夏季輕軌車廂環(huán)境舒適度研究

趙嵩穎，王冬冬，趙超洋，陳 雷

吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118

作為一種方便、快捷的城市交通工具,輕軌列車為乘客的出行提供了極大的便利.憑借載客量大、安全性高的優(yōu)勢,輕軌有效緩解了人口與交通資源、汽車與交通設(shè)施之間的緊張關(guān)系.在乘車過程中,舒適的乘車環(huán)境與車廂內(nèi)溫濕度的大小及氣流速度分布的合理性密不可分[1-2].由于每節(jié)車廂的空間相對有限,各個(gè)站點(diǎn)之間運(yùn)行時(shí)間較短和乘客上下車頻繁,導(dǎo)致車廂內(nèi)外冷熱空氣頻繁地進(jìn)行熱交換,造成車廂內(nèi)溫、濕度參數(shù)的不穩(wěn)定[3-4].基于以上分析,探究夏季條件下輕軌車廂內(nèi)的環(huán)境舒適度,對于提高車廂內(nèi)環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定性和改善乘客的出行質(zhì)量具有重要意義.

1 環(huán)境參數(shù)實(shí)測

以長春市輕軌4號(hào)線中一節(jié)車廂為例,從2021年6月14日至6月25日期間,對該車廂內(nèi)的空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速進(jìn)行測試及對乘客舒適度進(jìn)行問卷調(diào)查,探究夏季輕軌列車車廂內(nèi)環(huán)境舒適度狀況.其中,4號(hào)線全長16.33 km,地下段3.3 km,采用6節(jié)編組C型列車擔(dān)任載客任務(wù).在日常運(yùn)行路線中,共設(shè)立16座站點(diǎn),線路起于長春站北站,止于天工路站.

為節(jié)約城市占地空間，緩解交通壓力,除部分為地下站點(diǎn)外,其它站點(diǎn)均為高架站臺(tái).選取天工路站對部分時(shí)段站臺(tái)氣候參數(shù)進(jìn)行測試,測試結(jié)果見表1.

表1 天工路站部分時(shí)段站臺(tái)氣候參數(shù)Table 1 Platform climate parameters of Tiangong Road Station in some periods

1.1 測量位置選取

測試進(jìn)行之前,在輕軌列車車廂內(nèi)選取3處不同的位置作為測量點(diǎn).測量點(diǎn)的具體位置見表2.

表2 天工路站至長春站北站方向測量點(diǎn)坐標(biāo)Table 2 Coordinates of measurement points from Tiangong Road Station to Changchun North Station

1.2 測試結(jié)果及分析

為研究輕軌車廂在夏季運(yùn)行時(shí)的環(huán)境舒適度狀況，沿天工路站至長春站北站方向測試期間，在車廂內(nèi)溫度、相對濕度、風(fēng)速等參數(shù)測試的基礎(chǔ)上，通過使用手持型風(fēng)速儀進(jìn)一步對世榮路站空調(diào)系統(tǒng)的送回風(fēng)參數(shù)進(jìn)行測試，測試結(jié)果及車廂內(nèi)的乘客數(shù)見表3.

表3 世榮路站空調(diào)參數(shù)Table 3 Air conditioning parameters of Shirong Road Station

輕軌列車從天工路站至長春站北站運(yùn)行期間，3個(gè)測量點(diǎn)的溫濕度及風(fēng)速變化曲線分別如圖1, 圖2,圖3所示.

圖1 6月15日天工路站-長春站北站運(yùn)行期間溫度變化曲線Fig.1 Temperature curves during operation of Tiangong road station-Changchun station north station on June 15

圖2 6月15日天工路站-長春站北站運(yùn)行期間濕度變化曲線Fig.2 Humidity curves during operation of Tiangong road station-Changchun station north station on June 15

圖3 6月15日天工路站-長春站北站運(yùn)行期間風(fēng)速變化曲線Fig.3 Wind velocity curves during operation of Tiangong road station-Changchun station north station on June 15

