趙嵩穎，趙超洋

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

0 引言

輕軌交通是一種方便、快捷的現(xiàn)代交通工具，市民在享受便利出行的同時(shí)，對(duì)乘車環(huán)境的要求也越來越高。舒適的乘車環(huán)境需要更加合理的氣流分布，這與車廂內(nèi)風(fēng)速、溫度及濕度的分布是否合理息息相關(guān)［1-3］。輕軌車廂空間狹小，運(yùn)行區(qū)時(shí)間短，上下車乘客交換頻繁，尤其冬季運(yùn)行時(shí)，開關(guān)門造成車廂內(nèi)外氣流熱交換頻繁，車廂內(nèi)熱環(huán)境不穩(wěn)定［4-5］。因此，探究冬季輕軌交通列車的氣流組織舒適度，對(duì)改善車廂內(nèi)氣流組織形式，提高車廂內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定性具有理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 空氣溫度、濕度、風(fēng)速實(shí)測及舒適度評(píng)價(jià)

為探究冬季輕軌交通列車的氣流組織舒適度，以長春市輕軌交通4號(hào)線為例，于2019年12月25日至2020年1月8日進(jìn)行空氣溫度、濕度、風(fēng)速及舒適度評(píng)價(jià)實(shí)測。長春市輕軌交通4號(hào)線從天宮路站到長春站北站共15站，2座換乘車站：職業(yè)學(xué)院站和吉林大路站，3座地下車站：偽滿皇宮站、北亞泰大街站和長春站北站，其余均為高架站臺(tái)。天宮路站部分時(shí)段站臺(tái)氣候條件見表1。

表1 天宮路站站臺(tái)氣候條件Tab.1 Climatic conditions of tiangong road station platform

1.1 溫度實(shí)測分析

站臺(tái)上冷空氣進(jìn)入車廂導(dǎo)致車廂內(nèi)空氣溫度明顯下降，且下降值與停車時(shí)長成正比，通常換乘車站客流量較大，停車時(shí)間較長，溫度下降更明顯；由于夜間溫度更低，因此在相同停車時(shí)長內(nèi)空氣溫度的下降幅度更大，溫度同比下降約為0.3～0.5 ℃；列車在12月26日晚途經(jīng)?？诼氛緯r(shí)，停車145 s，導(dǎo)致車廂內(nèi)空氣溫度下降5.9 ℃且列車在后續(xù)運(yùn)行過程中車廂內(nèi)空氣溫度更低（見圖1）；乘客對(duì)車廂內(nèi)空氣溫度的影響則很小。

圖1 12月26日晚途經(jīng)?？诼氛緯r(shí)空氣溫度變化Fig.1 Changes in air temperature when passing through Haikou road station in the evening of December 26

1.2 空氣濕度和風(fēng)速實(shí)測分析

受站臺(tái)冷空氣影響，雪天車廂內(nèi)空氣濕度較高；列車停站時(shí)，車廂內(nèi)風(fēng)速有所增大，但實(shí)際上由于沒有空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行，車廂內(nèi)風(fēng)速仍較小；乘客對(duì)空氣濕度和風(fēng)速的影響很小。圖2示出車廂內(nèi)平均空氣濕度和風(fēng)速。

圖2 天宮路站和長春站北站車廂內(nèi)平均空氣濕度和風(fēng)速Fig.2 Map of average air humidity and wind speed in the carriages at Changchun Station North Station

1.3 舒適度評(píng)價(jià)

在本次研究中共發(fā)放200份問卷，收回117份，收回率為58.5%。其中女性有62人，男性有55人。

1.3.1 乘客乘車過程中的舒適度評(píng)價(jià)

乘客進(jìn)站候車時(shí)的熱舒適度與站內(nèi)溫度有關(guān)，地下站臺(tái)進(jìn)站乘客的熱舒適度較高，候車時(shí)的熱舒適度隨候車時(shí)長的增加而降低；列車進(jìn)出站時(shí)，站臺(tái)及車廂內(nèi)風(fēng)速有所增大，增幅約為0.4～0.6 m/s，0.2～0.3 m/s，乘客的熱舒適度在短時(shí)間內(nèi)略有下降；地下車站空間相對(duì)封閉，空氣濕度相對(duì)較低，從地下車站進(jìn)站乘車乘客的濕感覺較差。

1.3.2 基于乘客性別的舒適度評(píng)價(jià)

