高溫天不同室外氣溫下地鐵車站推薦運行空氣溫度的理論研究

王麗慧 黃淑敏 高仁義 左滬 劉玉浩 宋潔 鄭懿 鄒學(xué)成

摘要：地鐵車站的公共區(qū)域（站臺層、站廳層）在乘客進站的過程中屬于過渡區(qū)域，人在此過渡區(qū)域的舒適性感受與室內(nèi)外溫差密切相關(guān)。本文基于人體熱舒適性需求，令乘客在進站過程中停下時的最大 RWI 值小于或等于其在室外時的 RWI 值，求得不同室外溫度下推薦的站廳運行空氣溫度，站臺運行空氣溫度的求取也采用此方法。分析得到推薦的站廳運行空氣溫度與室外溫度呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)室外溫度處于33℃～37℃時，推薦站廳運行空氣溫度為30.1℃～34.4℃;推薦的站臺運行空氣溫度與站廳溫度也呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)站廳溫度在30℃～34℃時，推薦站臺運行空氣溫度為28.7℃～32.5℃。最后對推薦運行空氣溫度下的車站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能量進行計算，結(jié)果顯示，在整個空調(diào)季節(jié)使用推薦的運行空氣溫度相比于常規(guī)設(shè)計溫度的節(jié)能量為149.35×103kWh。

關(guān)鍵詞： RWI;相對熱舒適;地鐵車站;節(jié)能量;推薦運行空氣溫度

中圖分類號：X1 文獻標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0146-03

在夏季室外高溫天，室外溫度較高的時段乘客進地鐵車站乘車過程中，滿足乘客熱舒適性的前提下，適當(dāng)?shù)靥嵘囌竟矃^(qū)運行溫度具有顯著的節(jié)能效果。針對地鐵這一特殊熱環(huán)境，首先美國運輸部提出了相對熱指標(biāo) RWI 和熱損失率 HDR 這兩個指標(biāo)來評價地鐵環(huán)境的熱舒適性[1]，其中 RWI 指標(biāo)適用于較熱的環(huán)境，而 HDR 指標(biāo)則適用于較冷的環(huán)境。朱培根[2]等人采用現(xiàn)場測試、問卷調(diào)查及動態(tài)熱舒適評價模型，對公共區(qū)域不同季節(jié)、不同評價單元的熱舒適情況進行了分析和研究，得出了在夏季時72%的乘客對車站內(nèi)的熱舒適度表示滿意，過渡季節(jié)60%的乘客對車站內(nèi)的熱舒適度表示滿意的結(jié)果。針對乘客的舒適性要求以及地鐵環(huán)控系統(tǒng)運營設(shè)計方面，劉雪峰[3]等人提出了按相對熱指標(biāo)調(diào)節(jié)運行地鐵中央空調(diào)系統(tǒng)的理論模型，即當(dāng)新風(fēng)溫度從15℃～37℃、相對濕度從45%～65%變化時，站廳站臺相對濕度都能保持在設(shè)計范圍內(nèi)。

在夏季高溫天時，適當(dāng)提高地鐵車站運行空氣溫度不會對乘客的舒適性造成一定影響，而提高此溫度卻能顯著降低車站空調(diào)環(huán)控設(shè)備的運行能耗，具有顯著的節(jié)能效果。既有的地鐵設(shè)計規(guī)范中給出的地鐵站廳、站臺的空調(diào)設(shè)計參數(shù)廣泛地應(yīng)用于各城市的地鐵空調(diào)設(shè)計，本文在此參數(shù)的基礎(chǔ)上，在保障乘客熱舒適性需求的前提下，提高空調(diào)運行溫度以達到地鐵環(huán)控空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的目的。本文基于過渡區(qū)域乘客熱舒適性需求，利用相對熱指標(biāo) RWI 建立相等的聯(lián)系，計算獲得不同室外溫度下隨室外溫度變化的車站站廳、站臺運行空氣溫度，繼而結(jié)合熱平衡及空調(diào)系統(tǒng)空氣換熱能效比，對推薦運行空氣溫度下的車站環(huán)控空調(diào)系統(tǒng)進行相關(guān)節(jié)能量計算。

1理論分析基礎(chǔ)

1.1相對熱指標(biāo) RWI 及計算公式確定

相對熱指標(biāo) RWI（Relative Warmth Index）是美國運輸部提出的考慮人體在過渡空間環(huán)境的熱舒適指標(biāo)，其定義式如下。

