赵嵩颖,王冬冬,赵超洋,陈 雷
吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118
作为一种方便、快捷的城市交通工具,轻轨列车为乘客的出行提供了极大的便利.凭借载客量大、安全性高的优势,轻轨有效缓解了人口与交通资源、汽车与交通设施之间的紧张关系.在乘车过程中,舒适的乘车环境与车厢内温湿度的大小及气流速度分布的合理性密不可分[1-2].由于每节车厢的空间相对有限,各个站点之间运行时间较短和乘客上下车频繁,导致车厢内外冷热空气频繁地进行热交换,造成车厢内温、湿度参数的不稳定[3-4].基于以上分析,探究夏季条件下轻轨车厢内的环境舒适度,对于提高车厢内环境参数的稳定性和改善乘客的出行质量具有重要意义.
以长春市轻轨4号线中一节车厢为例,从2021年6月14日至6月25日期间,对该车厢内的空气温度、相对湿度、风速进行测试及对乘客舒适度进行问卷调查,探究夏季轻轨列车车厢内环境舒适度状况.其中,4号线全长16.33 km,地下段3.3 km,采用6节编组C型列车担任载客任务.在日常运行路线中,共设立16座站点,线路起于长春站北站,止于天工路站.
为节约城市占地空间,缓解交通压力,除部分为地下站点外,其它站点均为高架站台.选取天工路站对部分时段站台气候参数进行测试,测试结果见表1.
表1 天工路站部分时段站台气候参数Table 1 Platform climate parameters of Tiangong Road Station in some periods
测试进行之前,在轻轨列车车厢内选取3处不同的位置作为测量点.测量点的具体位置见表2.
表2 天工路站至长春站北站方向测量点坐标Table 2 Coordinates of measurement points from Tiangong Road Station to Changchun North Station
为研究轻轨车厢在夏季运行时的环境舒适度状况,沿天工路站至长春站北站方向测试期间,在车厢内温度、相对湿度、风速等参数测试的基础上,通过使用手持型风速仪进一步对世荣路站空调系统的送回风参数进行测试,测试结果及车厢内的乘客数见表3.
表3 世荣路站空调参数Table 3 Air conditioning parameters of Shirong Road Station
轻轨列车从天工路站至长春站北站运行期间,3个测量点的温湿度及风速变化曲线分别如图1, 图2,图3所示.
图1 6月15日天工路站-长春站北站运行期间温度变化曲线Fig.1 Temperature curves during operation of Tiangong road station-Changchun station north station on June 15
图2 6月15日天工路站-长春站北站运行期间湿度变化曲线Fig.2 Humidity curves during operation of Tiangong road station-Changchun station north station on June 15
图3 6月15日天工路站-长春站北站运行期间风速变化曲线Fig.3 Wind velocity curves during operation of Tiangong road station-Changchun station north station on June 15
根据以上测试结果,6月15日当天,室外天气为晴天.由于测试时间始于正午时分,因此列车自南向北开始运行时,车厢左右两侧受到太阳辐射的影响较小,此时车厢内各测点的温度在19 ℃~21 ℃之间.从图1温度变化曲线可知,因测量点1,3所在位置距离相邻车厢的车门较近,当列车抵达各个站点时,列车车门的开启时间在15 s~20 s之间,站台附近的热空气通过开启的车门进入车厢内部,造成测量点1,3温度值相较测量点2分别高2 ℃,1.3 ℃左右,因此,该两测量点处的温度易受到来自站台热空气的影响.随着列车的继续行驶,太阳逐渐向西偏移,部分太阳辐射能量通过车厢左侧的透明玻璃进入车厢,因此各测点的温度有所增加.同时,乘车人数的不断增多,以及人体新陈代谢热量的释放,导致各测点的温度值明显提高,达到20.5 ℃~22.5 ℃.列车运行至职业学院站时,测点1和测点2附近的乘客数量减少,两处的温度值出现下降趋势.当列车于12∶40途径吉林大路站时,由于在该换乘站的乘客流量较大,乘客数量明显增多,导致测量点1~3的温度值均相应增加,且各自的最大增温幅度分别在0.7 ℃,0.7 ℃,0.6 ℃左右.列车即将抵达终点站时,会进入地下线路段行驶,由于地下环境缺少阳光照射,测量点1~3的温度值出现明显的降低.