由于女性乘客衣著相對(duì)較少，因而有46名男性乘客（83.6%）和57名女性乘客（91.9%）在乘車時(shí)有冷感（如圖3，4所示）；有48名男性乘客（87.2%）和60名女性乘客（96.8%）希望提高車廂內(nèi)空氣溫度；乘客衣著對(duì)濕感覺的影響很小，有36名男性乘客（65.4%）和42名女性乘客（67.7%）能夠接受車廂內(nèi)的空氣濕度。

圖4 女性乘客熱舒適度評(píng)價(jià)Fig.4 Evaluation of thermal comfort for female passengers

1.3.3 基于乘客年齡的舒適度評(píng)價(jià)

各年齡段男女乘客數(shù)及熱舒適度評(píng)價(jià)如圖5，6所示。由于20～40歲的女性乘客衣著較為單薄，因此該年齡段大部分女性乘客在乘車時(shí)有冷感；各年齡段對(duì)空氣濕度的接受程度基本相同。

圖5 各年齡段男女乘客數(shù)Fig.5 Number of male and female passengers by age group

圖6 各年齡段乘客熱舒適度評(píng)價(jià)Fig.6 Evaluation of thermal comfort of male passengers by age group

1.3.4 基于乘客位置的舒適度評(píng)價(jià)

輕軌車廂與地鐵車廂不同，乘客位置對(duì)熱感覺的影響較為明顯，對(duì)濕感覺的影響很小。受訪乘客中，有40名乘客位于帶有車門的車廂內(nèi)，且均有明顯冷感；有61名乘客位于相鄰車廂，但離車門較近，其中16人有明顯冷感，43人有輕微冷感，2人感覺舒適；離車門較遠(yuǎn)的16名乘客中有12人感覺舒適，4人有輕微冷感。

2 氣流組織模擬分析

2.1 模型的建立

為提高車廂內(nèi)空氣溫度及氣流組織舒適度，以長春市輕軌交通4號(hào)線中一節(jié)帶有車門的車廂為例，做在車門上方增加熱空氣幕的三維空間的瞬態(tài)［6］模擬分析，模型如圖7所示。

圖7 車廂模型Fig.7 Carriage model

模型結(jié)構(gòu)尺寸如下：

（1）由于列車只開1側(cè)門，因此將車廂右側(cè)車門作為進(jìn)風(fēng)口，尺寸為寬×高=1 m×2 m；

（2）車廂內(nèi)部尺寸為長×寬×高=5 m×2.65 m×2.4 m；

（3）回風(fēng)口位于車廂頂部，左右兩側(cè)對(duì)稱分布，尺寸為長×寬=0.3 m×0.5 m；

（4）散熱器布置在座椅下，尺寸為長×寬×高=0.3 m×0.3 m×0.1 m；

（5）熱空氣幕尺寸為長×寬=1 m×0.3 m。

2.2 控制方程

變化中的流體在流動(dòng)和傳熱過程中都遵守恒定律，這些守恒定律的物理描述稱為控制方程［7-9］，模擬過程中不包括組分混合和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為簡化問題，作如下假設(shè)［10-11］：（1）車廂內(nèi)空氣為不可壓縮且符合Boussinesq假設(shè)；（2）車廂內(nèi)的空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流；（3）忽略固體壁面之間的熱輻射；認(rèn)為車廂內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)；（4）忽略由于流體黏性力做功所引起的耗散熱。

控制方程由標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型［12］方程、連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程組成。

（1）連續(xù)性方程

本文中空氣流速較低，可認(rèn)為是不可壓縮流體，連續(xù)性方程為：

（2）動(dòng)量方程

動(dòng)量守恒定律表明：單位時(shí)間內(nèi)作用在控制之上的外力之和等于控制體的動(dòng)量相對(duì)變化率。因此動(dòng)量方程如下，以x方向?yàn)槔?/p>

（3）能量方程

根據(jù)能量守恒定律建立的能量方程如下：

式中 cp——比熱容，J/（kg·K）；

k——流體的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

sT—— 流暢內(nèi)部熱源和黏性力共同作用導(dǎo)致的流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分，本文中由于氣流速度較低，因此可以忽略由流體粘性力做功所引起的耗散熱，即sT=0。

