青岛地铁地下站厅层工作区热环境测试与分析

刘建伟

摘要： 针对青岛地铁地下站工作区的热舒适性问题，本文以青岛地铁3号线五四广场站站厅层工作区为研究对象，采用AGILENT 34970A型温度采集仪和SZX9KA23型热线风速仪对冬季不同时段公共区温度的变化、活塞风及阴雨天气对工作区温度的影响进行跟踪测试。测试结果表明，站内温度随室外大气温度的升高而升高；活塞风对工作区温度具有明显的影响，体感温度低，带来更大的不舒适性；短暂的阴雨天气对地下站内温度的影响不大。与常规热舒适感参数相比，站厅层工作区在冬季不满足热舒适性要求，因此提出了将设备房废热回收用于工作区，改善热环境。该研究为站厅层工作区冬季供暖方案提供了指导。

关键词： 青岛地铁站； 站厅层； 热环境； 温度； 活塞风

中图分类号： TU831文献标识码： A

地铁已经成为主要的公共交通工具之一。截止2015年8月，我国已有24个城市开通了地铁，其中上海地铁开通14条线路，运营里程达567 km，北京地铁里程数为527 km，位居第二，到2020年，全国将有40个城市建设地铁，总规划里程达到7 000 km[1]。地铁运行能耗巨大（达到600 kW/km），地铁站内热环境的研究成为地铁运行研究的一个重要分支。在热环境研究方面，日本、英国、德国、法国及奥地利等国定期进行地铁站内部气流规律及节能运行研究的学术交流，在此基础上，美国交通部开发出了地铁环境模拟计算机程序（the subway environment simulation computer program，SES）；清华大学开发了类似的地铁热环境模拟分析软件（subway thermal environment simulation software，STESS）设计软件[2]。由于地铁地下站内结构复杂，热环境的研究以模拟仿真为主，包括地铁站台气流组织的模拟[3]，缺乏与实验数据的比较。符泰然等人[4]对岛式双层地铁车站热环境优化分析，比较全面的模拟了具体的站厅层结构中气流停留时间、温度场和速度场，计算了热舒适度，提出了站内设计优化和提高空气品质的建议，仍然以数值计算为主要研究手段；薛鹏等人[5]对沈阳地铁地下站内冬季隧道内的温度场进行了详细测量，分析了活塞风效应及站内温度的波动，但还需要大量的、长期的、连续的现场实测数据支撑。地下站内可视为内热源[67]，来自客流人体散热、列车运行散热和站内设备房散热等热负荷，加上土壤层蓄热，冬季可以回收这些废热。康智强等人[811]提出了余热热泵联合为站上建筑供暖方案；而吴妍等人[1214]认为在地铁地下站内，由隧道内列车穿行造成的活塞风，对冬季站内热环境有复杂的不利影响。由此可知，地铁地下站内热环境具有不稳定性，虽然地铁环控系统控制地铁内环境温度、湿度、空气流速和品质，保证乘客在车厢内的舒适性要求[15]，冬季地下站内一般不供暖[16]，即使在北方城市地下站内，站厅层热环境性质差别较大。近年来，国内外许多研究者对希腊[1718]、天津[19]、哈尔滨[20]等城市的地铁站厅热环境进行了研究。青岛城市地铁刚刚开通运行，地下站内冬季热环境尚未有评价。因此，本文重点对五四广场地铁站内工作区和李村地铁站厅层工作区进行热环境的测试和分析。該研究为站厅层工作区冬季供暖方案提供理论依据。

1测试地点

五四广场地铁站的等级属于1级地铁站，它的站型属于地下2层标准岛式，即地下1层为站厅层（含通讯等设备室），地下2层为站台层（含变电设备室）。车站是五柱六跨结构，长度为2776 m，宽度为448 m，其宽度是正常车站的2倍，大小仅次于青岛市最大的地铁站——青岛北站。与其他车站不同，五四广场车站所处的位置堪称青岛的经济和政治核心地带，五四广场车站有9个出入口，除2个应急出口外，7个都是乘客日常出入口。其中，在香格里拉酒店南侧和东侧各有一个出入口，在南通路和山东路中间有2个出入口，在颐和国际北侧的香港路边上有1个出入口，青岛中心北侧和东侧也分别有1个出入口。五四广场地铁站站厅层平面布置图如图1所示。

