劉建偉

摘要： 針對(duì)青島地鐵地下站工作區(qū)的熱舒適性問(wèn)題，本文以青島地鐵3號(hào)線五四廣場(chǎng)站站廳層工作區(qū)為研究對(duì)象，采用AGILENT 34970A型溫度采集儀和SZX9KA23型熱線風(fēng)速儀對(duì)冬季不同時(shí)段公共區(qū)溫度的變化、活塞風(fēng)及陰雨天氣對(duì)工作區(qū)溫度的影響進(jìn)行跟蹤測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，站內(nèi)溫度隨室外大氣溫度的升高而升高；活塞風(fēng)對(duì)工作區(qū)溫度具有明顯的影響，體感溫度低，帶來(lái)更大的不舒適性；短暫的陰雨天氣對(duì)地下站內(nèi)溫度的影響不大。與常規(guī)熱舒適感參數(shù)相比，站廳層工作區(qū)在冬季不滿足熱舒適性要求，因此提出了將設(shè)備房廢熱回收用于工作區(qū)，改善熱環(huán)境。該研究為站廳層工作區(qū)冬季供暖方案提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞： 青島地鐵站； 站廳層； 熱環(huán)境； 溫度； 活塞風(fēng)

中圖分類號(hào)： TU831文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

地鐵已經(jīng)成為主要的公共交通工具之一。截止2015年8月，我國(guó)已有24個(gè)城市開(kāi)通了地鐵，其中上海地鐵開(kāi)通14條線路，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)567 km，北京地鐵里程數(shù)為527 km，位居第二，到2020年，全國(guó)將有40個(gè)城市建設(shè)地鐵，總規(guī)劃里程達(dá)到7 000 km[1]。地鐵運(yùn)行能耗巨大（達(dá)到600 kW/km），地鐵站內(nèi)熱環(huán)境的研究成為地鐵運(yùn)行研究的一個(gè)重要分支。在熱環(huán)境研究方面，日本、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)及奧地利等國(guó)定期進(jìn)行地鐵站內(nèi)部氣流規(guī)律及節(jié)能運(yùn)行研究的學(xué)術(shù)交流，在此基礎(chǔ)上，美國(guó)交通部開(kāi)發(fā)出了地鐵環(huán)境模擬計(jì)算機(jī)程序（the subway environment simulation computer program，SES）；清華大學(xué)開(kāi)發(fā)了類似的地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件（subway thermal environment simulation software，STESS）設(shè)計(jì)軟件[2]。由于地鐵地下站內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱環(huán)境的研究以模擬仿真為主，包括地鐵站臺(tái)氣流組織的模擬[3]，缺乏與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。符泰然等人[4]對(duì)島式雙層地鐵車站熱環(huán)境優(yōu)化分析，比較全面的模擬了具體的站廳層結(jié)構(gòu)中氣流停留時(shí)間、溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，計(jì)算了熱舒適度，提出了站內(nèi)設(shè)計(jì)優(yōu)化和提高空氣品質(zhì)的建議，仍然以數(shù)值計(jì)算為主要研究手段；薛鵬等人[5]對(duì)沈陽(yáng)地鐵地下站內(nèi)冬季隧道內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，分析了活塞風(fēng)效應(yīng)及站內(nèi)溫度的波動(dòng)，但還需要大量的、長(zhǎng)期的、連續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。地下站內(nèi)可視為內(nèi)熱源[67]，來(lái)自客流人體散熱、列車運(yùn)行散熱和站內(nèi)設(shè)備房散熱等熱負(fù)荷，加上土壤層蓄熱，冬季可以回收這些廢熱。康智強(qiáng)等人[811]提出了余熱熱泵聯(lián)合為站上建筑供暖方案；而吳妍等人[1214]認(rèn)為在地鐵地下站內(nèi)，由隧道內(nèi)列車穿行造成的活塞風(fēng)，對(duì)冬季站內(nèi)熱環(huán)境有復(fù)雜的不利影響。由此可知，地鐵地下站內(nèi)熱環(huán)境具有不穩(wěn)定性，雖然地鐵環(huán)控系統(tǒng)控制地鐵內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、空氣流速和品質(zhì)，保證乘客在車廂內(nèi)的舒適性要求[15]，冬季地下站內(nèi)一般不供暖[16]，即使在北方城市地下站內(nèi)，站廳層熱環(huán)境性質(zhì)差別較大。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多研究者對(duì)希臘[1718]、天津[19]、哈爾濱[20]等城市的地鐵站廳熱環(huán)境進(jìn)行了研究。青島城市地鐵剛剛開(kāi)通運(yùn)行，地下站內(nèi)冬季熱環(huán)境尚未有評(píng)價(jià)。因此，本文重點(diǎn)對(duì)五四廣場(chǎng)地鐵站內(nèi)工作區(qū)和李村地鐵站廳層工作區(qū)進(jìn)行熱環(huán)境的測(cè)試和分析。該研究為站廳層工作區(qū)冬季供暖方案提供理論依據(jù)。