根據(jù)以上測試結(jié)果，6月15日當(dāng)天，室外天氣為晴天.由于測試時(shí)間始于正午時(shí)分，因此列車自南向北開始運(yùn)行時(shí)，車廂左右兩側(cè)受到太陽輻射的影響較小，此時(shí)車廂內(nèi)各測點(diǎn)的溫度在19 ℃～21 ℃之間.從圖1溫度變化曲線可知，因測量點(diǎn)1,3所在位置距離相鄰車廂的車門較近，當(dāng)列車抵達(dá)各個(gè)站點(diǎn)時(shí)，列車車門的開啟時(shí)間在15 s～20 s之間，站臺(tái)附近的熱空氣通過開啟的車門進(jìn)入車廂內(nèi)部，造成測量點(diǎn)1，3溫度值相較測量點(diǎn)2分別高2 ℃,1.3 ℃左右，因此，該兩測量點(diǎn)處的溫度易受到來自站臺(tái)熱空氣的影響.隨著列車的繼續(xù)行駛，太陽逐漸向西偏移，部分太陽輻射能量通過車廂左側(cè)的透明玻璃進(jìn)入車廂，因此各測點(diǎn)的溫度有所增加.同時(shí)，乘車人數(shù)的不斷增多，以及人體新陳代謝熱量的釋放，導(dǎo)致各測點(diǎn)的溫度值明顯提高，達(dá)到20.5 ℃～22.5 ℃.列車運(yùn)行至職業(yè)學(xué)院站時(shí)，測點(diǎn)1和測點(diǎn)2附近的乘客數(shù)量減少，兩處的溫度值出現(xiàn)下降趨勢.當(dāng)列車于12∶40途徑吉林大路站時(shí)，由于在該換乘站的乘客流量較大，乘客數(shù)量明顯增多，導(dǎo)致測量點(diǎn)1～3的溫度值均相應(yīng)增加，且各自的最大增溫幅度分別在0.7 ℃,0.7 ℃,0.6 ℃左右.列車即將抵達(dá)終點(diǎn)站時(shí)，會(huì)進(jìn)入地下線路段行駛，由于地下環(huán)境缺少陽光照射，測量點(diǎn)1～3的溫度值出現(xiàn)明顯的降低.

如圖2所示，在輕軌列車整個(gè)運(yùn)行途中，車廂內(nèi)空氣的相對濕度基本保持在48 %以上.列車啟動(dòng)之前，乘客從站臺(tái)集中進(jìn)入車廂，同時(shí)天工路站作為始發(fā)站，等候發(fā)車的時(shí)間相比其它站點(diǎn)更長，且相鄰車廂的車門一直處于開啟狀態(tài)，使得站臺(tái)附近具有高濕度的熱空氣大量進(jìn)入，導(dǎo)致輕軌運(yùn)行前5 min內(nèi)，車廂各測點(diǎn)的相對濕度值較大，且均在60 %以上.當(dāng)列車即將抵達(dá)終點(diǎn)站長春站北站時(shí)，輕軌列車駛?cè)氲叵戮€路段行駛，由于所處環(huán)境比較潮濕，相對濕度略有增加.在整個(gè)后續(xù)運(yùn)行過程中，車廂內(nèi)測量點(diǎn)1，2，3的濕度值基本穩(wěn)定在48 %～55 %之間.

受到列車啟停、空調(diào)送風(fēng)風(fēng)速以及乘客活動(dòng)的共同影響，各測量點(diǎn)風(fēng)速值的波動(dòng)較大，整體風(fēng)速在0 m/s～0.3 m/s之間，見圖3.當(dāng)輕軌列車勻速運(yùn)行時(shí)，各測量點(diǎn)處的風(fēng)速最小，風(fēng)速范圍為0.03 m/s～0.15 m/s.

2 問卷調(diào)查分析

2.1 問卷調(diào)查設(shè)計(jì)及發(fā)放

為充分了解乘客乘車時(shí)對車廂環(huán)境舒適度的具體評(píng)價(jià)，問卷調(diào)查過程與實(shí)測過程同時(shí)進(jìn)行.問卷調(diào)查過程中對乘客共發(fā)放300份問卷，其中收回有效問卷222份，收回率為74 %.

表4 問卷調(diào)查收回結(jié)果Table 4 Results of questionnaire survey

2.2 問卷調(diào)查結(jié)果分析

根據(jù)問卷調(diào)查反饋結(jié)果，對影響人體舒適度的相關(guān)因素進(jìn)行分析.

2.2.1 乘客性別的影響

調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，女性乘客對溫度更加敏感，對溫度產(chǎn)生冷感的96名乘客中78名為女性，18名為男性，分別占比81.25 % 和18.75 %；而對溫度產(chǎn)生適宜感的126名乘客當(dāng)中，女性乘客僅45人，占比35.72 %，見圖4和圖5.圖6為車廂內(nèi)的濕感覺分布，其中，35名(15.8 %)乘客對濕度值較為滿意，而187名(84.2 %)乘客表示車廂內(nèi)的濕度值偏高，希望降低濕度值并控制在合理范圍.此外，男女乘客對車廂內(nèi)風(fēng)速的感受差別不大，約80 %的乘客對風(fēng)速大小感到滿意，有14名乘客認(rèn)為風(fēng)速略高，存在輕微的吹風(fēng)感，占比為6.3 %，如圖7所示.

