運(yùn)營(yíng)中的地鐵列車車廂溫度場(chǎng)分布特性分析

錢一寧 龍 靜 金甜甜 易 柯 臧建彬

(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,201804,上海; 2.廣州市地下鐵道總公司,510308,廣州;3.中車株洲電力機(jī)車有限公司,412001,株洲∥第一作者,碩士研究生)

運(yùn)營(yíng)中的地鐵列車車廂溫度場(chǎng)分布特性分析

錢一寧1龍 靜2金甜甜1易 柯3臧建彬1

(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,201804,上海; 2.廣州市地下鐵道總公司,510308,廣州;3.中車株洲電力機(jī)車有限公司,412001,株洲∥第一作者,碩士研究生)

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于地鐵車廂內(nèi)溫度場(chǎng)的評(píng)價(jià),主要在車輛靜止及空載情況下評(píng)價(jià)室內(nèi)平均溫度及各個(gè)測(cè)點(diǎn)斷面溫度差值。通過對(duì)某地鐵列車的全天跟蹤實(shí)測(cè),獲得運(yùn)營(yíng)中地鐵列車車廂內(nèi)的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，分析了空載與載人時(shí)段、不同位置高度以及人員密度等因素對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)的影響,得出了較為合理的車廂溫度分布特性,從而為優(yōu)化車廂內(nèi)溫度控制策略、提高乘客舒適度打下基礎(chǔ)。

地鐵； 運(yùn)營(yíng)列車； 車廂溫度分布

First-author′s address College of Mechanical Engineering,Tongji University,201804，Shanghai，China

地鐵列車空間狹小,其客流分布對(duì)于車廂內(nèi)溫度場(chǎng)的分布有著較大影響。人員對(duì)于車內(nèi)流場(chǎng)的介入效應(yīng)不可忽視。因此,地鐵車廂內(nèi)溫度場(chǎng)的分布具有獨(dú)特的規(guī)律,列車載客運(yùn)行時(shí),車內(nèi)的溫度場(chǎng)分布特性與未載客時(shí)有明顯不同,溫度分布隨客流分布變化較大,而車廂內(nèi)溫度的分布直接影響乘客的舒適度感受。

1 地鐵列車車廂溫度分布評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前,我國(guó)地鐵車廂內(nèi)溫度控制基本參照國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC 553標(biāo)準(zhǔn),以控制車內(nèi)外溫差為核心,空調(diào)機(jī)組的傳感器自動(dòng)感知車外及車廂內(nèi)溫度,及時(shí)調(diào)整控制溫度。對(duì)于地鐵車廂溫度分布的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),以車內(nèi)回風(fēng)溫度及溫差為主。表1給出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1-5]中對(duì)于軌道列車空調(diào)性能或車內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況的規(guī)定。

對(duì)于安裝空調(diào)機(jī)組的列車,車內(nèi)溫度場(chǎng)評(píng)價(jià)主要是以測(cè)點(diǎn)溫度平均值代表客室內(nèi)部溫度,并規(guī)定了典型斷面的溫差限值,如水平高度1.1m或1.7m平面的溫差。我國(guó)對(duì)于地鐵列車車廂內(nèi)氣流組織的規(guī)定與歐洲標(biāo)準(zhǔn)相仿,對(duì)于車內(nèi)溫度的控制也參考了國(guó)際鐵路聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)。一般的地鐵車輛屬于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 14750中的categoryB型車,我國(guó)針對(duì)城市軌道交通車輛的CJ/T 354標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于車內(nèi)氣流組織的規(guī)定與歐洲標(biāo)準(zhǔn)相一致。然而，我國(guó)地鐵列車的客流量遠(yuǎn)高于國(guó)外水平,且在這些標(biāo)準(zhǔn)中,試驗(yàn)時(shí)的列車只考慮了處于靜止?fàn)顟B(tài)或無載客情況,與實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)車廂內(nèi)溫度場(chǎng)的分布有所不同,因此，研究列車運(yùn)營(yíng)時(shí)的車內(nèi)溫度場(chǎng)分布特性,有利于乘客舒適度的提高。

