埃及齋月十日城鐵路項目車站熱環(huán)境計算參數(shù)分析

文 王振

中鐵二院地下鐵道設(shè)計研究院 埃及齋月十日城鐵路項目勘察設(shè)計項目部總體組 通風(fēng)空調(diào)專業(yè)負(fù)責(zé)人

一、引言

城市軌道交通系統(tǒng)是指服務(wù)于城市客運交通，通常以電力為動力，輪軌運行方式為特征的車輛或列車與軌道等各種相關(guān)設(shè)施的總和。其中，車站公共區(qū)為乘客進站乘車的過渡空間，具有客容量大，有換乘通道，一般地處商業(yè)區(qū)或人口集聚區(qū)，起到交通樞紐作用等特點。該類空間通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要，其基礎(chǔ)和關(guān)鍵為室外熱環(huán)境計算參數(shù)。

因埃及齋月十日城鐵路項目采用ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)體系，存在系統(tǒng)設(shè)計理念差異、車站建筑方案調(diào)整等一系列因素，中埃雙方在室外熱環(huán)境計算參數(shù)方面有較大分歧。經(jīng)過對比和分析國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)定義下的開羅室外熱環(huán)境計算參數(shù)、開羅室外氣象參數(shù)點在人體熱舒適性特性圖中的分布，并與埃方業(yè)主、監(jiān)理進行了長時間的技術(shù)論證和磋商，確定了該項目通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計可采用的室外計算參數(shù)，為車站公共區(qū)的通風(fēng)方案設(shè)計確定了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本文從埃及氣象參數(shù)對比、ASHRAE 氣象參數(shù)、熱舒適性特性等角度，對埃鐵項目熱環(huán)境計算參數(shù)進行分析。

二、研究背景

城市軌道交通車站公共區(qū)為乘客進站乘車時短暫停留的過渡空間，乘客在該過渡空間中的停留時間一般小于一個行車間隔。過渡空間的特征在于連接著室外、車站公共區(qū)和列車的熱環(huán)境，各熱環(huán)境之間的溫濕度不同。

圖1 開羅城市軌道交通車站公共區(qū)通風(fēng)方案Fig. 1 Ventilation scheme for public areas of urban rail transit stations in Cairo

車站通風(fēng)空調(diào)室外計算參數(shù)Ventilation and air conditioning system parameters of stations calculated outdoors

埃及開羅地鐵1 號線、2 號線和3號線，分別于1987年、1996年、2012年開通運行，開羅地鐵1、2、3 號線地面和高架車站站廳和站臺公共區(qū)均采用自然通風(fēng)方案。根據(jù)既有線現(xiàn)狀、埃及當(dāng)?shù)亓?xí)慣，埃鐵項目車站公共區(qū)起初采用了自然通風(fēng)方案。在2017年至2019年間，業(yè)主來函對車站建筑方案進行了一系列調(diào)整，如增加南北進站大廳、更換外墻可通風(fēng)鋼絲網(wǎng)為平時不開啟的外窗等，極大地改變了車站的建筑方案。與此同時，業(yè)主和監(jiān)理堅持認(rèn)為車站為封閉車站，使得先期考慮的所有車站自然通風(fēng)和自然排煙方案被推翻。

2019年，在建筑方案亟待穩(wěn)定的嚴(yán)峻形勢下，為顧全大局、保證項目的穩(wěn)步推進，聯(lián)合體機電部與設(shè)計項目部的技術(shù)專家、聯(lián)合體商務(wù)人員從經(jīng)濟性、可實施性、對各專業(yè)影響、業(yè)主和監(jiān)理目標(biāo)期望等角度對車站站廳和站臺通風(fēng)系統(tǒng)方案進行了專題研究和論證，最后一致確定了站廳和站臺公共區(qū)采用機械通風(fēng)兼排煙的方案。

埃鐵項目通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計采用ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)，在業(yè)主方未對軌道交通車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提出具體要求，且以往埃及城市軌道交通項目無相關(guān)的報告和分析的情況下。監(jiān)理提出基于ET*對本項目車站公共區(qū)進行熱環(huán)境設(shè)計調(diào)查。

在沒有相關(guān)過渡空間通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范可參考的前提下，監(jiān)理提出采用0.4%不保證率條件下的夏季制冷干/濕球溫度作為車站通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的室外空氣計算參數(shù)，同時要求空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計用干球溫度要在0.4%不保證率所在條件下的干球溫度基礎(chǔ)上提高2℃，以保證空調(diào)系統(tǒng)在夏季運行的可靠性。上述調(diào)整導(dǎo)致室外設(shè)計干球溫度為40℃，監(jiān)理認(rèn)為該溫度會引起乘客中暑。同時在2019年7月，監(jiān)理來函提出了以下兩個主要問題，其中引入了環(huán)境熱舒適性研究領(lǐng)域的若干成果：

①環(huán)境的有效溫度≥35ET*時，會嚴(yán)重影響人的身體健康，車站熱環(huán)境設(shè)計時應(yīng)保證有效溫度＜35ET*，以避免引起乘客中暑；

②在熱環(huán)境設(shè)計條件調(diào)查時要使用ASHRAE 氣象參數(shù)中的全年平均最高極端氣象干、濕球溫度和5年、10年、20年重現(xiàn)期的最高極端氣象干、濕球溫度。