如图2所示,在轻轨列车整个运行途中,车厢内空气的相对湿度基本保持在48 %以上.列车启动之前,乘客从站台集中进入车厢,同时天工路站作为始发站,等候发车的时间相比其它站点更长,且相邻车厢的车门一直处于开启状态,使得站台附近具有高湿度的热空气大量进入,导致轻轨运行前5 min内,车厢各测点的相对湿度值较大,且均在60 %以上.当列车即将抵达终点站长春站北站时,轻轨列车驶入地下线路段行驶,由于所处环境比较潮湿,相对湿度略有增加.在整个后续运行过程中,车厢内测量点1,2,3的湿度值基本稳定在48 %~55 %之间.
受到列车启停、空调送风风速以及乘客活动的共同影响,各测量点风速值的波动较大,整体风速在0 m/s~0.3 m/s之间,见图3.当轻轨列车匀速运行时,各测量点处的风速最小,风速范围为0.03 m/s~0.15 m/s.
为充分了解乘客乘车时对车厢环境舒适度的具体评价,问卷调查过程与实测过程同时进行.问卷调查过程中对乘客共发放300份问卷,其中收回有效问卷222份,收回率为74 %.
表4 问卷调查收回结果Table 4 Results of questionnaire survey
根据问卷调查反馈结果,对影响人体舒适度的相关因素进行分析.
2.2.1 乘客性别的影响
调查结果发现,女性乘客对温度更加敏感,对温度产生冷感的96名乘客中78名为女性,18名为男性,分别占比81.25 % 和18.75 %;而对温度产生适宜感的126名乘客当中,女性乘客仅45人,占比35.72 %,见图4和图5.图6为车厢内的湿感觉分布,其中,35名(15.8 %)乘客对湿度值较为满意,而187名(84.2 %)乘客表示车厢内的湿度值偏高,希望降低湿度值并控制在合理范围.此外,男女乘客对车厢内风速的感受差别不大,约80 %的乘客对风速大小感到满意,有14名乘客认为风速略高,存在轻微的吹风感,占比为6.3 %,如图7所示.
图4 对温度产生冷感的乘客比例Fig.4 Proportion of passengers with cold sensation
图6 湿感觉分布Fig.6 Distribution of wet sensation
图7 气流速度感觉分布Fig.7 Distribution of airflow velocity sensation
2.2.2 乘客着装的影响
图8为不同着装的男性乘客数及舒适度评价.在男性乘客着装中,以短袖搭配长裤居多,少量乘客通过短袖搭配短裤来加快体表的散热,短袖+长裤着装对应的男性乘客舒适度评价主要以舒适感为主,而短袖+短裤着装对应的舒适度评价以较冷感居多.
如图9所示,女性乘客着装主要包括短袖+短裤、短袖+长裤、连衣裙以及短袖+防晒服+长裤,对应的乘客数分别占比15.4 %,52.8 %,22.8 %和8.9 %.与其他3种着装相比,在短袖搭配短裤这种着装对应的女性乘客舒适度评价中,有13人产生较冷感,较冷感的比例超过50 %;而在短袖搭配长裤这种着装对应的女性乘客舒适度评价中,有54人产生舒适感,舒适感的比例在80 %以上.
以上分析表明,乘客的舒适度受不同着装的影响较大.
(a) 不同着装的男性乘客数
(b) 不同着装的男性乘客舒适度评价
(a) 不同着装的女性乘客数
(b) 不同着装的女性乘客舒适度评价
针对吉林省长春市轻轨列车4号线中一节不带车门的车厢,利用Fluent软件进行三维空间仿真模拟分析.车厢的简化模型图如图10所示.具体结构尺寸如下:
(1) 测试车厢的内部尺寸为5 m×2.4 m×2.4 m(长×宽×高).
(2) 车厢顶端设置有2个回风口,呈对称分布,尺寸大小为0.4 m×0.35 m(长×宽).
(3) 车厢窗户的尺寸为1.2 m×1.2 m(长×宽).
图10 车厢简化模型Fig.10 Simplified model of carriage
为便于数值模拟分析,对车厢模型做出以下假设:
(1) 车厢内的空气视为不可压缩性牛顿流体.
(2) 假定车厢内的空气进行稳态湍流流动.
