武汉地铁3号线列车车厢内环境实测调查及热舒适性分析

朱圣瑞 段洪亮 刘 健 康 伟* 王国强 尤立伟

(1.武汉地铁集团建设事业总部，430079，武汉；2.长春轨道客车股份有限公司工程研究中心，130062，长春//第一作者，高级工程师)

经过近二十年的发展，我国城市轨道交通车辆空调系统从无到有，技术得到了长足的发展和进步。然而，受车辆结构和车厢空间限制，车辆空调送风风速过高，乘客在送风格栅下部站立时头部有冷风感，这已成为城市轨道车辆空调系统的一个技术问题[2]。武汉地铁首次在地铁3号线列车空调系统中采用了顶部孔板与侧送风口相结合的新型送风方式，本文通过测试结果及数值模拟仿真分析这种新型送风方式下车厢内的热舒适环境。

1 车厢内环境测试分析

1.1 测试方案

测试对象为武汉地铁3号线某列车中间一节车厢，选取该车厢 1/4 作为实测区域。车厢内测点布置如图1所示，分别以车厢长度、高度、宽度代表X、Y、Z截面(Y截面以车厢地板为基准)，选取X=0.95 m、X=2.66 m、X=4.15 m、X=5.60 m、X=7.12 m、X=8.60 m、Y=0.50 m、Y=1.20 m、Y=1.70 m、Y=2.10 m、Z=0.68 m、Z=1.40 m共12 个截面，在12个截面上共布置 50 个测点，同时测量各测点的温度和风速。测试时间为8：00—10:00，温湿度自记仪布点采样；风速测量仪测量三组X、Y、Z截面上各测点的风速，对测试结果进行矢量求和，再将三组测量结果做算术平均。表1为测试仪器的性能参数表。

图1 车厢内测点布置示意图

表1 测试仪器性能参数表

1.2 车厢内环境评价体系

1)GB/T 7928—2003《地铁车辆通用技术条件》的12.1项规定，在环境温度为33 ℃时，车辆空调制冷能力应能满足：车厢内温度不高于(28±1)℃,相对湿度不超过65%。不同地区可根据当地气候条件在合同中另行规定温度要求[3]。

2)TB 1951—1987《客车空调设计参数》规定，车厢内同一水平面和同一铅垂线上的最大气温差均不超过3 K。因此，推荐车辆空调送、回风口处风速为1～3 m/s，车厢内微风速不超过0.35 m/s[4]。

1.3 车厢内温度分析

武汉地铁3号线车辆空调采用中顶孔板与侧送风口送风，车厢内侧送风口平均温度为23.97 ℃，回风口温度为23.83 ℃。整合后的各测点平均温度分布如图2所示。Y截面的温度分布如图3所示。表2为距车厢地板0.5～1.7 m各截面的垂直温差表。

图2 各测点平均温度分布图

图3 Y截面温度分布图

由表2可看出，车厢各截面间温差不超过3 ℃，温度分布比较均匀。实测数据表明车厢温度基本满足舒适性要求。

表2 距车厢地板0.5～1.7 m各截面的垂直温差表

由图3可见：Y=0.5 m截面的温度分布先降后升，但波动范围很小，温度最高点在车厢端部；Y=1.2 m截面的最高温度在车厢端部，最大温差为0.45 ℃；Y=1.7 m截面处最高温度位于第二个门区位置，约为24.10 ℃，最低温度约为23.48 ℃。

综上所述，车厢内的温度分布比较均为，温差小于2 ℃，基本满足地铁列车空调系统设计的舒适性要求。

1.4 车厢内湿度分析

Y截面的湿度分布如图4所示。

图4 Y截面湿度分布图

由图4可见：沿车厢长度方向相对湿度的变化均是先增加，中间比较平稳，到门区之后开始下降。相对湿度最高点位于门区Y=0.5 m截面处，为42.08%；相对湿度最低点位于第二个门区Y=2.1 m处,为27.4%；大部分区域的相对湿度在33%以上。按照 UIC 553 —2017《客车通风采暖和空调》相关规定：当车厢内温度为20～27 ℃时,相对湿度应保持在35%～65%之间。武汉地铁3号线列车车厢内环境总体符合要求。

1.5 车厢内风速分析

X截面的风速分布如图5所示。图5中，Y方向的每个编号分别对应Y=0.5 m、Y=1.2 m、Y=1.7 m、Y=2.1 m截面位置及侧送风进口位置。由图5可见：沿着车厢长度方向风速有增加的趋势，但是幅度不大；回风口处气流的平均风速为2.15 m/s,而且靠近回风口截面的风速都比其他截面的风速高。

