地铁车站内人体热感觉影响因素相关性研究

王丽军

(中铁十六局集团电气化工程有限公司 北京 100018)

1 前言

随着社会和经济的迅速发展，城市化水平不断提高，交通需求成为生活中必不可少的一部分，无论是地区间的交通还是市内的公共交通、地铁轻轨等都呈现出前所未有的增长速度[1]。其中，地铁因其本身具有便捷、安全、舒适的优势成为了目前缓解交通不畅的最佳途径[2]。地铁车站是一个大空间过渡环境，乘客从外界环境进入地铁站内到乘车，然后出站所经历的是一个动态的热过程，其内部环境的优劣将直接影响到乘客在整个过程中的热舒适感。

人们对热环境表示满意的意识状态即为环境的热舒适性。曾逸婷等针对国内外关于地铁车站环境舒适性所开展的调查研究进行汇总，指出地铁车站的内部结构、所在地气象参数以及沿进出站路线的环境参数变化规律都将会大大影响地铁车站内部的热舒适性，并结合历史数据优化了地铁空调系统的运行方案[3]。朱培根等分析了地铁车站热环境的特点和乘客出入地铁车站时的热舒适变化情况。以南京某地铁站为研究对象，得出采用热感觉投票与相对热指标RWI结合的方法能更为准确地评价地铁车站热环境[4]。徐风芹等采用相对热指标RWI评价地铁环境热舒适性，分析了武汉地铁空调的运行控制温度，阐释了乘客进出地铁站过程中RWI值和热舒适的变化规律，并得出武汉地铁空调运行控制温度的合理值[5]。夏积玉提出利用PMV指标来评价地铁车厢内部热环境。为更全面地反映乘客的热舒适感觉，在研究人体热舒适时，同时考虑了温度、湿度、风速、新陈代谢率、服装热阻以及平均辐射温度等因素[6]。陈思伊以西安市两个典型地铁车站为研究对象，基于修正后的RWI法和HDR法，探讨了西安市地铁车站冬、夏季适宜的设计温度。研究发现，随室外温度变化而变化的动态车站设计温度能更好地满足乘客的热舒适[7]。尹奎超用相对热指标RWI法，计算了天津市地铁车站的设计温度，讨论了地铁车站的运行控制温度，认为控制温度应随室外气象温度变化而变化，才能保证舒适且节能的要求[8]。冯炼等通过相对热指标RWI来衡量人体热舒适，初步确定了成都市待建地铁系统温度的设计温度标准为站厅29℃、站台28℃，并进一步分析了乘客在整个乘车过程中RWI值和热舒适感的变化规律[9]。以上学者的研究大多只是通过相对热指标RWI法研究了地铁车站的热环境变化规律，并没有得出相对热指标RWI值和人体热感觉的主要影响因素。因此，本文在理论分析的基础上，运用正交模拟试验方法研究了在较暖环境下环境空气干球温度、新陈代谢率、服装热阻以及服装外空气边界层热阻等因素对人体热感觉的影响，并通过层次分析法对其结果进行验证，为改善地铁动态热环境现状提供指导。

2 理论分析

动态热环境就是指温度、风速、辐射、人体代谢率等参数随时间不断变化的环境。相对热指标RWI是研究人体在较暖过渡空间环境的热舒适指标，常被用来确定地铁车站站台、站厅和列车空调的设计参数。根据空气中水蒸气分压力P的不同，RWI可分别由式(1)和式(2)来计算。

式中:M为新陈代谢率，W/m2，其中m2是人体皮肤面积单位；τ为过渡过程中经历的时间，s；Icw为服装热阻，clo；Ia为服装外空气边界层热阻，clo；t为环境空气的干球温度，℃；(t-35)为人在感到热不舒适之前环境干球温度和平均皮肤温度的值，℃；R为单位皮肤面积的平均辐射得热，W/m2。

在地铁站过渡空间环境下，乘客相应活动状态下的新陈代谢率M可通过表1确定。在较暖的环境中，随活动强度的增加，人体产生的汗液使服装的导热系数增加，并且绝缘性能也会减弱，服装热阻Icw可通过表1确定。服装外空气边界层热阻Ia的大小随运动状态及空气风速的变化而变化[10]。

表1 不同活动水平的新陈代谢率、服装热阻及相对风速

根据计算得出的RWI结果可反映乘客当前的热感觉，RWI的分度与ASHRAE热感觉标度之间的关系见表2。

表2 RWI的分度与ASHRAE热感觉标度关系

3 正交模拟试验

3.1 正交模拟试验水平值

由于人体之间新陈代谢情况、步行频率及身着服装等有所差异，因此，在理论分析的基础上，本文假设地铁车站内部为低湿环境，且人体单位皮肤面积的平均辐射得热可忽略。拟采取正交模拟试验的方法来确定各因子对相对热指标RWI和人体热感觉的影响程度。选取四个具有代表性且正交次数少的影响因子，即新陈代谢率、服装热阻、服装外空气边界层热阻及环境空气的干球温度。各因子水平数取3，忽略各因子之间的相互作用，进行随机组合，得到各因子的正交模拟试验水平值，见表3。

