满载情况下地铁车厢乘客热舒适性评价

赵 楠

(海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室，200011，上海//工程师)

地铁车厢普遍存在人流量众多、人员复杂和车厢内空间相对拥挤的情况，尤其高峰时期上述情况更为严重，因此提高地铁车厢乘客的舒适度这一问题亟待解决。

文献[1]研究了空气有规律地波动与人体热舒适度之间的关系，总结发现了新的舒适度影响因素，即空气的波动频率和速度变化幅度。文献[2]利用自制的动态出风装置进行研究，发现装置出风频谱越接近自然风，受试者的热舒适满意度越高。文献[3]显示，当风扇的风速不超过2 m/s时，可以显著改善室内的热舒适度，但若风速太大，则会产生相反的效果；同时相关的实验结果表明，在28 ℃的环境下，实验者也能感受到热舒适，其条件就是将风速提高到一定程度。文献[4]通过投票实验研究，发现动态送风可以显著改善局部热环境。文献[5]表明，在相对湿度为50%的情况下，人体依然能够通过提高风速来提高舒适温度上限。文献[6]于1967年提出了闻名于世的热舒适方程， 并综合人体热平衡方程及ASHRAE七点标度，提出了预测平均投票数PMV(Predicted Mean Vote)指标。该指标考虑了空气温度、平均辐射温度、空气流速、空气湿度、人体新陈代谢率及服装热阻，是目前最完善的热环境评价指标。因此，本文选用PMV指标作为热舒适评价指标。

本文通过加载幅流风机和改变送风温度，设计了3种不同工况，建立了1∶1的实车模型和人体模型，借助计算流体动力学(CFD)数值模拟方法研究送风速度和温度对满载地铁车厢乘客舒适度的影响。研究结论有助于合理调整空调出风温度和速度，进而达到既舒适又节能的效果。

1 物理模型

以B型地铁列车车厢作为研究对象，列车顶部有两台空调机组，采用对送的送风方式，一台机组位于一位端，另一台机组位于二位端。机组的回风口位于各个机组下部，负责将车内的空气送回空调机组。车厢左右两侧分别设置5排座椅，2个条缝型送风口分别位于车顶左右两侧，风口下方有导流板，负责将送风引入车厢两侧的座椅处。本车厢采用的回风方式为顶部集中回风，每个机组下方均布置1个回风口，回风进入机组下部风道后，再次参与送风循环。车厢内剩余空气则通过废排风道直接排向车外，废排风口布置在列车两端顶板，每端布置2个，如图1所示。

图1 地铁B型车车厢通风设备布置示意图

因车厢内部在车体长度方向上是对称的，故取车体的一半作为本文的研究对象。由于计算车型的排风和回风是分开的，因此，车厢内设置了送风口、回风口和排风口，即物理模型的入口和出口。在车顶特定位置布置有3个幅流风机安装处，为减小列车震动对风机的影响，结构之间安装有避震保护装置。本文旨在研究满载时风速和温度对地铁车厢内乘客舒适度的影响，因此车厢内共有232人，其中36人有座，196人站立。

幅流风机出风口处设置有送风格栅，幅流风机向下吹风，经过格栅进行风向的分列，用来增强吹风作用效果。扇叶长1.1 m，直径为8 cm，蜗壳上部开设有进风口，下部平面处为出风口。蜗壳以扇叶圆柱中心线为轴做来回圆弧摆动，使得出风口的位置不断变化，进而形成“扫风”的过程。

2 数值计算模型

本文采用RNGk-ε湍流模型和 SIMPLE数值计算算法，选用二阶迎风(Second Order Upwind)差分格式的离散格式和标准的压力插值格式来对计算模型进行数值模拟分析。目前，针对人体散热计算模型的研究主要分为一节点模型、二节点模型、多节点模型和多元模型等。一节点模型把人体简化为一个热源，通过人体表面与环境的换热来达到热平衡，该模型较简单，亦得到广泛应用。本文主要研究地铁列车内流场的分布，以及评价车厢内乘客的舒适度，因此，选择一节点模型作为自定义人体模型的理论基础，且计算模型采用辐射条件下的第二类边界条件。

3 数值计算结果及分析

数值计算分为以下3个工况，分别为：

(1)工况一：无幅流风机且空调出风温度为20 ℃的静态工况，研究仅有进排风作用下的满载地铁车厢的风速分布情况；

(2)工况二：开启幅流风机且空调出风温度为20 ℃的动态工况，研究幅流风机对满载地铁车厢风速分布的影响；

(3)工况三：开启幅流风机且空调出风温度为22 ℃的动态工况，研究提高送风温度对幅流风机作用的影响。

3.1 速度场计算结果分析

图2为工况一时满载地铁车厢截面的风速分布云图。由图2可知，当地铁车厢满载时，不同位置的风速大小区别较为明显，即风速不均匀度增大。同样，因车厢内乘客人数较多，从顶部吹出的风受到阻碍，难以到达下部即座位上的乘客位置。