當(dāng)空氣中水蒸氣分壓力≤2269Pa 時， RWI 計算式為：

（1）

當(dāng)空氣中水蒸氣分壓力≥2269Pa 時， RWI 計算式為：

（2）

式中： t 為空氣干球溫度，℃; P 為水蒸氣分壓力， Pa;Ia為新陳代謝率，W/m2;Icw為服裝外空氣邊界層熱阻， clo;為濕潤時衣服的服裝熱阻， clo; R 為單位皮膚面積的平均輻射得熱，W/m2。

本文按照乘客以一定速度（1.2m/s）勻速進站時的狀態(tài)選取相關(guān) RWI 環(huán)控參數(shù)，將上海市夏季地鐵空調(diào)設(shè)計參數(shù)作為參考依據(jù)，選取公式（2）作為本文的計算公式。

1.2滿足人體熱舒適乘客進站過程 RWI 變化規(guī)律

基于公式（2）及相關(guān)參數(shù)計算得到乘客在進站過程中位于不同位置時的相對熱指標(biāo) RWI 值，圖1為計算結(jié)果。

由圖1可知，乘客在進站過程中， RWI 最小值為0.209，參照 RWI 指標(biāo)值與 ASHRAE 熱感覺標(biāo)度對照表可知，其值高于代表“舒適”的0.08。然而，基于現(xiàn)有地鐵站的相關(guān)研究，現(xiàn)有的地鐵設(shè)計溫度可以滿足絕大多數(shù)乘客的熱舒適性需求，這是由于 RWI 總體處于下降的趨勢，僅在乘客在站臺或站廳突然停下時，空氣邊界層熱阻顯著升高，且其新陳代謝率仍保持在行走的狀態(tài)才出現(xiàn) RWI 的激增，由于 RWI 的下降，即使計算的 RWI 值要高于0.08，但乘客在進站過程仍處于舒適的狀態(tài)。 1.3計算推薦運行空氣溫度理論基礎(chǔ)

在實際的地鐵車站溫度設(shè)計時，為了保障乘客的熱舒適性需求，需滿足乘客在進站的過程中 RWI 值總體保持下降的趨勢。通過查閱 ASHRAE Handbook[1]美國地鐵設(shè)計手冊，對于車站站廳層運行溫度設(shè)計有如下方法，其給出如下兩個條件：

①乘客在站廳時 RWI 最大值出現(xiàn)在其突然停下時

②乘客從室外空間進入站廳層，站廳 RWI 最大值等于或小于室外 RWI 值，即：

（3）因此，本文據(jù)圖1結(jié)論分析及 ASHRAE 手冊中提

出的方法，在滿足乘客熱舒適的前提下，使得站廳的溫度大于站臺的溫度，小于室外的溫度，乘客進站的過程中 RWI 就能夠保持下降的趨勢;其次，站廳 RWI 最大值能夠小于或者等于室外的 RWI 值，就能保證乘客進站過程 RWI 下降的要求，達到舒適的目的。

2結(jié)果與分析

2.1不同室外溫度下推薦站廳運行空氣溫度計算

結(jié)合1.3節(jié)的理論基礎(chǔ)，本文假設(shè)乘客在站廳突然停下時的 RWI 值等于其在室外行走時的 RWI 值，計算得到的站廳運行空氣溫度可作為當(dāng)前室外溫度下站廳運行溫度的最大值，室外溫度與推薦站廳運行空氣溫度的差值即為能滿足乘客舒適性需求的最小溫差。

不同的室外溫度下，保證 RWI室外行走=RWI站廳停下時的站廳運行溫度及溫差如圖2所示，由圖可知，推薦的站廳運行溫度與室外溫度呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)室外溫度升高時，推薦的站廳運行溫度隨之升高。當(dāng)室外溫度為33℃時，對應(yīng)的站廳運行溫度為30.1℃;當(dāng)室外溫度達到37℃時，對應(yīng)的站廳運行溫度為34.4℃。

2.2不同站廳溫度下推薦站臺運行空氣溫度計算

同理，假設(shè)乘客在站臺突然停下時的 RWI 值等于其在站廳行走時的 RWI 值時，對應(yīng)的站臺運行溫度以及站臺與站廳溫度差亦可被求得。

圖3為不同站廳溫度下對應(yīng)的站臺運行溫度及溫差，由圖可知，推薦站臺空氣運行溫度與站廳溫度呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)站廳溫度升高時，站臺運行溫度隨之升高。當(dāng)站廳溫度為30℃時，對應(yīng)的站臺運行溫度為28.7℃;當(dāng)站廳溫度達到34℃時，對應(yīng)的站臺運行溫度為32.5℃。

2.3不同室外溫度下乘客進站過程 RWI 求解結(jié)果

圖4為不同室外溫度下按照推薦運行溫度計算得到的車站不同位置 RWI 的求解結(jié)果，從圖中可以看出，整個進站過程 RWI 計算結(jié)果保持下降的趨勢，僅在買票以及突然停下的時候 RWI 達到該區(qū)域的最大值。因此，對于不同的室外溫度而言，此站廳及站臺溫度的設(shè)計能夠滿足乘客的熱舒適需求。