1測(cè)試地點(diǎn)

五四廣場(chǎng)地鐵站的等級(jí)屬于1級(jí)地鐵站，它的站型屬于地下2層標(biāo)準(zhǔn)島式，即地下1層為站廳層（含通訊等設(shè)備室），地下2層為站臺(tái)層（含變電設(shè)備室）。車站是五柱六跨結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為2776 m，寬度為448 m，其寬度是正常車站的2倍，大小僅次于青島市最大的地鐵站——青島北站。與其他車站不同，五四廣場(chǎng)車站所處的位置堪稱青島的經(jīng)濟(jì)和政治核心地帶，五四廣場(chǎng)車站有9個(gè)出入口，除2個(gè)應(yīng)急出口外，7個(gè)都是乘客日常出入口。其中，在香格里拉酒店南側(cè)和東側(cè)各有一個(gè)出入口，在南通路和山東路中間有2個(gè)出入口，在頤和國(guó)際北側(cè)的香港路邊上有1個(gè)出入口，青島中心北側(cè)和東側(cè)也分別有1個(gè)出入口。五四廣場(chǎng)地鐵站站廳層平面布置圖如圖1所示。

2實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1測(cè)試參數(shù)說(shuō)明

本文測(cè)試了各車站內(nèi)站廳層不同區(qū)域的溫度、風(fēng)速和濕度，對(duì)比冬季不同時(shí)段和1 d內(nèi)不同時(shí)段室外大氣溫度和活塞風(fēng)作用下的氣流速度對(duì)站廳層工作區(qū)溫度的影響，以此為依據(jù)對(duì)青島地區(qū)地鐵站內(nèi)工作區(qū)熱環(huán)境予以評(píng)價(jià)。

2.2測(cè)試儀器

采用AGILENT 34970A型溫度采集儀，精度為0001 ℃，可對(duì)溫度進(jìn)行連續(xù)且精準(zhǔn)的測(cè)量；采用SZX9KA23型熱線風(fēng)速儀，同時(shí)對(duì)風(fēng)速、溫度及壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，風(fēng)速的精度為001 m/s，溫度的精度為01 ℃。另外，借助車控室內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的溫度和濕度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，掌握壁掛傳感器數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)的偏差，真實(shí)反映工作區(qū)熱環(huán)境性質(zhì)。

2.3測(cè)試過(guò)程

1）本文分別選取1月份、2月份和3月份各1 d，連續(xù)測(cè)量對(duì)冬季不同時(shí)段的室外大氣溫度和站廳層距地15 m高處的溫度，獲取車站內(nèi)工作區(qū)溫度隨冬季時(shí)段變化的規(guī)律。

2）分別在圖1所示的A、B、C、D安檢區(qū)和站廳兩端公共區(qū)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，時(shí)值地鐵8 min一趟，則活塞風(fēng)的周期約為8 min，因此，選擇4～5個(gè)活塞風(fēng)周期的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，分析活塞風(fēng)對(duì)站內(nèi)溫度的影響性質(zhì)。

3）對(duì)比晴天和陰雨天的影響，通過(guò)相同時(shí)間段內(nèi)的測(cè)試，獲得站內(nèi)溫度和風(fēng)速受天氣變化的影響。

3測(cè)試結(jié)果與分析

3.1冬季不同時(shí)段公共區(qū)溫度的變化

以站廳層公共大廳為測(cè)試點(diǎn)，對(duì)2017年初3個(gè)月份中各選擇了1個(gè)晴天進(jìn)行溫度測(cè)試，溫度變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，1月份的數(shù)據(jù)來(lái)自于車控室，為壁掛式傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)，未體現(xiàn)活塞風(fēng)的影響；2月份和3月份的數(shù)據(jù)均來(lái)自熱線風(fēng)速儀，在所測(cè)試的時(shí)間段內(nèi)，多個(gè)活塞風(fēng)周期的作用比較明顯，從而使車站內(nèi)公共區(qū)溫度存在明顯波動(dòng)；而不同月份中，3個(gè)月的最高溫度都不超過(guò)15 ℃，且1，2月份車站內(nèi)的溫度差別不大，但3月份的車站內(nèi)溫度明顯升高，即站內(nèi)溫度隨室外大氣溫度的升高而升高。

