王麗軍

(中鐵十六局集團(tuán)電氣化工程有限公司 北京 100018)

1 前言

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市化水平不斷提高，交通需求成為生活中必不可少的一部分，無論是地區(qū)間的交通還是市內(nèi)的公共交通、地鐵輕軌等都呈現(xiàn)出前所未有的增長速度[1]。其中，地鐵因其本身具有便捷、安全、舒適的優(yōu)勢成為了目前緩解交通不暢的最佳途徑[2]。地鐵車站是一個大空間過渡環(huán)境，乘客從外界環(huán)境進(jìn)入地鐵站內(nèi)到乘車，然后出站所經(jīng)歷的是一個動態(tài)的熱過程，其內(nèi)部環(huán)境的優(yōu)劣將直接影響到乘客在整個過程中的熱舒適感。

人們對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)即為環(huán)境的熱舒適性。曾逸婷等針對國內(nèi)外關(guān)于地鐵車站環(huán)境舒適性所開展的調(diào)查研究進(jìn)行匯總，指出地鐵車站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、所在地氣象參數(shù)以及沿進(jìn)出站路線的環(huán)境參數(shù)變化規(guī)律都將會大大影響地鐵車站內(nèi)部的熱舒適性，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化了地鐵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行方案[3]。朱培根等分析了地鐵車站熱環(huán)境的特點(diǎn)和乘客出入地鐵車站時(shí)的熱舒適變化情況。以南京某地鐵站為研究對象，得出采用熱感覺投票與相對熱指標(biāo)RWI結(jié)合的方法能更為準(zhǔn)確地評價(jià)地鐵車站熱環(huán)境[4]。徐風(fēng)芹等采用相對熱指標(biāo)RWI評價(jià)地鐵環(huán)境熱舒適性，分析了武漢地鐵空調(diào)的運(yùn)行控制溫度，闡釋了乘客進(jìn)出地鐵站過程中RWI值和熱舒適的變化規(guī)律，并得出武漢地鐵空調(diào)運(yùn)行控制溫度的合理值[5]。夏積玉提出利用PMV指標(biāo)來評價(jià)地鐵車廂內(nèi)部熱環(huán)境。為更全面地反映乘客的熱舒適感覺，在研究人體熱舒適時(shí)，同時(shí)考慮了溫度、濕度、風(fēng)速、新陳代謝率、服裝熱阻以及平均輻射溫度等因素[6]。陳思伊以西安市兩個典型地鐵車站為研究對象，基于修正后的RWI法和HDR法，探討了西安市地鐵車站冬、夏季適宜的設(shè)計(jì)溫度。研究發(fā)現(xiàn)，隨室外溫度變化而變化的動態(tài)車站設(shè)計(jì)溫度能更好地滿足乘客的熱舒適[7]。尹奎超用相對熱指標(biāo)RWI法，計(jì)算了天津市地鐵車站的設(shè)計(jì)溫度，討論了地鐵車站的運(yùn)行控制溫度，認(rèn)為控制溫度應(yīng)隨室外氣象溫度變化而變化，才能保證舒適且節(jié)能的要求[8]。馮煉等通過相對熱指標(biāo)RWI來衡量人體熱舒適，初步確定了成都市待建地鐵系統(tǒng)溫度的設(shè)計(jì)溫度標(biāo)準(zhǔn)為站廳29℃、站臺28℃，并進(jìn)一步分析了乘客在整個乘車過程中RWI值和熱舒適感的變化規(guī)律[9]。以上學(xué)者的研究大多只是通過相對熱指標(biāo)RWI法研究了地鐵車站的熱環(huán)境變化規(guī)律，并沒有得出相對熱指標(biāo)RWI值和人體熱感覺的主要影響因素。因此，本文在理論分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用正交模擬試驗(yàn)方法研究了在較暖環(huán)境下環(huán)境空氣干球溫度、新陳代謝率、服裝熱阻以及服裝外空氣邊界層熱阻等因素對人體熱感覺的影響，并通過層次分析法對其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為改善地鐵動態(tài)熱環(huán)境現(xiàn)狀提供指導(dǎo)。