圖4 對溫度產(chǎn)生冷感的乘客比例Fig.4 Proportion of passengers with cold sensation

圖6 濕感覺分布Fig.6 Distribution of wet sensation

圖7 氣流速度感覺分布Fig.7 Distribution of airflow velocity sensation

2.2.2 乘客著裝的影響

圖8為不同著裝的男性乘客數(shù)及舒適度評(píng)價(jià).在男性乘客著裝中，以短袖搭配長褲居多，少量乘客通過短袖搭配短褲來加快體表的散熱，短袖+長褲著裝對應(yīng)的男性乘客舒適度評(píng)價(jià)主要以舒適感為主，而短袖+短褲著裝對應(yīng)的舒適度評(píng)價(jià)以較冷感居多.

如圖9所示，女性乘客著裝主要包括短袖+短褲、短袖+長褲、連衣裙以及短袖+防曬服+長褲，對應(yīng)的乘客數(shù)分別占比15.4 %,52.8 %,22.8 %和8.9 %.與其他3種著裝相比，在短袖搭配短褲這種著裝對應(yīng)的女性乘客舒適度評(píng)價(jià)中，有13人產(chǎn)生較冷感，較冷感的比例超過50 %；而在短袖搭配長褲這種著裝對應(yīng)的女性乘客舒適度評(píng)價(jià)中，有54人產(chǎn)生舒適感，舒適感的比例在80 %以上.

以上分析表明,乘客的舒適度受不同著裝的影響較大.

(a) 不同著裝的男性乘客數(shù)

(b) 不同著裝的男性乘客舒適度評(píng)價(jià)

(a) 不同著裝的女性乘客數(shù)

(b) 不同著裝的女性乘客舒適度評(píng)價(jià)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

針對吉林省長春市輕軌列車4號(hào)線中一節(jié)不帶車門的車廂，利用Fluent軟件進(jìn)行三維空間仿真模擬分析.車廂的簡化模型圖如圖10所示.具體結(jié)構(gòu)尺寸如下:

(1) 測試車廂的內(nèi)部尺寸為5 m×2.4 m×2.4 m(長×寬×高).

(2) 車廂頂端設(shè)置有2個(gè)回風(fēng)口，呈對稱分布，尺寸大小為0.4 m×0.35 m(長×寬).

(3) 車廂窗戶的尺寸為1.2 m×1.2 m(長×寬).

圖10 車廂簡化模型Fig.10 Simplified model of carriage

3.2 假設(shè)條件

為便于數(shù)值模擬分析，對車廂模型做出以下假設(shè)：

(1) 車廂內(nèi)的空氣視為不可壓縮性牛頓流體.

(2) 假定車廂內(nèi)的空氣進(jìn)行穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng).

(3) 送風(fēng)條縫寬度及風(fēng)道截面積均保持不變[5].

(4) 不考慮車廂內(nèi)扶手、電子顯示屏等部件.

(5) 忽略因少量空氣散失引起的泄漏量，認(rèn)為車廂內(nèi)的密封性能良好.

3.3 基本參數(shù)設(shè)置

模擬過程中用到的基本參數(shù)設(shè)置如下：針對太陽輻射過程采用DO模型[6-8].考慮到15日當(dāng)天是晴朗天氣，日照因子(Sunshine Factor，用于衡量室外大氣對太陽輻射的影響程度)的大小設(shè)置為0.7[2].空調(diào)送風(fēng)口設(shè)置為速度入口、回風(fēng)口設(shè)置為壓力出口.送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度的設(shè)置與實(shí)測結(jié)果保持一致，并選用列車經(jīng)過世榮路站時(shí)的空調(diào)送風(fēng)溫度21.4 ℃、送風(fēng)速度1.95 m/s作為模擬的初始值.回風(fēng)口的靜壓值設(shè)為0.

3.4 模擬結(jié)果分析

選取車廂內(nèi)3個(gè)不同截面作為參考平面進(jìn)行模擬分析：①X=1.5 m截面，布置在車廂的中間座位，乘客背部靠椅所在位置；②Y=0.7 m截面，布置在乘客腹部所處的高度位置；③Z=0.3 m截面，布置在車廂左側(cè)兩座椅的中間位置.各截面的溫度場和速度場如圖11、圖12、圖13所示.