图5 X截面的风速分布图

另外，在Y=0.5 m截面处，有的区域风速接近0.1 m/s，该截面处可能会出现局部静止区域，这是由于车厢内整体流场不均造成的。在回风口下方靠近车壁处存在局部静止区域，但整个车厢的风速较为均匀，风速基本满足要求。

2 数值模拟仿真分析

2.1 车厢模型建立

计算模型模拟车厢长为4.2 m、宽为2.7 m、高为2.1 m(车厢中部地板到顶板距离)；车厢分为座椅区和门区两部分；车厢内部设2排座椅，每排座椅限定6人乘坐。采用非结构四面体网格划分流场，最大网格节点约为80 mm，最小网格节点约为5 mm。

气流组织模型采用标准k-ε方程模型，同时并作如下假设[5]：①客室内空气不可为压缩气体且符合Boussinesq假设；②空气流动为稳态湍流；③流场内流体的湍流粘性各向同性，且具有高雷诺数；④不考虑漏风的影响，车厢内气密性良好。

2.2 边界条件的设置

1)根据夏季太阳总辐射照度表，车辆南北向放置获得最大太阳辐射强度：东向为165 W/m2，西向为535 W/m2，水平向为855 W/m2。车厢各部位传热系数K值为2.4 W/(m2·K)，采用第二类边界条件以及车体传热系数确定车厢内各部分的热流密度。

2)计算时，设定风机主风口风速为8 m/s。气流在风道进行分流，最终由中顶板下孔板及侧送风口送入车厢内。夏季送风温度均为19 ℃，室外环境温度为35 ℃。

3)回风口采用自由出口，设定人体平均热流密度为120 W，显热为65 W，潜热为55 W。

2.3 车厢内舒适性数值模拟结果分析

分析截面选取乘客坐姿头部(距地板1.1 m，即模型Y=21.731 m处)、站姿头部(距地板1.7 m，即模型Y=22.088 m处)的水平截面，分别对应为Height-1截面和Height-2截面。

引入PMV(预测平均评价)和PPD(预测不满意百分比)指标对车厢内的舒适度进行评价。PMV指标就是引进反应人体热平衡偏离程度的人体热负荷(TL)而得出的，其理论依据是当人体处于稳态的热环境下时，人体的热负荷越大，人体偏离热舒适的状态就越远[5]。

2.3.1 PMV指标分析

图6为Height-1截面PMV云图。图7为Height-2截面PMV云图。

图6 Height-1截面PMV云图

图7 Height-2截面PMV云图

由图6、图7可以看出：Height-1截面和Height-1截面相类似，PMV值分布较为均匀；车厢中间区域PMV值基本在-1～1之间，门区附近站立区PMV值在1左右；座椅区靠近壁面PMV值明显低于其他区域，基本达到-3，因此人体感觉冷。

2.3.2 PPD指标分析

图8为Height-1截面PPD云图。图9为Height-2截面PPD云图。

由图8可以看出：在Height-1截面，座椅区的PPD值最大。车厢中间站立区乘客及坐姿区乘客的不满意度低于10%,占比较大，因此车厢整体环境可以满足大多数乘客的舒适性要求。由图9可以看出：在Height-2截面，车厢门区中心线至两侧壁面局部区域的PPD值在50%以上。在车厢门区站立区附近，乘客的不满意度相对较高；乘客热舒适性较低区域靠近壁面处的非乘客区域，在壁面处的有乘客区域，乘客的满意率都是较高的。

图8 Height-1截面PPD云图

图9 Height-2截面PPD云图

3 结论

本文通过对武汉地铁3号线列车车厢的实测分析与数值模拟分析得出：采用中顶孔板与侧送风的送风形式，可为乘客提供一个较高的舒适性环境。

1)从实测结果来看：车厢内任意两点的温差不超过相关规范规定的范围，并且温度较为均匀，基本在23.0～24.3 ℃范围内波动；在中间乘客站立区，风速基本在0.35 m/s左右，靠近侧送风口及回风口附近的风速会偏大。

2)从数值模拟仿真结果来看：车厢中间区域的PMV值在-1～1范围内波动，车厢的热环境是非常舒适的；座椅区靠近壁面区域，由于回风风速高，坐、立乘客可能都会有冷感，但是在可控范围之内；无论是对站立乘客还是对坐姿乘客而言，车厢中部区域的舒适性较好。