2.3 邊界條件設(shè)置

選取 2019 年 12月 26 日 15：04、20：08，12 月30日 16：18時(shí)的溫度和風(fēng)速，分別為 -8.5 ℃、0.14 m/s，-14.5 ℃、0.21 m/s，-20 ℃、-0.3 m/s作為進(jìn)風(fēng)溫度和風(fēng)速，壁面溫度為10，7，5 ℃，散熱器模型采用離散坐標(biāo)輻射模型（DO），輻射溫度為40 ℃，熱流量為500 W/m2，乘客表面溫度為17 ℃，車門開啟后熱空氣幕的送風(fēng)溫度和風(fēng)速分別為40 ℃、1 m/s，40 ℃、2 m/s，40 ℃、3 m/s，時(shí)間步長為30 s。

2.4 模擬結(jié)果分析

選取ZX平面1.2 m和0.5 m處作為參考平面。

圖8～11分別示出熱空氣幕送風(fēng)溫度、風(fēng)速為40 ℃，1 m/s時(shí)的溫度和速度場分布。在車門上方增加熱空氣幕后，空氣溫度明顯提升，但0.5 m高度處溫度增幅較低；車廂內(nèi)風(fēng)速有所提高，但風(fēng)速分布仍符合舒適性要求。

圖8 ZX平面1.2 m溫度分布Fig.8 Temperature distribution at 1.2 m above ZX plane

圖9 ZX平面1.2 m速度場分布Fig.9 Velocity field distribution at 1.2 m above ZX plane

圖10 ZX平面0.5 m溫度分布Fig.10 Temperature distribution at 0.5 m above ZX plane

圖11 ZX平面0.5 m速度場分布Fig.11 Velocity field distribution at 0.5 m above ZX plane

圖12～15分別示出熱空氣幕送風(fēng)溫度、風(fēng)速為40 ℃、2 m/s時(shí)的溫度和速度場分布。該工況下，車廂內(nèi)空氣溫度和風(fēng)速得到明顯提升，且1.2 m高度處的增幅更為顯著，在實(shí)際條件下的風(fēng)速分布符合舒適性要求。

圖12 ZX平面1.2 m溫度分布Fig.12 Temperature distribution at 1.2 m above ZX plane

圖13 ZX平面1.2 m速度場分布Fig.13 Velocity field distribution at 1.2 m above ZX plane

圖14 ZX平面0.5 m溫度分布Fig.14 Temperature distribution at 0.5 m above ZX plane

圖15 ZX平面0.5 m速度場分布Fig.15 Velocity field distribution at 0.5 m above ZX plane

圖16～19分別示出了熱空氣幕送風(fēng)溫度、風(fēng)速為40 ℃、3 m/s時(shí)的溫度和速度場分布。該工況下，0.5 m高度處空氣溫度的提升效果較低，但仍得到明顯改善；車廂內(nèi)空氣風(fēng)速較大，在實(shí)際條件下，熱空氣幕所送的熱風(fēng)會(huì)向相鄰車廂流動(dòng)，因此風(fēng)速分布符合舒適性要求。

圖16 ZX平面1.2 m溫度分布Fig.16 Temperature distribution at 1.2 m above ZX plane

圖17 ZX平面1.2 m速度場分布Fig.17 Velocity field distribution at 1.2 m above ZX plane

3 結(jié)論

（1）受站臺(tái)冷空氣影響，冬季輕軌列車車廂內(nèi)空氣溫度明顯下降；雪天的空氣濕度較高；列車停站時(shí)車廂內(nèi)風(fēng)速有所增大，但增幅較小，空氣濕度和風(fēng)速符合舒適性要求。

（2）乘客進(jìn)站候車時(shí)的熱舒適度與站內(nèi)溫度有關(guān)，地下車站進(jìn)站乘客的熱舒適度較高，濕感覺較差；候車時(shí)的熱舒適度隨候車時(shí)長的增加而降低；列車進(jìn)出站時(shí)，乘客的熱舒適度會(huì)在短時(shí)間略有下降。

（3）由于20～40歲的女性乘客衣著相對(duì)較少，因此該年齡段大部分女性乘客在乘車時(shí)有冷感，且女性乘客的總體熱舒適度相對(duì)較低；乘客衣著對(duì)濕感覺的影響很小，大部分乘客認(rèn)為空氣濕度適中；乘客的位置對(duì)熱舒適度的影響較為明顯，對(duì)濕感覺的影響很小，離車門越近的乘客乘車時(shí)的冷感越明顯。

（4）在車門上方增加熱空氣幕使車廂內(nèi)空氣溫度明顯提升，在不同時(shí)間段合理調(diào)整熱空氣幕的風(fēng)速，能更有效的改善車廂內(nèi)氣流組織舒適度。