2.4采用推薦運行空氣溫度下環(huán)控設(shè)備節(jié)能量計算

根據(jù)上述室外高溫天工況下，站廳層和站臺層運行空氣溫度推薦的理論計算結(jié)果，當(dāng)室外溫度高于32攝氏度時，站廳運行溫度將高于現(xiàn)有設(shè)計溫度30℃，站臺運行溫度將高于現(xiàn)有設(shè)計溫度28℃，而不影響乘客的熱舒適性。根據(jù)熱量平衡的原理，其節(jié)能量計算公式如下：

（4）

式中：為空氣能量，kj;為推薦運行溫度時空氣焓值， kJ/kg;為車站常規(guī)設(shè)計溫度時空氣焓值，站廳取71.6 kJ/kg，站臺取64.9 kJ/kg;為車站空氣體積，站廳空氣體積為6480 m3，站臺空氣體積為4320 m3;為空氣密度，取1.29 kg/m3。

式中： 為時間，s;為車站空氣體積， m3;G 為送風(fēng)量， m /s，站廳送風(fēng)量取24 m /s，站臺送風(fēng)量取33

式中：為冷量， kW;站內(nèi)空氣濕度取65%; 為節(jié)能量，kj;為時間，s。

當(dāng)車站采用推薦的運行溫度設(shè)計時，不同的室外溫度下，使車站溫度從推薦運行溫度達到常規(guī)設(shè)計溫度時所需冷量不同，考慮到整個空調(diào)季節(jié)室外溫度處于32℃以上各溫度段的小時數(shù)，小時數(shù)可以下式表示：

（7）

式中：為室外溫度大于32℃時不同溫度段的小時數(shù);為大于32℃的室外溫度總時長。

在地鐵環(huán)控系統(tǒng)中，空氣換熱量與車站空調(diào)系統(tǒng)各用電設(shè)備輸入功率計算公式為：

（8）

式中：—空氣換熱能效比，可取值1.27[4];Q—空調(diào)箱供冷量， kW;—空調(diào)系統(tǒng)各用電設(shè)備的平均輸入功率之和， kW。則推薦運行溫度相比于常規(guī)設(shè)計溫度的節(jié)能量可由下式求出：

（9）

由式（4）～（9）聯(lián)立求解可知，整個空調(diào)季節(jié)推薦運行溫度相比于常規(guī)設(shè)計溫度的節(jié)能量為149.35×103kWh。

3結(jié)論

在夏季高溫天時，在滿足乘客熱舒適需求的前提下，可適當(dāng)提升地鐵車站公共區(qū)運營設(shè)計溫度來達到節(jié)省能耗的目的。本文結(jié)論如下：

（1）乘客在站廳及站臺突然停下時 RWI 會顯著升高，其原因為：一方面，乘客在突然停下時其新陳代謝率仍然保持在之前的狀態(tài);另一方面，突然停下時因行走產(chǎn)生的相對風(fēng)速減小，空氣邊界層熱阻顯著升高。

（2）推薦的站廳運行空氣溫度與室外溫度呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)室外溫度處于33℃～37℃時，推薦站廳運行空氣溫度為30.1℃～34.4℃。

（3）推薦的站臺運行空氣溫度與站廳溫度也呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)站廳溫度在30℃～34℃時，推薦站臺運行空氣溫度為28.7℃～32.5℃。

（4）基于推薦的運行空氣溫度，地鐵環(huán)控系統(tǒng)在整個空調(diào)季節(jié)相比于常規(guī)設(shè)計溫度的節(jié)能量為149.35×103kWh。

參考文獻：

[1] Subway Environment Design Hand Book （Volume1） Principles and Applications，1975.

[2]朱培根 ， 王春旺 ， 仝曉娜 ， 宋樺 ， 李曉昀.地鐵站乘客動態(tài)熱舒適評價研究[J].暖通空調(diào) ，2016，46（02）：101-104+40.

[3]劉雪峰 ， 劉金平.基于變風(fēng)量的相對熱指標(biāo)運行模式在地鐵空調(diào)中的應(yīng)用研究[J].建筑科學(xué) ，2007（04）：78-82.

[4]劉暢.不同運行年限下地鐵環(huán)控設(shè)備系統(tǒng)性能參數(shù)演化特性研究[D].上海理工大學(xué)，2018.

基金項目：本論文受國家自然科學(xué)基金（51878408）和交通運輸部的衛(wèi)生防疫技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心資助。