朱圣瑞 段洪亮 劉 健 康 偉* 王國(guó)強(qiáng) 尤立偉

(1.武漢地鐵集團(tuán)建設(shè)事業(yè)總部，430079，武漢；2.長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司工程研究中心，130062，長(zhǎng)春//第一作者，高級(jí)工程師)

經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，我國(guó)城市軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)從無(wú)到有，技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步。然而，受車(chē)輛結(jié)構(gòu)和車(chē)廂空間限制，車(chē)輛空調(diào)送風(fēng)風(fēng)速過(guò)高，乘客在送風(fēng)格柵下部站立時(shí)頭部有冷風(fēng)感，這已成為城市軌道車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題[2]。武漢地鐵首次在地鐵3號(hào)線(xiàn)列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中采用了頂部孔板與側(cè)送風(fēng)口相結(jié)合的新型送風(fēng)方式，本文通過(guò)測(cè)試結(jié)果及數(shù)值模擬仿真分析這種新型送風(fēng)方式下車(chē)廂內(nèi)的熱舒適環(huán)境。

1 車(chē)廂內(nèi)環(huán)境測(cè)試分析

1.1 測(cè)試方案

測(cè)試對(duì)象為武漢地鐵3號(hào)線(xiàn)某列車(chē)中間一節(jié)車(chē)廂，選取該車(chē)廂 1/4 作為實(shí)測(cè)區(qū)域。車(chē)廂內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，分別以車(chē)廂長(zhǎng)度、高度、寬度代表X、Y、Z截面(Y截面以車(chē)廂地板為基準(zhǔn))，選取X=0.95 m、X=2.66 m、X=4.15 m、X=5.60 m、X=7.12 m、X=8.60 m、Y=0.50 m、Y=1.20 m、Y=1.70 m、Y=2.10 m、Z=0.68 m、Z=1.40 m共12 個(gè)截面，在12個(gè)截面上共布置 50 個(gè)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的溫度和風(fēng)速。測(cè)試時(shí)間為8：00—10:00，溫濕度自記儀布點(diǎn)采樣；風(fēng)速測(cè)量?jī)x測(cè)量三組X、Y、Z截面上各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行矢量求和，再將三組測(cè)量結(jié)果做算術(shù)平均。表1為測(cè)試儀器的性能參數(shù)表。

圖1 車(chē)廂內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表1 測(cè)試儀器性能參數(shù)表

1.2 車(chē)廂內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)體系

1)GB/T 7928—2003《地鐵車(chē)輛通用技術(shù)條件》的12.1項(xiàng)規(guī)定，在環(huán)境溫度為33 ℃時(shí)，車(chē)輛空調(diào)制冷能力應(yīng)能滿(mǎn)足：車(chē)廂內(nèi)溫度不高于(28±1)℃,相對(duì)濕度不超過(guò)65%。不同地區(qū)可根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件在合同中另行規(guī)定溫度要求[3]。

2)TB 1951—1987《客車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)》規(guī)定，車(chē)廂內(nèi)同一水平面和同一鉛垂線(xiàn)上的最大氣溫差均不超過(guò)3 K。因此，推薦車(chē)輛空調(diào)送、回風(fēng)口處風(fēng)速為1～3 m/s，車(chē)廂內(nèi)微風(fēng)速不超過(guò)0.35 m/s[4]。

1.3 車(chē)廂內(nèi)溫度分析

武漢地鐵3號(hào)線(xiàn)車(chē)輛空調(diào)采用中頂孔板與側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)，車(chē)廂內(nèi)側(cè)送風(fēng)口平均溫度為23.97 ℃，回風(fēng)口溫度為23.83 ℃。整合后的各測(cè)點(diǎn)平均溫度分布如圖2所示。Y截面的溫度分布如圖3所示。表2為距車(chē)廂地板0.5～1.7 m各截面的垂直溫差表。

圖2 各測(cè)點(diǎn)平均溫度分布圖

圖3 Y截面溫度分布圖

由表2可看出，車(chē)廂各截面間溫差不超過(guò)3 ℃，溫度分布比較均勻。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明車(chē)廂溫度基本滿(mǎn)足舒適性要求。

