冬季轻轨交通列车气流组织舒适度研究

赵嵩颖，赵超洋

（吉林建筑大学 市政与环境工程学院，长春 130118）

0 引言

轻轨交通是一种方便、快捷的现代交通工具，市民在享受便利出行的同时，对乘车环境的要求也越来越高。舒适的乘车环境需要更加合理的气流分布，这与车厢内风速、温度及湿度的分布是否合理息息相关［1-3］。轻轨车厢空间狭小，运行区时间短，上下车乘客交换频繁，尤其冬季运行时，开关门造成车厢内外气流热交换频繁，车厢内热环境不稳定［4-5］。因此，探究冬季轻轨交通列车的气流组织舒适度，对改善车厢内气流组织形式，提高车厢内热环境稳定性具有理论价值和现实意义。

1 空气温度、湿度、风速实测及舒适度评价

为探究冬季轻轨交通列车的气流组织舒适度，以长春市轻轨交通4号线为例，于2019年12月25日至2020年1月8日进行空气温度、湿度、风速及舒适度评价实测。长春市轻轨交通4号线从天宫路站到长春站北站共15站，2座换乘车站：职业学院站和吉林大路站，3座地下车站：伪满皇宫站、北亚泰大街站和长春站北站，其余均为高架站台。天宫路站部分时段站台气候条件见表1。

表1 天宫路站站台气候条件Tab.1 Climatic conditions of tiangong road station platform

1.1 温度实测分析

站台上冷空气进入车厢导致车厢内空气温度明显下降，且下降值与停车时长成正比，通常换乘车站客流量较大，停车时间较长，温度下降更明显；由于夜间温度更低，因此在相同停车时长内空气温度的下降幅度更大，温度同比下降约为0.3～0.5 ℃；列车在12月26日晚途经海口路站时，停车145 s，导致车厢内空气温度下降5.9 ℃且列车在后续运行过程中车厢内空气温度更低（见图1）；乘客对车厢内空气温度的影响则很小。

图1 12月26日晚途经海口路站时空气温度变化Fig.1 Changes in air temperature when passing through Haikou road station in the evening of December 26

1.2 空气湿度和风速实测分析

受站台冷空气影响，雪天车厢内空气湿度较高；列车停站时，车厢内风速有所增大，但实际上由于没有空调设备的运行，车厢内风速仍较小；乘客对空气湿度和风速的影响很小。图2示出车厢内平均空气湿度和风速。

图2 天宫路站和长春站北站车厢内平均空气湿度和风速Fig.2 Map of average air humidity and wind speed in the carriages at Changchun Station North Station

1.3 舒适度评价

在本次研究中共发放200份问卷，收回117份，收回率为58.5%。其中女性有62人，男性有55人。

1.3.1 乘客乘车过程中的舒适度评价

乘客进站候车时的热舒适度与站内温度有关，地下站台进站乘客的热舒适度较高，候车时的热舒适度随候车时长的增加而降低；列车进出站时，站台及车厢内风速有所增大，增幅约为0.4～0.6 m/s，0.2～0.3 m/s，乘客的热舒适度在短时间内略有下降；地下车站空间相对封闭，空气湿度相对较低，从地下车站进站乘车乘客的湿感觉较差。

1.3.2 基于乘客性别的舒适度评价

由于女性乘客衣着相对较少，因而有46名男性乘客（83.6%）和57名女性乘客（91.9%）在乘车时有冷感（如图3，4所示）；有48名男性乘客（87.2%）和60名女性乘客（96.8%）希望提高车厢内空气温度；乘客衣着对湿感觉的影响很小，有36名男性乘客（65.4%）和42名女性乘客（67.7%）能够接受车厢内的空气湿度。

图4 女性乘客热舒适度评价Fig.4 Evaluation of thermal comfort for female passengers

1.3.3 基于乘客年龄的舒适度评价

各年龄段男女乘客数及热舒适度评价如图5，6所示。由于20～40岁的女性乘客衣着较为单薄，因此该年龄段大部分女性乘客在乘车时有冷感；各年龄段对空气湿度的接受程度基本相同。

图5 各年龄段男女乘客数Fig.5 Number of male and female passengers by age group

图6 各年龄段乘客热舒适度评价Fig.6 Evaluation of thermal comfort of male passengers by age group

1.3.4 基于乘客位置的舒适度评价

轻轨车厢与地铁车厢不同，乘客位置对热感觉的影响较为明显，对湿感觉的影响很小。受访乘客中，有40名乘客位于带有车门的车厢内，且均有明显冷感；有61名乘客位于相邻车厢，但离车门较近，其中16人有明显冷感，43人有轻微冷感，2人感觉舒适；离车门较远的16名乘客中有12人感觉舒适，4人有轻微冷感。