2 研究方法

對(duì)某地鐵列車進(jìn)行全天跟蹤實(shí)測(cè),獲得運(yùn)營(yíng)時(shí)段車廂內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。車廂內(nèi)測(cè)點(diǎn)安裝WSCY-1B溫濕度自記儀,其分辨率為0.1 ℃,測(cè)量誤差為±0.5 ℃，測(cè)試時(shí)自動(dòng)采集記錄數(shù)據(jù)。

表1 評(píng)價(jià)地鐵列車車廂溫度分布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表2 溫度測(cè)點(diǎn)與人體部位的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖1 測(cè)點(diǎn)分布圖

3 車廂溫度場(chǎng)分布特性分析

3.1 運(yùn)行時(shí)段車廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布

全天運(yùn)營(yíng)時(shí)段車廂內(nèi)溫度場(chǎng)的分布主要從兩個(gè)方面分析:一是車內(nèi)各高度位置的平均溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化,可以整體反映各個(gè)影響因素對(duì)于車內(nèi)氣流組織的影響；二是車內(nèi)各高度位置間的溫度差分析,由于當(dāng)前列車空調(diào)主要監(jiān)控回風(fēng)溫度作為控制目標(biāo),加之上送上回的氣流組織形式,乘客所在高度區(qū)域會(huì)有一定的溫度差,這勢(shì)必會(huì)造成空調(diào)控制的偏差,而車內(nèi)密集的乘客數(shù)量又會(huì)加大這種差異,因此各高度之間的溫度差可反映車內(nèi)溫度場(chǎng)的分布特性。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及列車的行車數(shù)據(jù),分別計(jì)算一個(gè)單程車廂內(nèi)各個(gè)高度的平均溫度值,如圖2所示?？梢钥闯?測(cè)試當(dāng)天車廂內(nèi)溫度平均值在25.4～28.2 ℃之間;最高值出現(xiàn)在晚高峰時(shí)段18:45—19:30,0.5 m高度處的溫度平均值達(dá)到28.2 ℃;最低值在非高峰時(shí)段11:15—12:00,1.7 m高度處的溫度平均值降至25.4 ℃。全天測(cè)試時(shí)段,乘客活動(dòng)區(qū)域頭部位置(即1.7 m處)溫度平均值在25.4～26.6 ℃之間,最高值在晚高峰時(shí)段18:45—19:30出現(xiàn)。晚高峰時(shí)期客流量大,人員密集,乘客的發(fā)熱量是車廂內(nèi)的主要熱源。同時(shí),考慮列車運(yùn)行一天車體蓄熱情況,晚高峰時(shí)期車內(nèi)溫度明顯高于其他時(shí)段。

圖2 運(yùn)營(yíng)時(shí)段車內(nèi)不同高度的平均溫度

以回風(fēng)溫度為基準(zhǔn),對(duì)比各個(gè)水平面的平均溫度與回風(fēng)溫度的差值(以下簡(jiǎn)為“回風(fēng)溫差”)進(jìn)行分析?；仫L(fēng)口平均溫度高于1.7 m位置處的溫度,可認(rèn)為送風(fēng)能夠有效到達(dá)此區(qū)域。1.7 m以下位置送風(fēng)受阻,且人員發(fā)熱量不可忽略,形成向上的浮生力,造成一部分送風(fēng)短路,無法到達(dá)車廂下部區(qū)域,從而使此區(qū)域溫度略高于回風(fēng)口溫度。晚高峰時(shí)段,1.1 m高度的回風(fēng)溫差由1 ℃增加至2 ℃,0.5 m高度的回風(fēng)溫差更是增加至2.2 ℃；非高峰時(shí)段,1.7 m高度的回風(fēng)溫差主要在-1.3～0 ℃之間,其他高度的回風(fēng)溫差保持在1.5 ℃以下。車內(nèi)溫度場(chǎng)分布主要與列車送風(fēng)道設(shè)計(jì)有關(guān),而室內(nèi)各個(gè)高度的溫度分層情況,與車內(nèi)乘客數(shù)量有密切關(guān)系,因此,對(duì)列車車內(nèi)溫度場(chǎng)評(píng)價(jià),人員因素不可忽視。