(a) X=1.5 m截面溫度場

(b) X=1.5 m截面速度場

(a) Y=0.7 m截面溫度場

(b) Y=0.7 m截面速度場

(a) Z=0.3 m截面溫度場

(b) Z=0.3 m截面速度場

從以上3個(gè)截面可以看出，溫度場和速度場均呈對稱分布.

由圖11可知，乘客活動(dòng)范圍內(nèi)的空氣溫度為22 ℃～25 ℃；乘客頭部以下風(fēng)速為0.14 m/s～0.28 m/s.

在圖12中，由于座椅下面存在一定高度的臺(tái)階，因此空調(diào)送風(fēng)口與車廂內(nèi)就坐乘客之間的距離較近，且該區(qū)域就坐的8名乘客腹部高度處的空氣溫度為23.35 ℃～24.65 ℃、風(fēng)速為0.078 m/s～0.157 m/s.

圖13表明，Z=0.3 m截面處內(nèi)外兩側(cè)座位的溫度場及風(fēng)速場存在明顯差異，對左右兩側(cè)座位而言，其附近的空氣溫度相較中間座位高1 ℃左右；而中間座位附近的風(fēng)速相較兩側(cè)座位高0.11 m/s左右.

4 結(jié)論

通過對夏季輕軌車廂內(nèi)溫濕度、風(fēng)速的實(shí)測以及模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1) 室外天氣晴朗時(shí)，車廂內(nèi)溫度的變化容易受到站臺(tái)熱空氣、太陽輻射、乘客人數(shù)以及送風(fēng)溫度的共同影響；站臺(tái)熱空氣對車廂內(nèi)濕度值的影響較為明顯，3個(gè)測量點(diǎn)的濕度值穩(wěn)定在48 %～55 %之間；3個(gè)測量點(diǎn)風(fēng)速值的波動(dòng)較大，當(dāng)列車勻速行駛時(shí)各個(gè)測點(diǎn)的風(fēng)速最小，風(fēng)速范圍為0.03 m/s～0.15 m/s.

(2) 不同性別的乘客對溫濕度、風(fēng)速的感受不同，在現(xiàn)有送風(fēng)參數(shù)下，對溫度產(chǎn)生冷感的乘客中以女性居多，對溫度產(chǎn)生適宜感的乘客中以男性居多；車廂內(nèi)的濕度值偏高，多數(shù)乘客的濕感覺較差；男女乘客對車廂內(nèi)風(fēng)速的感受差別不大，約78.8 %的乘客對風(fēng)速大小感到滿意.

(3) 不同著裝對乘客舒適度的影響較大，在男女乘客著裝類型中，短袖搭配長褲的著裝最為普遍，對應(yīng)乘客舒適感的比例最高；短袖搭配短褲的著裝相對較少，對應(yīng)乘客較冷感的比例最多.

(4) 在相同的送回風(fēng)參數(shù)下，車廂內(nèi)乘客座位布置的差異會(huì)導(dǎo)致不同座位的溫度場及風(fēng)速場有所不同，左右兩側(cè)座位附近的空氣溫度相較中間座位高出1℃左右；中間座位附近的風(fēng)速相較兩側(cè)座位高出0.11 m/s左右.

(5) 為實(shí)時(shí)獲取輕軌列車運(yùn)行過程中溫濕度等參數(shù)，可在車廂內(nèi)均勻布置感溫及濕度監(jiān)測裝置，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)的反饋，對送風(fēng)參數(shù)及時(shí)作出調(diào)整. 在現(xiàn)有送風(fēng)參數(shù)下，適當(dāng)調(diào)低相對濕度值并保持穩(wěn)定，有助于帶給乘客更好的乘車體驗(yàn)，營造舒適高效的乘車環(huán)境；同時(shí)，為進(jìn)一步提升乘客乘車舒適度，可試點(diǎn)推行“同車不同溫”的分區(qū)溫控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的控制，即在不同的車廂內(nèi)，實(shí)現(xiàn)‘強(qiáng)冷’和‘弱冷’分區(qū)控溫，通過這樣的設(shè)置，便于乘客根據(jù)自身情況，選擇乘坐合適的車廂；乘客搭乘輕軌時(shí)，可根據(jù)個(gè)人體質(zhì)適當(dāng)增減衣服.對于空調(diào)冷氣較為敏感的乘客，盡量避開空調(diào)送風(fēng)口下方座位和中間座位的位置.