夏熱冬暖地區(qū)地下交通樞紐內(nèi)部環(huán)境實(shí)測研究*

張笑海 董建鍇 郝 爽 趙建建 那艷玲 江崇旭 武世強(qiáng) 孫 超 劉 京△

(1.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱;3.城市軌道交通數(shù)字化建設(shè)與測評技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,天津;4.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津)

0 引言

地下交通樞紐作為城市重要的公共建筑,其內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量是否符合相關(guān)規(guī)范要求是大家關(guān)心的問題[1]。位于夏熱冬暖地區(qū)的城市普遍經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),地下交通發(fā)達(dá),地下交通樞紐多、體量大、內(nèi)部格局復(fù)雜、客流量大[2-3]。同時(shí)具有夏季室外溫度較高、室內(nèi)外溫差大、與外界直接連通的出入口較多等特點(diǎn),導(dǎo)致樞紐內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量的保障更具挑戰(zhàn)性,由此帶來的環(huán)境和能耗問題不容忽視[4-5]。

因此,從熱濕環(huán)境、空氣質(zhì)量、光環(huán)境、聲環(huán)境等方面對地下交通樞紐內(nèi)部進(jìn)行系統(tǒng)性測試分析,進(jìn)而掌握其內(nèi)部環(huán)境現(xiàn)狀并明確當(dāng)前存在的問題尤為重要。目前針對夏熱冬暖地區(qū)地下交通樞紐內(nèi)部環(huán)境的實(shí)測研究還較少,對其內(nèi)部環(huán)境現(xiàn)狀的掌握還不夠充分,從而缺少有針對性的空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)及綜合環(huán)境改進(jìn)提升方法。

本文以位于夏熱冬暖地區(qū)的深圳市福田站樞紐及深圳北站樞紐為研究對象進(jìn)行綜合測試,旨在系統(tǒng)性地研究夏熱冬暖地區(qū)地下交通樞紐不同季節(jié)環(huán)境要素的特征和問題點(diǎn),結(jié)合主觀調(diào)查問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果,分析不同季節(jié)乘客的熱環(huán)境滿意率,通過綜合評價(jià)等方法分析當(dāng)前環(huán)境質(zhì)量存在的不足,為地下交通樞紐未來的改進(jìn)方向提供參考。

1 研究方法

1.1 地下交通樞紐概況

夏熱冬暖地區(qū)1月平均氣溫高于10 ℃,7月平均氣溫處于25～29 ℃之間,深圳市1月平均氣溫為15.4 ℃,7月平均氣溫為28.9 ℃,是夏熱冬暖地區(qū)的典型城市。福田站及深圳北站地下交通樞紐均位于深圳市,其中福田站位于福田區(qū),深圳北站位于龍華區(qū),均為換乘站,有多個(gè)地鐵線路,客流量大,高峰期客流量變化明顯,具有代表性。福田站站廳位于地下1層,收費(fèi)區(qū)長110 m,最大寬度約70 m,面積約3 300 m2;單站臺長135 m、寬12.5 m,面積約1 600 m2;福田站正在使用的出入口約10個(gè),出入口形式相似,選取其中的28號出入口進(jìn)行實(shí)測,出入口高約10 m、寬4 m。深圳北站站廳位于地下1層,面積約3 000 m2,單站臺長150 m、寬12 m,面積約1 800 m2;換乘通道通過垂直電梯將深圳地鐵5號線站臺與深圳地鐵4號線站臺相連,換乘通道長約40 m、寬2.5 m,面積約100 m2。福田站夏季采用全空氣集中空調(diào)系統(tǒng),深圳北站夏季采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),冬季兩樞紐均使用全新風(fēng)模式運(yùn)行。夏季兩樞紐空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)[6]如表1所示。

表1 夏季空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 測試儀器及測試方法

2021年1月9—16日對深圳市福田站樞紐及深圳北站樞紐內(nèi)的站廳及站臺等區(qū)域的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了測試,其中福田站測試時(shí)間為1月9—12日,深圳北站測試時(shí)間為1月13—16日;2021年7月15—19日對上述兩樞紐進(jìn)行了夏季環(huán)境測試,其中福田站測試時(shí)間為7月15、18、19日,深圳北站測試時(shí)間為7月16、17日。室內(nèi)環(huán)境測試參數(shù)主要包括室內(nèi)空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速、CO2濃度、細(xì)顆粒物PM2.5濃度、可吸入顆粒物PM10濃度、照度、噪聲等。測試儀器及精度如表2所示。