表3 正交模拟试验水平值

3.2 正交模拟试验参数表

新陈代谢率、服装热阻、服装外空气边界层热阻及环境空气的干球温度为本次试验的四个影响因子，分别记为 A、B、C、D。根据正交模拟试验，在保证任一因子在任一水平与其他因子的任一水平有且仅相碰一次的前提下，得到相对热指标RWI正交模拟试验的试验参数，见表4。

表4 相对热指标RWI正交模拟试验参数

3.3 结果分析

各影响因子的正交模拟试验极差计算结果见表5。Ⅰ为水平1各因子试验结果之和；Ⅱ为水平2各因子试验结果之和；Ⅲ为水平3各因子试验结果之和；T为相对热指标RWI正交模拟试验各因子的极差值，可反映各影响因子对动态热指标RWI的影响程度。

表5 相对热指标RWI正交模拟试验计算结果

根据表5可知，TD>TA>TB>TC，说明环境空气的干球温度是相对热指标RWI的主要影响因素，对人体热感觉的影响也最大。

另外，在与人体本身相关的因素中，新陈代谢率的极差值最大，相比服装热阻和服装外空气边界层热阻，对人体热感觉的影响程度较大。由ⅢA>ⅡA>ⅠA可知，随着新陈代谢率增大，相对热指标RWI值也随之增大，从而维持一定的体温，降低冷感觉；由ⅠB>ⅡB>ⅢB可知，随着服装热阻降低，强化了服装与人体的换热，增加了人体的冷感觉；由ⅠC>ⅡC>ⅢC可知，随着服装外空气边界层热阻的降低，尽管相对热指标RWI也随之降低，但是变化幅度较小，影响不显著。综上所述，人员在地铁车站内应减缓行走速度和运动强度，有效降低新陈代谢率，从而改善人体热感觉。

4 层次分析法确定权重

层次分析法是结合定量方法和定性方法，将多种因素层次化，将一个复杂的多目标问题分解为多个小目标进行研究。通过两两因素进行比较，确定各因素的相对重要性，进而得出各影响因子的权重[11]。该方法在对于因素结构复杂且很难用数据量化的情况下较为实用。人体热舒适是一种具有模糊性的随机变量，通过模糊数学理论对其进行分析具有合理性[12]。因此，用层次分析法来确定各影响因子对相对热指标RWI和人体热感觉的影响权重，同时可进一步验证正交模拟试验的分析结果。

4.1 权重求解

为了得出各影响因素之间的相对重要性，首先要构造判断矩阵。判断矩阵中的元素构成aij可以查Santy的9标度得出，见表6。

表6 判断矩阵标度与含义

设环境空气的干球温度、新陈代谢率、服装热阻和服装外空气边界层热阻分别为代号1、2、3、4。由正交模拟试验得出环境空气的干球温度是影响人体热感觉的最重要因素，新陈代谢率对人体热感觉也有很大影响，服装被汗浸湿后热阻、服装外空气边界层热阻的影响不太明显，故设置判断矩阵的元素为:a12＝3、a13＝5、a14＝7、a23＝4、a24＝5、a34＝3。

通过和积法计算得出该向量的特征向量，首先将判断矩阵A的每一列归一化。

该向量即为所求的特征向量，权重向量为C＝{0.548 0.281 0.115 0.056}，即环境空气干球温度、新陈代谢率、服装被汗浸湿后热阻和空气边界层热阻的权重分别为 0.548、0.281、0.115、0.056。环境空气干球温度对人体热感觉的影响权重最大。

与人体本身相关的因素中，三者的权重值均小于环境空气干球温度。其中，新陈代谢率的权重值最大，即对人体热感觉的影响程度最大，这也进一步验证了正交模拟试验结果的正确性。

4.2 一致性检验

为了检验权重计算结果的准确性，用一致性指标CI、随机一致性指标RI、一致性比率CR对各影响因素进行一致性检验。

表7 平均随机一致性指标RI

计算最大特征值λmax:

表明A的不一致范围在允许范围内，可用A的特征值表示各因子对人体热舒适的影响权重。

5 结论

本文运用正交模拟试验研究了地铁车站内环境空气干球温度、新陈代谢率、服装热阻和空气边界层热阻对相对热指标RWI和人体热舒适的影响，并通过层次分析法计算出各影响因子的权重，得出以下结论:

(1)环境空气干球温度的极差值可达0.52，权重值为0.548，是人体热感觉的主要影响因素。

(2)人体本身的相关因素中，新陈代谢率对人体热感觉的影响程度最大。

(3)随新陈代谢率的增大，相对热指标RWI也随之增大，行人可以减缓行走速度和运动强度以有效降低新陈代谢率，进一步改善人体热感觉。