2 气流组织模拟分析

2.1 模型的建立

为提高车厢内空气温度及气流组织舒适度，以长春市轻轨交通4号线中一节带有车门的车厢为例，做在车门上方增加热空气幕的三维空间的瞬态［6］模拟分析，模型如图7所示。

图7 车厢模型Fig.7 Carriage model

模型结构尺寸如下：

（1）由于列车只开1侧门，因此将车厢右侧车门作为进风口，尺寸为宽×高=1 m×2 m；

（2）车厢内部尺寸为长×宽×高=5 m×2.65 m×2.4 m；

（3）回风口位于车厢顶部，左右两侧对称分布，尺寸为长×宽=0.3 m×0.5 m；

（4）散热器布置在座椅下，尺寸为长×宽×高=0.3 m×0.3 m×0.1 m；

（5）热空气幕尺寸为长×宽=1 m×0.3 m。

2.2 控制方程

变化中的流体在流动和传热过程中都遵守恒定律，这些守恒定律的物理描述称为控制方程［7-9］，模拟过程中不包括组分混合和相对运动。为简化问题，作如下假设［10-11］：（1）车厢内空气为不可压缩且符合Boussinesq假设；（2）车厢内的空气流动为稳态湍流；（3）忽略固体壁面之间的热辐射；认为车厢内空气为辐射透明介质；（4）忽略由于流体黏性力做功所引起的耗散热。

控制方程由标准k-ε湍流模型［12］方程、连续性方程、动量方程、能量方程组成。

（1）连续性方程

本文中空气流速较低，可认为是不可压缩流体，连续性方程为：

（2）动量方程

动量守恒定律表明：单位时间内作用在控制之上的外力之和等于控制体的动量相对变化率。因此动量方程如下，以x方向为例：

（3）能量方程

根据能量守恒定律建立的能量方程如下：

式中 cp——比热容，J/（kg·K）；

k——流体的传热系数，W/（m2·K）；

sT—— 流畅内部热源和黏性力共同作用导致的流体机械能转化为热能的部分，本文中由于气流速度较低，因此可以忽略由流体粘性力做功所引起的耗散热，即sT=0。

2.3 边界条件设置

选取 2019 年 12月 26 日 15：04、20：08，12 月30日 16：18时的温度和风速，分别为 -8.5 ℃、0.14 m/s，-14.5 ℃、0.21 m/s，-20 ℃、-0.3 m/s作为进风温度和风速，壁面温度为10，7，5 ℃，散热器模型采用离散坐标辐射模型（DO），辐射温度为40 ℃，热流量为500 W/m2，乘客表面温度为17 ℃，车门开启后热空气幕的送风温度和风速分别为40 ℃、1 m/s，40 ℃、2 m/s，40 ℃、3 m/s，时间步长为30 s。

2.4 模拟结果分析

选取ZX平面1.2 m和0.5 m处作为参考平面。

图8～11分别示出热空气幕送风温度、风速为40 ℃，1 m/s时的温度和速度场分布。在车门上方增加热空气幕后，空气温度明显提升，但0.5 m高度处温度增幅较低；车厢内风速有所提高，但风速分布仍符合舒适性要求。

图8 ZX平面1.2 m温度分布Fig.8 Temperature distribution at 1.2 m above ZX plane

图9 ZX平面1.2 m速度场分布Fig.9 Velocity field distribution at 1.2 m above ZX plane

图10 ZX平面0.5 m温度分布Fig.10 Temperature distribution at 0.5 m above ZX plane

图11 ZX平面0.5 m速度场分布Fig.11 Velocity field distribution at 0.5 m above ZX plane

图12～15分别示出热空气幕送风温度、风速为40 ℃、2 m/s时的温度和速度场分布。该工况下，车厢内空气温度和风速得到明显提升，且1.2 m高度处的增幅更为显著，在实际条件下的风速分布符合舒适性要求。

图12 ZX平面1.2 m温度分布Fig.12 Temperature distribution at 1.2 m above ZX plane

图13 ZX平面1.2 m速度场分布Fig.13 Velocity field distribution at 1.2 m above ZX plane

图14 ZX平面0.5 m温度分布Fig.14 Temperature distribution at 0.5 m above ZX plane

图15 ZX平面0.5 m速度场分布Fig.15 Velocity field distribution at 0.5 m above ZX plane

图16～19分别示出了热空气幕送风温度、风速为40 ℃、3 m/s时的温度和速度场分布。该工况下，0.5 m高度处空气温度的提升效果较低，但仍得到明显改善；车厢内空气风速较大，在实际条件下，热空气幕所送的热风会向相邻车厢流动，因此风速分布符合舒适性要求。

图16 ZX平面1.2 m温度分布Fig.16 Temperature distribution at 1.2 m above ZX plane

图17 ZX平面1.2 m速度场分布Fig.17 Velocity field distribution at 1.2 m above ZX plane

3 结论

（1）受站台冷空气影响，冬季轻轨列车车厢内空气温度明显下降；雪天的空气湿度较高；列车停站时车厢内风速有所增大，但增幅较小，空气湿度和风速符合舒适性要求。

（2）乘客进站候车时的热舒适度与站内温度有关，地下车站进站乘客的热舒适度较高，湿感觉较差；候车时的热舒适度随候车时长的增加而降低；列车进出站时，乘客的热舒适度会在短时间略有下降。

（3）由于20～40岁的女性乘客衣着相对较少，因此该年龄段大部分女性乘客在乘车时有冷感，且女性乘客的总体热舒适度相对较低；乘客衣着对湿感觉的影响很小，大部分乘客认为空气湿度适中；乘客的位置对热舒适度的影响较为明显，对湿感觉的影响很小，离车门越近的乘客乘车时的冷感越明显。

（4）在车门上方增加热空气幕使车厢内空气温度明显提升，在不同时间段合理调整热空气幕的风速，能更有效的改善车厢内气流组织舒适度。