表2 環(huán)境參數(shù)測試儀器及精度

環(huán)境測試采用固定測試與移動測試相結(jié)合的方式進(jìn)行,移動測試測點(diǎn)均勻分布在站廳與站臺等空間中,考慮樞紐內(nèi)乘客絕大多數(shù)為行走或站立狀態(tài),測點(diǎn)高度為1.5 m,用于表征人員活動區(qū)域的環(huán)境情況,測點(diǎn)布置情況如圖1、2所示。室外測點(diǎn)位于福田站2a出入口門外15 m處。

注:A、B、C分別為站廳、站臺、出入口處移動測點(diǎn),G為固定測點(diǎn)。圖1 福田站測點(diǎn)布置示意圖

注:D為換乘通道處測點(diǎn)。圖2 深圳北站測點(diǎn)布置示意圖

1.3 熱舒適調(diào)查方法

利用問卷調(diào)查的方法對樞紐內(nèi)乘客熱感覺、熱舒適等情況進(jìn)行調(diào)查。問卷內(nèi)容分為3個(gè)部分:

1) 乘客基本信息,包括參與測試乘客的性別、年齡、健康狀況及乘客的衣著情況。

2) 熱感覺、熱舒適等主觀評價(jià)內(nèi)容,調(diào)查問卷設(shè)計(jì)情況如表3所示。

表3 調(diào)查問卷主觀評價(jià)設(shè)計(jì)

3) 其余客觀信息,包括參與測試乘客目前所在位置及當(dāng)前時(shí)間等。

問卷調(diào)查日期與實(shí)測日期相同,二者同時(shí)進(jìn)行,在填寫問卷的同時(shí),測試人員記錄下該位置處的空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速、CO2濃度等參數(shù)。

問卷調(diào)查采用在站內(nèi)隨機(jī)位置發(fā)放紙質(zhì)問卷的方式進(jìn)行,問卷發(fā)放時(shí)間為08:00—20:00。

冬季在福田站及深圳北站共回收582份問卷,其中男女?dāng)?shù)量(比例)為男315份(54%)、女267份(46%)。夏季在福田站及深圳北站共回收508份問卷,其中男女?dāng)?shù)量(比例)為男283份(56%)、女225份(44%)。冬夏季參與問卷調(diào)查的乘客中男女比例均接近1∶1?？紤]乘坐地鐵上班通勤的青年人較多,被調(diào)查人員中年齡為30歲以下的占比61%,年齡為30～40歲的占比27%,年齡大于40歲的占比12%。

2 環(huán)境實(shí)測分析

2.1 熱濕環(huán)境

福田站及深圳北站地下交通樞紐內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)的實(shí)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

圖3 福田站與深圳北站的溫、濕度及風(fēng)速實(shí)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對于空氣溫度,兩樞紐夏季在空調(diào)系統(tǒng)的作用下空氣溫度波動范圍較小,且明顯小于冬季。冬季雖然為全新風(fēng)模式運(yùn)行,但由于內(nèi)部熱負(fù)荷等因素,實(shí)際上樞紐內(nèi)溫度可以有較大提升,福田站及深圳北站站廳平均空氣溫度較室外平均空氣溫度分別提高了5.5 ℃和2.1 ℃。兩樞紐內(nèi)各功能區(qū)溫度變化范圍最大的均為站臺,因?yàn)檎九_空氣溫度受人流量影響較大,故其隨著高峰期變化幅度較大。福田站冬季空氣溫度由室外到出入口再到站臺逐漸上升;夏季空氣溫度由室外到站臺逐漸降低,且出入口空氣溫度均與站廳溫度接近,與室外空氣溫度相差較大?？梢钥闯?冬季樞紐內(nèi)的人員和設(shè)備等的熱負(fù)荷及夏季樞紐內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)制冷對樞紐內(nèi)空氣溫度影響較大,出入口的冷風(fēng)滲透對樞紐內(nèi)空氣溫度的影響較小。深圳北站空氣溫度變化規(guī)律與福田站類似,但換乘通道在冬季通風(fēng)情況不佳,導(dǎo)致其空氣溫度高于其他功能區(qū)。根據(jù)夏季空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)可知,夏季福田站及深圳北站兩樞紐空氣溫度均滿足設(shè)計(jì)參數(shù)。依據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》“地下車站公共區(qū)冬季室內(nèi)空氣計(jì)算溫度應(yīng)低于當(dāng)?shù)氐貙拥淖匀粶囟?但最低溫度不宜低于12 ℃”“當(dāng)車站采用空調(diào)系統(tǒng)時(shí),站廳中公共區(qū)的空氣計(jì)算溫度應(yīng)低于空調(diào)室外空氣計(jì)算干球溫度2～3 ℃,且不應(yīng)超過30 ℃;站臺中公共區(qū)的空氣計(jì)算溫度應(yīng)低于站廳的空氣計(jì)算溫度1～2 ℃”[7],可知冬夏兩季福田站及深圳北站兩樞紐空氣溫度均符合規(guī)范要求。深圳北站冬季空氣溫度高于福田站,原因是深圳北站室外空氣溫度高于福田站,由此可知在空調(diào)系統(tǒng)全新風(fēng)模式運(yùn)行下,樞紐內(nèi)空氣溫度一定程度上受樞紐外空氣溫度的影響。