2实验测试

2.1测试参数说明

本文测试了各车站内站厅层不同区域的温度、风速和湿度，对比冬季不同时段和1 d内不同时段室外大气温度和活塞风作用下的气流速度对站厅层工作区温度的影响，以此为依据对青岛地区地铁站内工作区热环境予以评价。

2.2测试仪器

采用AGILENT 34970A型温度采集仪，精度为0001 ℃，可对温度进行连续且精准的测量；采用SZX9KA23型热线风速仪，同时对风速、温度及压力进行实时测量，风速的精度为001 m/s，温度的精度为01 ℃。另外，借助车控室内的传感器数据，对各测点的温度和湿度进行统计，掌握壁挂传感器数据与测试数据的偏差，真实反映工作区热环境性质。

2.3测试过程

1）本文分别选取1月份、2月份和3月份各1 d，连续测量对冬季不同时段的室外大气温度和站厅层距地15 m高处的温度，获取车站内工作区温度随冬季时段变化的规律。

2）分别在图1所示的A、B、C、D安检区和站厅两端公共区进行连续测量，时值地铁8 min一趟，则活塞风的周期约为8 min，因此，选择4～5个活塞风周期的时间进行测量，分析活塞风对站内温度的影响性质。

3）对比晴天和阴雨天的影响，通过相同时间段内的测试，获得站内温度和风速受天气变化的影响。

3测试结果与分析

3.1冬季不同时段公共区温度的变化

以站厅层公共大厅为测试点，对2017年初3个月份中各选择了1个晴天进行温度测试，温度变化曲线如图2所示。

由图2可以看出，1月份的数据来自于车控室，为壁挂式传感器的测试数据，未体现活塞风的影响；2月份和3月份的数据均来自热线风速仪，在所测试的时间段内，多个活塞风周期的作用比较明显，从而使车站内公共区温度存在明显波动；而不同月份中，3个月的最高温度都不超过15 ℃，且1，2月份车站内的温度差别不大，但3月份的车站内温度明显升高，即站内温度随室外大气温度的升高而升高。

冬季工作区的实际温度为10～15 ℃，比顶部壁挂传感器的数据（车控室的显示数据）低1～2 ℃。以3月份在A端公共区连续测试的数据为例，实际温度与传感器显示温度的偏差如图3所示。壁挂传感器反映的是近土壤层的温度变化，滞后于因空气流动和客流量造成的公共区和安检区处实际温度的变化。因此，要评价工作人员的热舒适性，需以连续测试的数据为依据。

3.2活塞风对温度的影响

以3月份在D出站口旁的安检区为测试点，测试温度和风速的变化，所测风速实际是由相对进出口间的对流风和站台溢流上来的活塞风的合成速度，但是对流风速比较稳定，风速和温度的波动主要来自于活塞风。活塞风风速变化对温度的影响如图4所示。由图4可以看出，3月份安检区的最高温度为15 ℃，最低温度为14 ℃，安检区的风速最大值为03 m/s，最小值为0 m/s，即列车进站时，将隧道中风送入站台层，扩散至站厅层时风速已经减弱；而列车出站时又抽吸形成负压引入地表冷风。因此，活塞风使站厅层的温度降低，一般情况下，活塞风的峰值对应着温度的谷值。可见，活塞风对工作区温度具有明显的影响，使体感温度更低，带来更大的不舒适性。

3.3阴雨天气对工作区温度的影响

选取3月份阴雨天气的1 d在D站口旁的安检区进行测试，阴雨天气对站厅层工作区温度的影响如图5所示，与3月份的晴天（见图3）相比，活塞风的周期性更为明显，温度的波动也相差近1 ℃。

阴雨天气时，站内温度的最大值为158 ℃，最小值为148 ℃；风速的最大值为066 m/s，最小值为0 m/s。风速与晴天相比有较大的变化，最大值明显的增大，为晴天时的2倍左右；晴天地表温度8 ℃，阴雨天的地表温度9 ℃，可见，短暂的阴雨天气对地下站内温度的影响不大。