上述有效溫度ET*是由Gagge 等在1971年提出，其定義為，同樣著裝和活動的人，在環(huán)境中的冷熱感覺與在相對濕度為50%空氣環(huán)境中的冷熱感覺相同時，相對濕度為50%空氣環(huán)境的干球溫度就稱為有效溫度ET*。有效溫度ET*是反應(yīng)環(huán)境溫度和濕度的一個綜合指數(shù)，并不對等環(huán)境的真實溫度，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速相同時，即使環(huán)境溫濕度存在差異，但只要有效溫度ET*相同，人體冷熱感也是相同的。

三、車站公共區(qū)熱環(huán)境分析

中方設(shè)計團隊按照中國規(guī)范對高架或地面站的通風(fēng)空調(diào)室外空氣計算參數(shù)的定義，計算了開羅的通風(fēng)空調(diào)室外計算參數(shù)。同時對比了基于ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采用的夏季供冷室外計算參數(shù)（1%不保證率條件下的制冷干/濕球溫度），可見若采用上述ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)體系下的供冷室外計算參數(shù)對本項目的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計是非常足夠的。

圖2 所示為成年男子穿著0.6clo 服裝在風(fēng)速<0.15m/s 的環(huán)境靜坐1h 的體感舒適性特性線，其中35ET*為中暑的臨界線，也即監(jiān)理來函中引用的相關(guān)論點?？芍捎弥袊?guī)范計算所得的夏季通風(fēng)室外計算參數(shù)、ASHRAE 氣象參數(shù)中不保證率為0.4%和1%的設(shè)計參數(shù)均遠(yuǎn)低于35ET*。圖中紫色圈點為開羅全年8760h 的室外空氣參數(shù)點，也均低于35ET*。

圖2 一定環(huán)境內(nèi)人體熱舒適性特性線Fig. 2 Characteristic line for human thermal comfort in a certain environment

同時開羅氣候干燥，目前實測車站站廳風(fēng)速常年＞1.5m/s（未開機械通風(fēng)時的自然風(fēng)速），且車站站廳和站臺公共區(qū)為過渡性空間，溫濕度、風(fēng)速環(huán)境隨乘客所在位置的不同而存在差異，與圖2 的穩(wěn)定溫濕度、風(fēng)速環(huán)境明顯不同，乘客在車站公共區(qū)的停留時間預(yù)計為一個行車間隔，遠(yuǎn)小于1 小時，以上實際條件均使得熱環(huán)境綜合指數(shù)向<32.5ET*偏移，站廳公共區(qū)采用合理的通風(fēng)系統(tǒng)可滿足車站乘客所在熱環(huán)境＜35ET*。

根據(jù)ASHRAE 手冊，全年最高極端氣象干/濕球溫度主要用于設(shè)計設(shè)備和系統(tǒng)在一些關(guān)鍵和極端情況下的能力，使設(shè)備和系統(tǒng)在任何負(fù)荷工況下均能持續(xù)的運行和服務(wù)。重現(xiàn)期最高極端氣象干/濕球溫度代表了該極端氣象干/濕球溫度在該重現(xiàn)期內(nèi)每年發(fā)生的概率。例如20年重現(xiàn)期的最高極端氣象干/濕球溫度（DB：45.1℃，WB：28.0℃），代表了該最高極端氣象干、濕球溫度在這20年的每一年發(fā)生或超過的概率為5%（即1/20）。

由于人體體溫調(diào)節(jié)機制對變化環(huán)境具有一定的動態(tài)適應(yīng)性，根據(jù)美國運輸部對過渡空間熱舒適指標(biāo)的研究，人體對過渡環(huán)境的調(diào)節(jié)時間為6 分鐘，大多數(shù)情況下的調(diào)節(jié)時間內(nèi)，乘客已經(jīng)完成進站乘車過程，采用最高極端氣象干/濕球溫度進行乘客熱環(huán)境設(shè)計條件調(diào)查忽視了人體體溫調(diào)節(jié)機制的動態(tài)適應(yīng)性。同時重現(xiàn)期的極端氣象參數(shù)也只是呈現(xiàn)極端氣象參數(shù)在重現(xiàn)期各年可能發(fā)生的概率，并不代表發(fā)生的時長。

基于上述情形，聯(lián)合體機電部和設(shè)計項目部專家與業(yè)主和監(jiān)理進行了多次函件溝通和會議磋商，最終確定夏季通風(fēng)空調(diào)室外計算參數(shù)采用ASHRAE（0.4%不保證率）條件下的干/濕球溫度，站廳公共區(qū)采用5℃溫差進行機械通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計和校核。

四、結(jié)論和建議

通風(fēng)空調(diào)室外計算參數(shù)是車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，對該參數(shù)過高或過低的估計，都會引起通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)容量設(shè)計不合理。埃鐵項目熱環(huán)境計算參數(shù)分析表明：

（一）當(dāng)通風(fēng)空調(diào)室外計算參數(shù)不明確時，建議在對比國內(nèi)規(guī)范理論方法的基礎(chǔ)上，依據(jù)ASHRAE 氣象參數(shù)，合理選取室外環(huán)境設(shè)計用計算參數(shù)。對埃及開羅，夏季空調(diào)室外計算溫度可采用：干球溫度36.9℃，濕球溫度21.5℃；夏季通風(fēng)室外計算溫度可采用：干球溫度35.7℃，濕球溫度21.6℃。

（二）埃及開羅全年幾乎所有時間室外環(huán)境空氣參數(shù)點均低于35ET*，99.6%全年時間的室外環(huán)境空氣參數(shù)點低于33ET*，具備過渡空間屬性的車站公共區(qū)采用合理的通風(fēng)系統(tǒng)可滿足車站乘客所在熱環(huán)境＜35ET*。