3.2 空載車廂和載人車廂溫度場(chǎng)對(duì)比

6：00—6：30,車廂內(nèi)為空載狀態(tài)時(shí),車內(nèi)溫度在21.5～23 ℃之間,各高度間溫度相差0.5～1 ℃。此時(shí)車內(nèi)無人員等因素影響,空調(diào)送風(fēng)能夠有效到達(dá)車廂內(nèi)部,車內(nèi)溫度較均勻。由于上送上回的送風(fēng)方式,回風(fēng)口處的短路現(xiàn)象明顯。車廂內(nèi)的溫度波動(dòng)是空調(diào)機(jī)組自身調(diào)節(jié)啟停所致。

以8：00—8：30車內(nèi)的溫度分布作為載人車廂溫度，與空載車廂溫度進(jìn)行對(duì)比。該時(shí)段車內(nèi)乘客較多,比較擁擠,人員的發(fā)熱量不可忽視。此時(shí)段，車內(nèi)溫度在21～27 ℃之間,1.7 m高度與2 m高度的溫差為0～1 ℃,2 m高度與0.5 m高度的溫差接近3 ℃,站立乘客的頭部區(qū)域與腿部區(qū)域的溫度相差3 ℃。由于人體的阻礙,送風(fēng)不能有效到達(dá)車廂下部,而在人員活動(dòng)區(qū)域上方溫度又偏低。與空載時(shí)相比,載人車廂在車內(nèi)高度方向上溫度分層現(xiàn)象更加明顯,呈現(xiàn)出上部溫度低、下部溫度高的特點(diǎn)。

空載時(shí),車廂內(nèi)氣流組織分布均勻,各個(gè)高度測(cè)點(diǎn)的回風(fēng)溫差在-0.5～0.5 ℃之間。18：00—18：30晚高峰時(shí)段,車廂內(nèi)人員密集,人員所在高度區(qū)域的回風(fēng)溫差達(dá)3.1 ℃,回風(fēng)溫度已不能代表人員區(qū)域的溫度,空調(diào)機(jī)組的調(diào)節(jié)以回風(fēng)溫度為目標(biāo),會(huì)造成過熱或過冷的感受,影響了乘客的舒適度。空載與載人車廂內(nèi)不同高度的平均溫度及回風(fēng)溫差分別如圖3、圖4所示。

圖3 空載與載人車廂不同高度平均溫度

3.3 載客量對(duì)車內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響

車內(nèi)溫度分布受到人員數(shù)量的影響較大,因此,對(duì)不同人員密度下車內(nèi)溫度分布的均勻性及回風(fēng)溫差進(jìn)行分析顯得尤為重要。實(shí)測(cè)當(dāng)天,對(duì)車內(nèi)乘客數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。晚高峰時(shí)期車內(nèi)乘客數(shù)量及溫度場(chǎng)分布如圖5所示。

由圖5可以看到,在站點(diǎn)5至站點(diǎn)10區(qū)間,車內(nèi)人員密集,突破150人，最高達(dá)到200人以上的擁擠程度,因此車內(nèi)各高度的平均溫度均有所上升；列車駛過站點(diǎn)11以后,車內(nèi)乘客數(shù)量由200人下降至地鐵列車內(nèi)乘客數(shù)量變化較快,人員負(fù)荷隨時(shí)變化,而目前空調(diào)的溫度控制無法與乘客數(shù)量相關(guān)聯(lián),使得人員密集時(shí)車內(nèi)溫度較高,一些郊區(qū)站點(diǎn)或人員較少的站點(diǎn)則車內(nèi)溫度較低,造成乘客的不舒適感。同時(shí),由于人員的阻擋,擁擠區(qū)域回風(fēng)短路的現(xiàn)象加劇,送風(fēng)無法有效到達(dá)乘客所在區(qū)域,使得溫度分層的現(xiàn)象更加明顯,車內(nèi)1.1 m高度水平面的實(shí)際回風(fēng)溫差可達(dá)到2 ℃。即人員所在區(qū)域的溫度與空調(diào)系統(tǒng)的控制溫度相差超過1 ℃。