4结束语

通过对青岛地铁3号线五四广场站地下站厅层工作区冬季热环境的测试可知，站厅层工作具有非常明显的热不舒适性，表现在两个方面，一是温度普遍不高，在冬季不同时段，站内工作区最高温度也不超过16 ℃，尤其1月份和2月份，站厅层工作区温度甚至低于10 ℃，对于长期在工作区的地铁工作人员来说，改善热舒适性具有必要性；二是站厅层内因站台层活塞风的扩散，形成周期性气流场，安检区的风速可达066 m/s，进出站口甚至超过15 m/s，明显降低了工作人员的体感温度，更加降低了热舒适性。为了改善冬季时段地下站工作区的热环境，使之达到人体舒适性的要求，将地铁站内设备房里产生的废热进行回收，转移送到公共区供热，在保证放热设备安全运行的同时，也改善了工作区的热环境，这将是本课题下一步的研究工作。

参考文献：

[1]朱培根， 朱颖心， 李晓峰.地铁环控模拟与分析[J]. 地下空间与工程学报， 2004， 24（2）： 161165.

[2]Lin CJ， ChuahYK， Liu CW. A Study on Underground Tunnel Ventilation for Piston Effects Influenced by Draught Relief Shaft in Subway System[J]. Applied Thermal Engineering， 2008， 28（5/6）： 372379.

[3]刘庚， 刘磊， 张鑫， 等. 不同湍流模型模拟地铁站台气流组织比较[J]. 都市快轨交通， 2012， 25（2）： 4952.

[4]符泰然， 赵卫平， 史聪灵， 等. 岛式双层地铁车站热环境优化分析[J]. 建筑技术， 2013， 44（12）： 11291132.

[5]薛鹏， 由世俊， 李博佳， 等. 沈阳地鐵冬季隧道的温度特性实验研究[J]. 河北工程大学学报： 自然科学版， 2012， 29（4）： 5357.

[6]张君瑛. 地铁列车运行内热源作用的区间热环境分析[J]. 地下空间与工程学报， 2010， 6（6）： 13121317.

[7]于连广， 吴喜平， 张君瑛. 相变吊顶与隧道空气耦合传热模拟分析[J]. 同济大学学报： 自然科学版， 2011， 39（2）： 236241.

[8]康智强， 周晓茜， 程小聪， 等. 地铁余热地源热泵联合供暖系统研究进展[J]. 建筑节能， 2016（12）： 57.

[9]刘逸， 李炳熙， 徐心海， 等. 地铁废热土壤源热泵联合供暖系统研究[J]. 太阳能学报， 2010， 31（6）： 98102.

[10]胡松涛， 施志钢， 高号. 毛细管壁面换热器用于地铁隧道的可行性分析[J]. 暖通空调， 2015， 45（7）： 1417.

[11]廖凯. 地铁车站采用复合地源热泵系统的节能潜力分析[J]. 铁道标准设计， 2016， 60（3）： 152158.

[12]吴 妍， 高乃平， 王丽慧， 等. 地铁隧道活塞风井通风性能的数值模拟研究[J]. 建筑科学， 2012， 28（8）： 7076.

[13]董书芸. 北方城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律及其有效利用[D]. 天津： 天津大学， 2008.

[14]彭博， 吴喜平， 郑懿. 采用屏蔽门系统的地铁区间活塞风效应分析[J]. 交通与港航， 2010， 24（1）： 1317.

[15]张倩， 臧建彬， 王颖， 等. 地铁列车热环境实测分析与舒适度评价[J]. 制冷技术， 2016， 36（4）： 5256.

[16]匡志江. 宁波轨道交通1号线环控系统热舒适评价[J]. 制冷， 2016， 37（3）： 4954.

[17]Zhang H， Zhu C， Zheng W， et al. Experimental and Numerical Investigation of Braking Energy on Thermal Environment of Underground Subway Station in China's Northern Severe Cold Regions[J]. Energy， 2016， 116： 880893.

[18]Katavoutas G， Assimakopoulos M N， Asimakopoulos D N. On the Determination of the Thermal Comfort Conditions of a Metropolitan City Underground Railway[J]. Science of the Total Environment， 2016， 566567： 877887.

[19]尹雪梅， 李炳熙， 王永镖. 地铁站台系统的热环境及废热回收[J]. 节能技术， 2005， 23（3）： 214217.

[20]李伟华， 冯海涛， 王利杰， 等. 地铁站热舒适度评价与控制策略研究[J]. 洁净与空调技术， 2014（3）： 2528.