(3) 送风条缝宽度及风道截面积均保持不变[5].
(4) 不考虑车厢内扶手、电子显示屏等部件.
(5) 忽略因少量空气散失引起的泄漏量,认为车厢内的密封性能良好.
模拟过程中用到的基本参数设置如下:针对太阳辐射过程采用DO模型[6-8].考虑到15日当天是晴朗天气,日照因子(Sunshine Factor,用于衡量室外大气对太阳辐射的影响程度)的大小设置为0.7[2].空调送风口设置为速度入口、回风口设置为压力出口.送风温度和送风速度的设置与实测结果保持一致,并选用列车经过世荣路站时的空调送风温度21.4 ℃、送风速度1.95 m/s作为模拟的初始值.回风口的静压值设为0.
选取车厢内3个不同截面作为参考平面进行模拟分析:①X=1.5 m截面,布置在车厢的中间座位,乘客背部靠椅所在位置;②Y=0.7 m截面,布置在乘客腹部所处的高度位置;③Z=0.3 m截面,布置在车厢左侧两座椅的中间位置.各截面的温度场和速度场如图11、图12、图13所示.
(a) X=1.5 m截面温度场
(b) X=1.5 m截面速度场
(a) Y=0.7 m截面温度场
(b) Y=0.7 m截面速度场
(a) Z=0.3 m截面温度场
(b) Z=0.3 m截面速度场
从以上3个截面可以看出,温度场和速度场均呈对称分布.
由图11可知,乘客活动范围内的空气温度为22 ℃~25 ℃;乘客头部以下风速为0.14 m/s~0.28 m/s.
在图12中,由于座椅下面存在一定高度的台阶,因此空调送风口与车厢内就坐乘客之间的距离较近,且该区域就坐的8名乘客腹部高度处的空气温度为23.35 ℃~24.65 ℃、风速为0.078 m/s~0.157 m/s.
图13表明,Z=0.3 m截面处内外两侧座位的温度场及风速场存在明显差异,对左右两侧座位而言,其附近的空气温度相较中间座位高1 ℃左右;而中间座位附近的风速相较两侧座位高0.11 m/s左右.
通过对夏季轻轨车厢内温湿度、风速的实测以及模拟分析,得出以下结论:
(1) 室外天气晴朗时,车厢内温度的变化容易受到站台热空气、太阳辐射、乘客人数以及送风温度的共同影响;站台热空气对车厢内湿度值的影响较为明显,3个测量点的湿度值稳定在48 %~55 %之间;3个测量点风速值的波动较大,当列车匀速行驶时各个测点的风速最小,风速范围为0.03 m/s~0.15 m/s.
(2) 不同性别的乘客对温湿度、风速的感受不同,在现有送风参数下,对温度产生冷感的乘客中以女性居多,对温度产生适宜感的乘客中以男性居多;车厢内的湿度值偏高,多数乘客的湿感觉较差;男女乘客对车厢内风速的感受差别不大,约78.8 %的乘客对风速大小感到满意.
(3) 不同着装对乘客舒适度的影响较大,在男女乘客着装类型中,短袖搭配长裤的着装最为普遍,对应乘客舒适感的比例最高;短袖搭配短裤的着装相对较少,对应乘客较冷感的比例最多.
(4) 在相同的送回风参数下,车厢内乘客座位布置的差异会导致不同座位的温度场及风速场有所不同,左右两侧座位附近的空气温度相较中间座位高出1℃左右;中间座位附近的风速相较两侧座位高出0.11 m/s左右.
(5) 为实时获取轻轨列车运行过程中温湿度等参数,可在车厢内均匀布置感温及湿度监测装置,通过系统数据的反馈,对送风参数及时作出调整. 在现有送风参数下,适当调低相对湿度值并保持稳定,有助于带给乘客更好的乘车体验,营造舒适高效的乘车环境;同时,为进一步提升乘客乘车舒适度,可试点推行“同车不同温”的分区温控系统,实现更加精准的控制,即在不同的车厢内,实现‘强冷’和‘弱冷’分区控温,通过这样的设置,便于乘客根据自身情况,选择乘坐合适的车厢;乘客搭乘轻轨时,可根据个人体质适当增减衣服.对于空调冷气较为敏感的乘客,尽量避开空调送风口下方座位和中间座位的位置.