圖4 空載與載人車廂內(nèi)各高度的回風(fēng)溫差

120人，車內(nèi)擁擠程度得到緩解，各高度的溫度測(cè)量值迅速下降并鄒于穩(wěn)定。同時(shí)，車內(nèi)流場(chǎng)的短路現(xiàn)象得到緩解，由于上送上回的氣流組織形式，車廂中上部測(cè)點(diǎn)溫度會(huì)有0.5 ℃的回升。隨車內(nèi)人員繼續(xù)減少，車內(nèi)溫度逐漸下降。

圖5 晚高峰時(shí)段車廂溫度場(chǎng)及乘客數(shù)量分布

3.4 車內(nèi)溫度分布的均勻性評(píng)價(jià)

列車運(yùn)營(yíng)中,車門開關(guān)頻繁,車內(nèi)與外界熱交換頻繁,加之列車載客量不斷發(fā)生變化,使得車內(nèi)溫度場(chǎng)無法長(zhǎng)久保持平衡狀態(tài)。由載客車廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布特征的分析可知，載客量對(duì)車內(nèi)溫度場(chǎng)分布有著重大影響。因此,對(duì)于車內(nèi)溫度分布的均勻性評(píng)價(jià),不可忽視客流密度這一影響因素。在不同載客量下,對(duì)列車各高度測(cè)點(diǎn)的回風(fēng)溫差及溫度不均勻系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。在高峰時(shí)段,選擇不同乘客數(shù)的站點(diǎn),并計(jì)算出相應(yīng)的站立密度,分析相應(yīng)的車內(nèi)溫度場(chǎng)分布特征。

借助不均勻系數(shù)來評(píng)價(jià)車內(nèi)溫度分布的差異特征。根據(jù)不同人員密度下的測(cè)點(diǎn)溫度,計(jì)算出車內(nèi)的不均勻系數(shù),其值越小,說明車內(nèi)溫度分布的均勻性越好(如圖6所示)。

注:AW1為乘客滿坐

若以不均勻系數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),隨著車內(nèi)站立密度增大,車廂內(nèi)越擁擠,不均勻系數(shù)也隨之增大。不均勻系數(shù)這一無量綱數(shù),可以反映出車內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度偏離測(cè)點(diǎn)平均溫度的程度,但無法直觀地反映車內(nèi)溫度的分層狀況以及乘客區(qū)域的感受溫度。

典型站立密度下各高度的回風(fēng)溫差值指標(biāo)反映了車內(nèi)回風(fēng)短路的程度,也能夠量化分析車內(nèi)溫度分層的程度。典型站臺(tái)密度下車內(nèi)各高度的溫度分布和回風(fēng)溫差如圖7、圖8所示。