2 理論分析

動態(tài)熱環(huán)境就是指溫度、風(fēng)速、輻射、人體代謝率等參數(shù)隨時(shí)間不斷變化的環(huán)境。相對熱指標(biāo)RWI是研究人體在較暖過渡空間環(huán)境的熱舒適指標(biāo)，常被用來確定地鐵車站站臺、站廳和列車空調(diào)的設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)空氣中水蒸氣分壓力P的不同，RWI可分別由式(1)和式(2)來計(jì)算。

式中:M為新陳代謝率，W/m2，其中m2是人體皮膚面積單位；τ為過渡過程中經(jīng)歷的時(shí)間，s；Icw為服裝熱阻，clo；Ia為服裝外空氣邊界層熱阻，clo；t為環(huán)境空氣的干球溫度，℃；(t-35)為人在感到熱不舒適之前環(huán)境干球溫度和平均皮膚溫度的值，℃；R為單位皮膚面積的平均輻射得熱，W/m2。

在地鐵站過渡空間環(huán)境下，乘客相應(yīng)活動狀態(tài)下的新陳代謝率M可通過表1確定。在較暖的環(huán)境中，隨活動強(qiáng)度的增加，人體產(chǎn)生的汗液使服裝的導(dǎo)熱系數(shù)增加，并且絕緣性能也會減弱，服裝熱阻Icw可通過表1確定。服裝外空氣邊界層熱阻Ia的大小隨運(yùn)動狀態(tài)及空氣風(fēng)速的變化而變化[10]。

表1 不同活動水平的新陳代謝率、服裝熱阻及相對風(fēng)速

根據(jù)計(jì)算得出的RWI結(jié)果可反映乘客當(dāng)前的熱感覺，RWI的分度與ASHRAE熱感覺標(biāo)度之間的關(guān)系見表2。

表2 RWI的分度與ASHRAE熱感覺標(biāo)度關(guān)系

3 正交模擬試驗(yàn)

3.1 正交模擬試驗(yàn)水平值

由于人體之間新陳代謝情況、步行頻率及身著服裝等有所差異，因此，在理論分析的基礎(chǔ)上，本文假設(shè)地鐵車站內(nèi)部為低濕環(huán)境，且人體單位皮膚面積的平均輻射得熱可忽略。擬采取正交模擬試驗(yàn)的方法來確定各因子對相對熱指標(biāo)RWI和人體熱感覺的影響程度。選取四個具有代表性且正交次數(shù)少的影響因子，即新陳代謝率、服裝熱阻、服裝外空氣邊界層熱阻及環(huán)境空氣的干球溫度。各因子水平數(shù)取3，忽略各因子之間的相互作用，進(jìn)行隨機(jī)組合，得到各因子的正交模擬試驗(yàn)水平值，見表3。

表3 正交模擬試驗(yàn)水平值

3.2 正交模擬試驗(yàn)參數(shù)表

新陳代謝率、服裝熱阻、服裝外空氣邊界層熱阻及環(huán)境空氣的干球溫度為本次試驗(yàn)的四個影響因子，分別記為 A、B、C、D。根據(jù)正交模擬試驗(yàn)，在保證任一因子在任一水平與其他因子的任一水平有且僅相碰一次的前提下，得到相對熱指標(biāo)RWI正交模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)，見表4。

表4 相對熱指標(biāo)RWI正交模擬試驗(yàn)參數(shù)

3.3 結(jié)果分析

各影響因子的正交模擬試驗(yàn)極差計(jì)算結(jié)果見表5。Ⅰ為水平1各因子試驗(yàn)結(jié)果之和；Ⅱ?yàn)樗?各因子試驗(yàn)結(jié)果之和；Ⅲ為水平3各因子試驗(yàn)結(jié)果之和；T為相對熱指標(biāo)RWI正交模擬試驗(yàn)各因子的極差值，可反映各影響因子對動態(tài)熱指標(biāo)RWI的影響程度。

表5 相對熱指標(biāo)RWI正交模擬試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表5可知，TD>TA>TB>TC，說明環(huán)境空氣的干球溫度是相對熱指標(biāo)RWI的主要影響因素，對人體熱感覺的影響也最大。