表2 距車(chē)廂地板0.5～1.7 m各截面的垂直溫差表

由圖3可見(jiàn)：Y=0.5 m截面的溫度分布先降后升，但波動(dòng)范圍很小，溫度最高點(diǎn)在車(chē)廂端部；Y=1.2 m截面的最高溫度在車(chē)廂端部，最大溫差為0.45 ℃；Y=1.7 m截面處最高溫度位于第二個(gè)門(mén)區(qū)位置，約為24.10 ℃，最低溫度約為23.48 ℃。

綜上所述，車(chē)廂內(nèi)的溫度分布比較均為，溫差小于2 ℃，基本滿(mǎn)足地鐵列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的舒適性要求。

1.4 車(chē)廂內(nèi)濕度分析

Y截面的濕度分布如圖4所示。

圖4 Y截面濕度分布圖

由圖4可見(jiàn)：沿車(chē)廂長(zhǎng)度方向相對(duì)濕度的變化均是先增加，中間比較平穩(wěn)，到門(mén)區(qū)之后開(kāi)始下降。相對(duì)濕度最高點(diǎn)位于門(mén)區(qū)Y=0.5 m截面處，為42.08%；相對(duì)濕度最低點(diǎn)位于第二個(gè)門(mén)區(qū)Y=2.1 m處,為27.4%；大部分區(qū)域的相對(duì)濕度在33%以上。按照 UIC 553 —2017《客車(chē)通風(fēng)采暖和空調(diào)》相關(guān)規(guī)定：當(dāng)車(chē)廂內(nèi)溫度為20～27 ℃時(shí),相對(duì)濕度應(yīng)保持在35%～65%之間。武漢地鐵3號(hào)線(xiàn)列車(chē)車(chē)廂內(nèi)環(huán)境總體符合要求。

1.5 車(chē)廂內(nèi)風(fēng)速分析

X截面的風(fēng)速分布如圖5所示。圖5中，Y方向的每個(gè)編號(hào)分別對(duì)應(yīng)Y=0.5 m、Y=1.2 m、Y=1.7 m、Y=2.1 m截面位置及側(cè)送風(fēng)進(jìn)口位置。由圖5可見(jiàn)：沿著車(chē)廂長(zhǎng)度方向風(fēng)速有增加的趨勢(shì)，但是幅度不大；回風(fēng)口處氣流的平均風(fēng)速為2.15 m/s,而且靠近回風(fēng)口截面的風(fēng)速都比其他截面的風(fēng)速高。

圖5 X截面的風(fēng)速分布圖

另外，在Y=0.5 m截面處，有的區(qū)域風(fēng)速接近0.1 m/s，該截面處可能會(huì)出現(xiàn)局部靜止區(qū)域，這是由于車(chē)廂內(nèi)整體流場(chǎng)不均造成的。在回風(fēng)口下方靠近車(chē)壁處存在局部靜止區(qū)域，但整個(gè)車(chē)廂的風(fēng)速較為均勻，風(fēng)速基本滿(mǎn)足要求。

2 數(shù)值模擬仿真分析

2.1 車(chē)廂模型建立

計(jì)算模型模擬車(chē)廂長(zhǎng)為4.2 m、寬為2.7 m、高為2.1 m(車(chē)廂中部地板到頂板距離)；車(chē)廂分為座椅區(qū)和門(mén)區(qū)兩部分；車(chē)廂內(nèi)部設(shè)2排座椅，每排座椅限定6人乘坐。采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分流場(chǎng)，最大網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)約為80 mm，最小網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)約為5 mm。

氣流組織模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型，同時(shí)并作如下假設(shè)[5]：①客室內(nèi)空氣不可為壓縮氣體且符合Boussinesq假設(shè)；②空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流；③流場(chǎng)內(nèi)流體的湍流粘性各向同性，且具有高雷諾數(shù)；④不考慮漏風(fēng)的影響，車(chē)廂內(nèi)氣密性良好。

2.2 邊界條件的設(shè)置

1)根據(jù)夏季太陽(yáng)總輻射照度表，車(chē)輛南北向放置獲得最大太陽(yáng)輻射強(qiáng)度：東向?yàn)?65 W/m2，西向?yàn)?35 W/m2，水平向?yàn)?55 W/m2。車(chē)廂各部位傳熱系數(shù)K值為2.4 W/(m2·K)，采用第二類(lèi)邊界條件以及車(chē)體傳熱系數(shù)確定車(chē)廂內(nèi)各部分的熱流密度。