冬季工作區(qū)的實(shí)際溫度為10～15 ℃，比頂部壁掛傳感器的數(shù)據(jù)（車控室的顯示數(shù)據(jù)）低1～2 ℃。以3月份在A端公共區(qū)連續(xù)測(cè)試的數(shù)據(jù)為例，實(shí)際溫度與傳感器顯示溫度的偏差如圖3所示。壁掛傳感器反映的是近土壤層的溫度變化，滯后于因空氣流動(dòng)和客流量造成的公共區(qū)和安檢區(qū)處實(shí)際溫度的變化。因此，要評(píng)價(jià)工作人員的熱舒適性，需以連續(xù)測(cè)試的數(shù)據(jù)為依據(jù)。

3.2活塞風(fēng)對(duì)溫度的影響

以3月份在D出站口旁的安檢區(qū)為測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試溫度和風(fēng)速的變化，所測(cè)風(fēng)速實(shí)際是由相對(duì)進(jìn)出口間的對(duì)流風(fēng)和站臺(tái)溢流上來(lái)的活塞風(fēng)的合成速度，但是對(duì)流風(fēng)速比較穩(wěn)定，風(fēng)速和溫度的波動(dòng)主要來(lái)自于活塞風(fēng)?；钊L(fēng)風(fēng)速變化對(duì)溫度的影響如圖4所示。由圖4可以看出，3月份安檢區(qū)的最高溫度為15 ℃，最低溫度為14 ℃，安檢區(qū)的風(fēng)速最大值為03 m/s，最小值為0 m/s，即列車進(jìn)站時(shí)，將隧道中風(fēng)送入站臺(tái)層，擴(kuò)散至站廳層時(shí)風(fēng)速已經(jīng)減弱；而列車出站時(shí)又抽吸形成負(fù)壓引入地表冷風(fēng)。因此，活塞風(fēng)使站廳層的溫度降低，一般情況下，活塞風(fēng)的峰值對(duì)應(yīng)著溫度的谷值?？梢?jiàn)，活塞風(fēng)對(duì)工作區(qū)溫度具有明顯的影響，使體感溫度更低，帶來(lái)更大的不舒適性。

3.3陰雨天氣對(duì)工作區(qū)溫度的影響

選取3月份陰雨天氣的1 d在D站口旁的安檢區(qū)進(jìn)行測(cè)試，陰雨天氣對(duì)站廳層工作區(qū)溫度的影響如圖5所示，與3月份的晴天（見(jiàn)圖3）相比，活塞風(fēng)的周期性更為明顯，溫度的波動(dòng)也相差近1 ℃。

陰雨天氣時(shí)，站內(nèi)溫度的最大值為158 ℃，最小值為148 ℃；風(fēng)速的最大值為066 m/s，最小值為0 m/s。風(fēng)速與晴天相比有較大的變化，最大值明顯的增大，為晴天時(shí)的2倍左右；晴天地表溫度8 ℃，陰雨天的地表溫度9 ℃，可見(jiàn)，短暫的陰雨天氣對(duì)地下站內(nèi)溫度的影響不大。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)青島地鐵3號(hào)線五四廣場(chǎng)站地下站廳層工作區(qū)冬季熱環(huán)境的測(cè)試可知，站廳層工作具有非常明顯的熱不舒適性，表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是溫度普遍不高，在冬季不同時(shí)段，站內(nèi)工作區(qū)最高溫度也不超過(guò)16 ℃，尤其1月份和2月份，站廳層工作區(qū)溫度甚至低于10 ℃，對(duì)于長(zhǎng)期在工作區(qū)的地鐵工作人員來(lái)說(shuō)，改善熱舒適性具有必要性；二是站廳層內(nèi)因站臺(tái)層活塞風(fēng)的擴(kuò)散，形成周期性氣流場(chǎng)，安檢區(qū)的風(fēng)速可達(dá)066 m/s，進(jìn)出站口甚至超過(guò)15 m/s，明顯降低了工作人員的體感溫度，更加降低了熱舒適性。為了改善冬季時(shí)段地下站工作區(qū)的熱環(huán)境，使之達(dá)到人體舒適性的要求，將地鐵站內(nèi)設(shè)備房里產(chǎn)生的廢熱進(jìn)行回收，轉(zhuǎn)移送到公共區(qū)供熱，在保證放熱設(shè)備安全運(yùn)行的同時(shí)，也改善了工作區(qū)的熱環(huán)境，這將是本課題下一步的研究工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱培根， 朱穎心， 李曉峰.地鐵環(huán)控模擬與分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2004， 24（2）： 161165.