對于相對濕度,根據(jù)夏季空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)可知,夏季福田站及深圳北站兩樞紐相對濕度均一定程度上偏離設(shè)計(jì)參數(shù)。依據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[7],公共區(qū)及站廳相對濕度均應(yīng)為40%～70%,兩樞紐均存在部分功能區(qū)不滿足規(guī)范要求,其中福田站樞紐冬季相對濕度較低,深圳北站夏季站臺及換乘通道相對濕度較高。通過對比冬季及夏季兩樞紐內(nèi)各功能區(qū)相對濕度變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),樞紐內(nèi)的相對濕度受室外相對濕度影響較大,所以兩樞紐內(nèi)相對濕度與樞紐外相對濕度較接近,樞紐內(nèi)各功能區(qū)相對濕度相差較小。站臺客流密度大,導(dǎo)致單位面積濕負(fù)荷較大,從而平均相對濕度略大,同時(shí)站臺人員密度在高峰期與非高峰期存在較大起伏,因此站臺相對濕度變化范圍較大。

對于風(fēng)速,依據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[7],站廳和站臺的瞬時(shí)風(fēng)速不宜大于5 m/s,兩樞紐風(fēng)速均符合規(guī)范要求。福田站出入口與外界直接相連,其風(fēng)速受室外風(fēng)速影響較大,風(fēng)速變化范圍也較大。由于站臺存在屏蔽門,兩樞紐內(nèi)除出入口外各功能區(qū)域平均風(fēng)速主要受空調(diào)系統(tǒng)及人流影響,差異較小。

2.2 空氣質(zhì)量

福田站及深圳北站地下交通樞紐內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)的實(shí)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 福田站及深圳北站CO2、顆粒物濃度實(shí)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由測試結(jié)果可知:福田站出入口與室外相連通,平均風(fēng)速最大,此處通風(fēng)良好,CO2、PM2.5、PM10的平均濃度均為各功能區(qū)最低;深圳北站換乘通道通風(fēng)換氣情況不佳,導(dǎo)致其顆粒物濃度較高且變化幅度更大;同時(shí),兩樞紐站臺在CO2濃度較低的情況下顆粒物濃度均較高,可能是由于列車運(yùn)行的活塞風(fēng)等將顆粒物擴(kuò)散到站臺上[8]。GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中規(guī)定“地下車站公共區(qū)內(nèi)的二氧化碳(CO2)日平均濃度應(yīng)小于1.5‰”,即小于2 946 mg/m3,測試結(jié)果顯示,冬夏兩季福田站及深圳北站CO2濃度均未超過規(guī)范限值。

2.3 光環(huán)境

福田站及深圳北站地下交通樞紐內(nèi)照度的實(shí)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 福田站及深圳北站照度實(shí)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對于光環(huán)境,依據(jù)GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[9]及GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10],對于人工照明的交通建筑候車空間,室內(nèi)光環(huán)境照度標(biāo)準(zhǔn)值為200 lx以上,對于自然采光的交通建筑候車空間,室內(nèi)平均自然光照度為300 lx以上。福田站站臺為人工照明,站廳及出入口為自然采光與人工照明相結(jié)合;深圳北站站廳及站臺均為自然采光與人工照明相結(jié)合,換乘通道為人工照明。測試結(jié)果顯示,冬季福田站站廳的平均照度為240 lx,不滿足自然采光的照度要求;深圳北站站廳的平均照度為120 lx,不滿足人工照明及自然采光的照度要求。其余情況兩樞紐站廳及站臺照度均高于標(biāo)準(zhǔn)值。冬季深圳北站站臺平均照度是福田站站臺平均照度的3倍,夏季深圳北站站臺平均照度是福田站站臺平均照度的2倍。但在照度均勻性方面,福田站站廳平均照度與站臺平均照度接近,深圳北站站臺平均照度是站廳平均照度的3～5倍,深圳北站部分站臺受到天然直射光的影響,光線強(qiáng)烈,另一部分站臺則僅依靠人工照明,照度分布不均勻,容易產(chǎn)生眩光問題。而福田站樞紐內(nèi)除出入口直接與室外連通照度較大外,站廳與站臺照度分布較均勻,這是由于福田站在站廳的采光玻璃上增貼了反光膜,避免了陽光的直射,營造了較好的室內(nèi)光環(huán)境。

