)境不同，地鐵出行者往往在短時間內(nèi)進出車廂，從熱適應的角度看，可能會受到室外熱環(huán)境的影響，后續(xù)還要開展相關研究。