圖7 典型站立密度下各高度的溫度分布

圖8 典型站立密度下各高度的回風(fēng)溫差

由圖7、圖8可以看出,站立乘客頭部區(qū)域的溫度較低,在27 ℃以下,而腿部與上身區(qū)域溫度接近,保持在26 ℃以上。車內(nèi)無乘客站立(AW1)或站立密度較低時(shí),頭部區(qū)域溫度變化較平緩,其回風(fēng)溫差為負(fù)值,說明在1人/m2站立密度以下,送風(fēng)能夠有效帶走人員散發(fā)的熱量；車內(nèi)站立密度升高到3人/m2以上時(shí),乘客頭部區(qū)域溫度迅速上升,其回風(fēng)溫差也由負(fù)值變?yōu)檎?0.5 ℃),出現(xiàn)回風(fēng)短路現(xiàn)象。乘客腿部區(qū)域(1.1 m及以下高度位置)溫度的變化則與前者相反。乘客腿部區(qū)域溫度場(chǎng)對(duì)人數(shù)變化比較敏感,人員密度由AW1上升至2人/m2,1.1 m高度以下區(qū)域溫度明顯上升,溫度升高幅度在2 ℃左右;當(dāng)車內(nèi)站立密度達(dá)到3人/m2以上時(shí),車廂已顯得較為擁擠,這時(shí)車廂下部區(qū)域的溫度升高速度變緩,1.1 m高度位置的溫度變化在0.5 ℃以內(nèi)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是上送上回的氣流組織方式,若受到人員阻擋,容易造成回風(fēng)短路,使得車廂下部區(qū)域難有送風(fēng)到達(dá)。車廂下部區(qū)域的溫度更容易受到人數(shù)變化的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于地鐵車廂內(nèi)溫度場(chǎng)的評(píng)價(jià),主要為室內(nèi)平均溫度及各個(gè)測(cè)點(diǎn)斷面溫度差值,試驗(yàn)條件為車輛靜止?fàn)顟B(tài)以及空載車廂。但實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)段列車車廂內(nèi)的溫度場(chǎng)分布與靜止時(shí)有很大區(qū)別。地鐵列車車廂狹小、人員擁擠,人體對(duì)溫度的感受直接影響乘客的舒適感。因此,研究運(yùn)營(yíng)時(shí)段車內(nèi)的溫度場(chǎng)分布特性很有必要。

車廂內(nèi)溫度分層現(xiàn)象不可避免,而人員的密度增加使得分層現(xiàn)象更加明顯。受到車內(nèi)通風(fēng)方式的影響,車廂不同高度處的溫度對(duì)于人員密度變化的敏感度不同,車廂上部區(qū)域的敏感度較低,出現(xiàn)高站立密度時(shí),溫度才會(huì)明顯攀升；車廂下部區(qū)域的敏感度較高,即使出現(xiàn)低密度的乘客站立情況,此區(qū)域的溫度也有大幅上升的趨勢(shì)。

通過溫度不均勻系數(shù)的計(jì)算可知,車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度的均勻性較好。各高度回風(fēng)溫差反映出車廂內(nèi)溫度分層的情況仍然明顯。目前，空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)還無法根據(jù)人員密度的變化來調(diào)整制冷量或送風(fēng)量,今后可根據(jù)乘客區(qū)域的回風(fēng)溫差修正空調(diào)機(jī)組因控制回風(fēng)溫度而帶來的偏差,從而提高乘客區(qū)域的舒適度。

[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.地下鐵道車輛通用技術(shù)條件：GB-T 7928—2003[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[2] 中華人民共和國(guó)交通部.客車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)條件:JT/T 216—2006[S].北京:人民交通出版社,2006.

[3] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市軌道交通車輛空調(diào)、采暖及通風(fēng)裝置技術(shù)條件:CJ/T 354—2010[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[4] UIC Heating,ventilation and air-conditioning in coaches：UIC 553—2005[S].Paris:The International Union of Railways,2004.

[5] Technical Committee RAE.Railway applications-Air conditioning for urban and suburban rolling stock Part 1:comfort parameters：EN 14750-1[S].London:BSI,2006.

[6] UIC.Heating,ventilation and air-conditioning in coaches-standard test：UIC 553-1—2005[S].Paris:The International Union of Railways,2004.

[7] 朱穎心.建筑環(huán)境學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

Distribution Characteristics of Temperature Field in the Running Metro Train

QIAN Yining, LONG Jing, JIN Tiantian, YI Ke, ZANG Jianbin

Accordingto the current standards for the temperature field in metro train,when a train stands still without any load, the indoor average temperature and the temperature difference between different measuring points are the main evaluation index.Based on the all-day tracking test of a metro train,the measured temperature data are obtained. On this basis, factors of different time periods of theloaded and unloadedmetro car, diferent position heights and passenger densities that influence the temperature distribution inside the train are analyzed, a reasonable temperature distribution character is drawn from this reseach, which will help to optimize the temperature control strategy and improve the thermal comfort in metro train.

metro; train operation; temperature distribution in carriage

U 270.38+3; TB 61+1

10.16037/j.1007-869x.2016.07.020

2014-08-27)