2.4 聲環(huán)境

福田站及深圳北站地下交通樞紐內(nèi)噪聲的實(shí)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

圖6 福田站及深圳北站噪聲實(shí)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.5 熱感覺及熱舒適主觀問卷分析

根據(jù)人數(shù)百分比對不同季節(jié)樞紐內(nèi)乘客熱感覺投票(TSV)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見圖7a。可以看出,夏季絕大多數(shù)乘客認(rèn)為樞紐內(nèi)為中性及偏熱,冬季樞紐內(nèi)乘客則兼具偏熱與偏冷,可能是冬季乘客服裝熱阻較大,且已經(jīng)適應(yīng)了室外的較低溫度,對樞紐內(nèi)的心理期望溫度較低[12],從而導(dǎo)致部分乘客認(rèn)為樞紐內(nèi)偏熱。

圖7 熱感覺及熱舒適投票百分比

冬夏兩季樞紐內(nèi)乘客的熱舒適投票(TCV)情況如圖7b所示。可以看出,冬季乘客熱舒適滿意率約為73%,夏季約為80%,夏季乘客熱舒適滿意率較冬季有較大提升。一方面因?yàn)橄募緲屑~內(nèi)外溫差較大,從樞紐外進(jìn)入到樞紐內(nèi)的過程中,環(huán)境溫度的降低給乘客帶來較強(qiáng)的冷感覺,從而使乘客熱舒適需求得到滿足;另一方面多數(shù)乘客對夏熱冬暖地區(qū)夏季的炎熱已有一定的熱適應(yīng)性,因此即使樞紐內(nèi)空氣溫度略高于設(shè)計(jì)值,仍可使乘客感到舒適。

3 地下交通樞紐內(nèi)部環(huán)境綜合評價(jià)

3.1 綜合評價(jià)依據(jù)

本研究采用城市地下空間環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)方法對地下交通樞紐內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行綜合評價(jià)[13],此評價(jià)方法將地下空間環(huán)境分為熱濕環(huán)境、空氣質(zhì)量、光環(huán)境和聲環(huán)境4個(gè)評價(jià)部分,先根據(jù)實(shí)測參數(shù)對各部分進(jìn)行單項(xiàng)評價(jià),再根據(jù)地下空間人員及本領(lǐng)域?qū)＜覍?個(gè)部分指標(biāo)權(quán)重的意見,將單項(xiàng)評價(jià)結(jié)果依據(jù)權(quán)重計(jì)算得到地下空間環(huán)境綜合評價(jià)結(jié)果。指標(biāo)權(quán)重、綜合評價(jià)得分與等級對照情況如表4所示。

表4 指標(biāo)權(quán)重、綜合評價(jià)得分與等級對照

3.2 綜合評價(jià)結(jié)果及分析

依據(jù)上述方法分別對福田站及深圳北站地下交通樞紐內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行綜合評價(jià),綜合評價(jià)結(jié)果如表5、6所示。

表5 冬季綜合評價(jià)

表6 夏季綜合評價(jià)

對于熱濕環(huán)境,夏季熱濕環(huán)境評分與冬季相差較大。根據(jù)文獻(xiàn)[13]的算法,結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可能是由于深圳市夏季陽光較冬季更強(qiáng)烈,而地下交通樞紐從自然采光的需求出發(fā),將陽光透過天窗照入建筑內(nèi)部,使得夏季樞紐內(nèi)的太陽輻射強(qiáng)于冬季,進(jìn)而夏季的建筑內(nèi)平均輻射溫度值較高,熱濕環(huán)境客觀評分較低。對于空調(diào)系統(tǒng),可以從出入口到站臺逐步降低溫度,營造從站外到站內(nèi)空氣溫度逐漸降低的溫度梯度環(huán)境,通過較小的制冷量來提升進(jìn)站過程中的熱舒適情況,達(dá)到節(jié)能的目的。