图2 工况一时满载地铁车厢截面的风速分布云图

图3显示了工况二时，幅流风机作用下的满载地铁车厢截面半个周期的风速分布云图。由图3可以清楚地看出，幅流风机在由7 s向左下方吹风转换到23 s向右下方吹风的整个变化过程中时，最大风速出现在幅流风机出风口处，约为2.8 m/s，当靠近人体区域时，风速已经减弱到2 m/s以下，截面平均风速约为0.50 m/s，符合人体舒适性要求。

图4显示的是工况三时满载地铁车厢截面半个周期的风速分布云图，该云图与图3无太大区别，最大风速位置出现在幅流风机出风口，约为2.8 m/s，截面平均风速为0.51 m/s，符合人体舒适性要求。

对比工况一和工况二可以发现，幅流风机可以有效地扰动满载地铁车厢内的气流，能将空调出风更加均匀地送至“气流死区”。而对于工况二和工况三，即有幅流风机的两个工况，在幅流风机的作用下车厢内的风速度分布几乎无区别，最大风速均出现在幅流风机出风口处，风速约为2.8 m/s，截面平均风速约为0.5 m/s。

3.2 温度场计算结果分析

无幅流风机时满载地铁车厢截面的温度云图，如图5所示。因无冷风直吹作用，且废排风口在其附近，故车厢中部的热量通过该处排出，造成这个位置的温度较其他部位高。由于乘客密度增大，人体之间的辐射热量增多，造成人体附近的温度进一步升高，最高温度大约为38 ℃。

a) 7 sb) 15 sc) 23 s

图3 工况二时满载地铁车厢截面半个周期的风速分布云图

图4 工况三时满载地铁车厢截面半个周期的风速分布云图

图5 工况一时满载地铁车厢截面的温度分布云图

图6为工况二时满载地铁车厢截面半个周期的温度分布云图。由图6可知，在幅流风机作用的半个周期内，该截面的温度变化呈现一定的规律性，冷空气在幅流风机的扰动下吹向车厢内各个区域。车厢截面最高温度出现在人体附近，约为37 ℃。当出风温度提高到22 ℃时，满载地铁车厢截面的温度云图如图7所示。由图7可知，与工况二相比，工况三的平均温度稍高，为27.81 ℃，其温差基本与出风温差相符。由此可知，在上述客流密度下，当出风温度为22 ℃时，乘客会感觉稍许闷热。幅流风机的扫风会扰动原来的冷风流动，增加冷风的作用域，降低被作用部位的表面温度。比较工况二和工况三的温度分布图可知，当，出风温度为20 ℃时，满载地铁车厢内的平均温度更符合人体舒适度标准。与工况一进行对比发现，平均温度降低了0.3 ℃，说明幅流风机的扰动降温效果较明显。

a) 7 sb) 15 sc) 23 s

图6 工况二时满载地铁车厢截面半个周期的温度分布云图

图7 工况三时满载地铁车厢截面半个周期的温度分布云图

3.3 PMV指标计算结果分析

图8为各工况下满载地铁车厢截面的PMV指标分布云图。由图8a)可知，工况一除出风口处PMV值小于0(约为 1.5)外，其余部位PMV值几乎都大于0，PMV值最大的部位靠近人体附近，其值达到3.0，尤其靠近废排风口端，由于该部位无出风口的直接作用，同时高温废气多经过该区域排向废排风口，造成该部位PMV值超高，因此该部位的乘客体感尤其差。

a) 工况1

b) 工况2

c) 工况3

图8 满载地铁车厢截面的PMV指标分布云图

当出风温度为20 ℃时，满载地铁车厢工况下的PMV值更趋近于零值，且整个截面PMV值的均匀度较高，由于该工况出风温度较低，同时乘客数量多且散热量大，使得热量平衡之后乘客的舒适度为最佳。当出风温度为22 ℃时，满载地铁车厢工况下，因乘客散热量大且车厢内温度较高而导致PMV值偏大，尤其是废排风口一侧车厢的PMV值约为2.5，该部位虽有幅流风机扰动，却使得PMV值的整体均匀度远远高于无幅流风机作用的情况，但依旧难以克服因温度较高而为乘客带来的不舒适感。

4 结论

本文采用CFD数值模拟方法，通过有无加载幅流风机对满载地铁车厢乘客的舒适性进行了静态和动态工况的数值模拟。结果表明，在幅流风机开启、空调出风温度为20 ℃的动态工况(即工况二)下，乘客的舒适度最佳；在幅流风机开启、空调出风温度为22 ℃的动态工况(即工况三)下，乘客的舒适度亦表现较佳。因此可知，幅流风机对地铁车厢的舒适度具有一定的改善作用，同时亦需综合匹配多方因素才能使乘客舒适度达到最优。研究成果可对实际工程的应用提供理论基础。