[2]Lin CJ， ChuahYK， Liu CW. A Study on Underground Tunnel Ventilation for Piston Effects Influenced by Draught Relief Shaft in Subway System[J]. Applied Thermal Engineering， 2008， 28（5/6）： 372379.

[3]劉庚， 劉磊， 張?chǎng)危?等. 不同湍流模型模擬地鐵站臺(tái)氣流組織比較[J]. 都市快軌交通， 2012， 25（2）： 4952.

[4]符泰然， 趙衛(wèi)平， 史聰靈， 等. 島式雙層地鐵車站熱環(huán)境優(yōu)化分析[J]. 建筑技術(shù)， 2013， 44（12）： 11291132.

[5]薛鵬， 由世俊， 李博佳， 等. 沈陽(yáng)地鐵冬季隧道的溫度特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2012， 29（4）： 5357.

[6]張君瑛. 地鐵列車運(yùn)行內(nèi)熱源作用的區(qū)間熱環(huán)境分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2010， 6（6）： 13121317.

[7]于連廣， 吳喜平， 張君瑛. 相變吊頂與隧道空氣耦合傳熱模擬分析[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2011， 39（2）： 236241.

[8]康智強(qiáng)， 周曉茜， 程小聰， 等. 地鐵余熱地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]. 建筑節(jié)能， 2016（12）： 57.

[9]劉逸， 李炳熙， 徐心海， 等. 地鐵廢熱土壤源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2010， 31（6）： 98102.

[10]胡松濤， 施志鋼， 高號(hào). 毛細(xì)管壁面換熱器用于地鐵隧道的可行性分析[J]. 暖通空調(diào)， 2015， 45（7）： 1417.

[11]廖凱. 地鐵車站采用復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能潛力分析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2016， 60（3）： 152158.

[12]吳 妍， 高乃平， 王麗慧， 等. 地鐵隧道活塞風(fēng)井通風(fēng)性能的數(shù)值模擬研究[J]. 建筑科學(xué)， 2012， 28（8）： 7076.

[13]董書蕓. 北方城市地鐵活塞風(fēng)對(duì)地鐵環(huán)境的影響規(guī)律及其有效利用[D]. 天津： 天津大學(xué)， 2008.

[14]彭博， 吳喜平， 鄭懿. 采用屏蔽門系統(tǒng)的地鐵區(qū)間活塞風(fēng)效應(yīng)分析[J]. 交通與港航， 2010， 24（1）： 1317.

[15]張倩， 臧建彬， 王穎， 等. 地鐵列車熱環(huán)境實(shí)測(cè)分析與舒適度評(píng)價(jià)[J]. 制冷技術(shù)， 2016， 36（4）： 5256.

[16]匡志江. 寧波軌道交通1號(hào)線環(huán)控系統(tǒng)熱舒適評(píng)價(jià)[J]. 制冷， 2016， 37（3）： 4954.

[17]Zhang H， Zhu C， Zheng W， et al. Experimental and Numerical Investigation of Braking Energy on Thermal Environment of Underground Subway Station in China's Northern Severe Cold Regions[J]. Energy， 2016， 116： 880893.

[18]Katavoutas G， Assimakopoulos M N， Asimakopoulos D N. On the Determination of the Thermal Comfort Conditions of a Metropolitan City Underground Railway[J]. Science of the Total Environment， 2016， 566567： 877887.

[19]尹雪梅， 李炳熙， 王永鏢. 地鐵站臺(tái)系統(tǒng)的熱環(huán)境及廢熱回收[J]. 節(jié)能技術(shù)， 2005， 23（3）： 214217.

[20]李偉華， 馮海濤， 王利杰， 等. 地鐵站熱舒適度評(píng)價(jià)與控制策略研究[J]. 潔凈與空調(diào)技術(shù)， 2014（3）： 2528.