2)計(jì)算時(shí)，設(shè)定風(fēng)機(jī)主風(fēng)口風(fēng)速為8 m/s。氣流在風(fēng)道進(jìn)行分流，最終由中頂板下孔板及側(cè)送風(fēng)口送入車(chē)廂內(nèi)。夏季送風(fēng)溫度均為19 ℃，室外環(huán)境溫度為35 ℃。

3)回風(fēng)口采用自由出口，設(shè)定人體平均熱流密度為120 W，顯熱為65 W，潛熱為55 W。

2.3 車(chē)廂內(nèi)舒適性數(shù)值模擬結(jié)果分析

分析截面選取乘客坐姿頭部(距地板1.1 m，即模型Y=21.731 m處)、站姿頭部(距地板1.7 m，即模型Y=22.088 m處)的水平截面，分別對(duì)應(yīng)為Height-1截面和Height-2截面。

引入PMV(預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià))和PPD(預(yù)測(cè)不滿(mǎn)意百分比)指標(biāo)對(duì)車(chē)廂內(nèi)的舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)。PMV指標(biāo)就是引進(jìn)反應(yīng)人體熱平衡偏離程度的人體熱負(fù)荷(TL)而得出的，其理論依據(jù)是當(dāng)人體處于穩(wěn)態(tài)的熱環(huán)境下時(shí)，人體的熱負(fù)荷越大，人體偏離熱舒適的狀態(tài)就越遠(yuǎn)[5]。

2.3.1 PMV指標(biāo)分析

圖6為Height-1截面PMV云圖。圖7為Height-2截面PMV云圖。

圖6 Height-1截面PMV云圖

圖7 Height-2截面PMV云圖

由圖6、圖7可以看出：Height-1截面和Height-1截面相類(lèi)似，PMV值分布較為均勻；車(chē)廂中間區(qū)域PMV值基本在-1～1之間，門(mén)區(qū)附近站立區(qū)PMV值在1左右；座椅區(qū)靠近壁面PMV值明顯低于其他區(qū)域，基本達(dá)到-3，因此人體感覺(jué)冷。

2.3.2 PPD指標(biāo)分析

圖8為Height-1截面PPD云圖。圖9為Height-2截面PPD云圖。

由圖8可以看出：在Height-1截面，座椅區(qū)的PPD值最大。車(chē)廂中間站立區(qū)乘客及坐姿區(qū)乘客的不滿(mǎn)意度低于10%,占比較大，因此車(chē)廂整體環(huán)境可以滿(mǎn)足大多數(shù)乘客的舒適性要求。由圖9可以看出：在Height-2截面，車(chē)廂門(mén)區(qū)中心線(xiàn)至兩側(cè)壁面局部區(qū)域的PPD值在50%以上。在車(chē)廂門(mén)區(qū)站立區(qū)附近，乘客的不滿(mǎn)意度相對(duì)較高；乘客熱舒適性較低區(qū)域靠近壁面處的非乘客區(qū)域，在壁面處的有乘客區(qū)域，乘客的滿(mǎn)意率都是較高的。

圖8 Height-1截面PPD云圖

圖9 Height-2截面PPD云圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)武漢地鐵3號(hào)線(xiàn)列車(chē)車(chē)廂的實(shí)測(cè)分析與數(shù)值模擬分析得出：采用中頂孔板與側(cè)送風(fēng)的送風(fēng)形式，可為乘客提供一個(gè)較高的舒適性環(huán)境。

1)從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看：車(chē)廂內(nèi)任意兩點(diǎn)的溫差不超過(guò)相關(guān)規(guī)范規(guī)定的范圍，并且溫度較為均勻，基本在23.0～24.3 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)；在中間乘客站立區(qū)，風(fēng)速基本在0.35 m/s左右，靠近側(cè)送風(fēng)口及回風(fēng)口附近的風(fēng)速會(huì)偏大。

2)從數(shù)值模擬仿真結(jié)果來(lái)看：車(chē)廂中間區(qū)域的PMV值在-1～1范圍內(nèi)波動(dòng)，車(chē)廂的熱環(huán)境是非常舒適的；座椅區(qū)靠近壁面區(qū)域，由于回風(fēng)風(fēng)速高，坐、立乘客可能都會(huì)有冷感，但是在可控范圍之內(nèi)；無(wú)論是對(duì)站立乘客還是對(duì)坐姿乘客而言，車(chē)廂中部區(qū)域的舒適性較好。