另外，在與人體本身相關(guān)的因素中，新陳代謝率的極差值最大，相比服裝熱阻和服裝外空氣邊界層熱阻，對人體熱感覺的影響程度較大。由ⅢA>ⅡA>ⅠA可知，隨著新陳代謝率增大，相對熱指標(biāo)RWI值也隨之增大，從而維持一定的體溫，降低冷感覺；由ⅠB>ⅡB>ⅢB可知，隨著服裝熱阻降低，強(qiáng)化了服裝與人體的換熱，增加了人體的冷感覺；由ⅠC>ⅡC>ⅢC可知，隨著服裝外空氣邊界層熱阻的降低，盡管相對熱指標(biāo)RWI也隨之降低，但是變化幅度較小，影響不顯著。綜上所述，人員在地鐵車站內(nèi)應(yīng)減緩行走速度和運(yùn)動強(qiáng)度，有效降低新陳代謝率，從而改善人體熱感覺。

4 層次分析法確定權(quán)重

層次分析法是結(jié)合定量方法和定性方法，將多種因素層次化，將一個復(fù)雜的多目標(biāo)問題分解為多個小目標(biāo)進(jìn)行研究。通過兩兩因素進(jìn)行比較，確定各因素的相對重要性，進(jìn)而得出各影響因子的權(quán)重[11]。該方法在對于因素結(jié)構(gòu)復(fù)雜且很難用數(shù)據(jù)量化的情況下較為實(shí)用。人體熱舒適是一種具有模糊性的隨機(jī)變量，通過模糊數(shù)學(xué)理論對其進(jìn)行分析具有合理性[12]。因此，用層次分析法來確定各影響因子對相對熱指標(biāo)RWI和人體熱感覺的影響權(quán)重，同時(shí)可進(jìn)一步驗(yàn)證正交模擬試驗(yàn)的分析結(jié)果。

4.1 權(quán)重求解

為了得出各影響因素之間的相對重要性，首先要構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣中的元素構(gòu)成aij可以查Santy的9標(biāo)度得出，見表6。

表6 判斷矩陣標(biāo)度與含義

設(shè)環(huán)境空氣的干球溫度、新陳代謝率、服裝熱阻和服裝外空氣邊界層熱阻分別為代號1、2、3、4。由正交模擬試驗(yàn)得出環(huán)境空氣的干球溫度是影響人體熱感覺的最重要因素，新陳代謝率對人體熱感覺也有很大影響，服裝被汗浸濕后熱阻、服裝外空氣邊界層熱阻的影響不太明顯，故設(shè)置判斷矩陣的元素為:a12＝3、a13＝5、a14＝7、a23＝4、a24＝5、a34＝3。

通過和積法計(jì)算得出該向量的特征向量，首先將判斷矩陣A的每一列歸一化。

該向量即為所求的特征向量，權(quán)重向量為C＝{0.548 0.281 0.115 0.056}，即環(huán)境空氣干球溫度、新陳代謝率、服裝被汗浸濕后熱阻和空氣邊界層熱阻的權(quán)重分別為 0.548、0.281、0.115、0.056。環(huán)境空氣干球溫度對人體熱感覺的影響權(quán)重最大。

與人體本身相關(guān)的因素中，三者的權(quán)重值均小于環(huán)境空氣干球溫度。其中，新陳代謝率的權(quán)重值最大，即對人體熱感覺的影響程度最大，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了正交模擬試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

4.2 一致性檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)權(quán)重計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，用一致性指標(biāo)CI、隨機(jī)一致性指標(biāo)RI、一致性比率CR對各影響因素進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

表7 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

計(jì)算最大特征值λmax:

表明A的不一致范圍在允許范圍內(nèi)，可用A的特征值表示各因子對人體熱舒適的影響權(quán)重。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用正交模擬試驗(yàn)研究了地鐵車站內(nèi)環(huán)境空氣干球溫度、新陳代謝率、服裝熱阻和空氣邊界層熱阻對相對熱指標(biāo)RWI和人體熱舒適的影響，并通過層次分析法計(jì)算出各影響因子的權(quán)重，得出以下結(jié)論:

(1)環(huán)境空氣干球溫度的極差值可達(dá)0.52，權(quán)重值為0.548，是人體熱感覺的主要影響因素。

(2)人體本身的相關(guān)因素中，新陳代謝率對人體熱感覺的影響程度最大。

(3)隨新陳代謝率的增大，相對熱指標(biāo)RWI也隨之增大，行人可以減緩行走速度和運(yùn)動強(qiáng)度以有效降低新陳代謝率，進(jìn)一步改善人體熱感覺。