空氣質(zhì)量方面,總體上夏季空氣質(zhì)量評分高于冬季。這是由于深圳冬季室外顆粒物濃度遠(yuǎn)高于夏季,導(dǎo)致冬季兩樞紐內(nèi)顆粒物濃度高于夏季。

對比冬夏兩季福田站及深圳北站光環(huán)境與聲環(huán)境評分可以發(fā)現(xiàn),光環(huán)境與聲環(huán)境受季節(jié)及空調(diào)運(yùn)行模式等的影響較小。光環(huán)境方面,由于天窗和人工照明設(shè)置不夠合理等原因,白天照度的空間差異較大且存在眩光問題,同時(shí)深圳北站在夜晚由于采光天窗下缺少人工照明,導(dǎo)致其照度較低(僅有50 lx左右),兩樞紐的光環(huán)境均不理想。建議通過在采光天窗上增設(shè)遮陽裝置,在正午等光線強(qiáng)烈的時(shí)刻進(jìn)行適當(dāng)遮擋,避免產(chǎn)生眩光問題,同時(shí)通過在采光天窗下增設(shè)人工照明裝置,在陽光不足的時(shí)刻及夜晚進(jìn)行輔助人工照明等措施對光環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化改造。聲環(huán)境主要受樞紐內(nèi)廣播等設(shè)備運(yùn)行、樞紐內(nèi)人員、列車進(jìn)出站等因素影響,同樣也受樞紐內(nèi)建筑材料及樞紐內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)等的影響[14],對比福田站及深圳北站可以發(fā)現(xiàn),兩樞紐在樞紐內(nèi)廣播設(shè)備、客流量及列車進(jìn)出站頻率等方面均接近,但由于深圳北站部分站臺存在較高的上方空間,可能會加強(qiáng)噪聲的混響,導(dǎo)致其平均噪聲較大。深圳北站可以通過在壁面添加消聲材料等措施對聲環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

本研究對夏熱冬暖地區(qū)的2個(gè)地下大型交通樞紐開展了室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量與乘客熱環(huán)境滿意率的實(shí)測調(diào)研,得到的主要結(jié)論如下:

1) 福田站及深圳北站冬夏兩季乘客熱舒適滿意率為70%～80%。綜合環(huán)境評價(jià)得分,福田站稍優(yōu)于深圳北站,主要原因在于福田站在聲環(huán)境及光環(huán)境營造方面優(yōu)于深圳北站,但總體上兩站等級均達(dá)到B級,處于較好的水平。說明夏熱冬暖地區(qū)地下交通樞紐內(nèi)各功能區(qū)的暖通空調(diào)系統(tǒng)在總體上是合理的,實(shí)際效果也顯示能滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求,營造了較好的室內(nèi)環(huán)境。

2) 通過測試發(fā)現(xiàn),福田站及深圳北站樞紐內(nèi)仍存在一定的環(huán)境營造問題,部分功能區(qū)有單項(xiàng)參數(shù)不滿足規(guī)范要求。如冬季福田站樞紐內(nèi)相對濕度較低,夏季深圳北站站臺及換乘通道相對濕度較高;冬季福田站站廳與深圳北站站廳的平均照度較低;深圳北站樞紐內(nèi)照度分布不均勻,有可能產(chǎn)生眩光問題,可以進(jìn)一步對樞紐內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化和改造。

3) 可以通過營造夏季從站外到站內(nèi)空氣溫度逐漸降低的溫度梯度環(huán)境、增設(shè)遮陽裝置、合理組織人工照明和自然采光、在壁面增設(shè)消聲材料等措施對樞紐內(nèi)的物理環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化,切實(shí)提高夏熱冬暖地區(qū)地下交通樞紐內(nèi)部綜合環(huán)境水平。

綜合分析可得,夏熱冬暖地區(qū)地下交通樞紐內(nèi)部綜合環(huán)境較好;冬季空調(diào)采用全新風(fēng)模式運(yùn)行仍可營造乘客滿意率較高的站內(nèi)環(huán)境;在引入自然采光的同時(shí)要注意自然采光的調(diào)節(jié)和與人工照明之間的配合,避免產(chǎn)生眩光問題。需要指出的是,文獻(xiàn)[13]所提供的城市地下空間環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)方法來源于在北京地下交通樞紐進(jìn)行的觀測和問卷調(diào)查,其情況可能與深圳有所區(qū)別,從而造成綜合評價(jià)結(jié)果與實(shí)際乘客的熱舒適投票情況有一定差距,對這方面的深入分析和討論有待今后進(jìn)行。