幅流风机对地铁列车车厢内风环境与乘客舒适度的影响

赵 楠

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室，201001，上海∥工程师）

由于地铁列车客流量大、车门开关频繁，因此很难保持车厢内热环境的稳定。为改善车厢内环境，提高乘客热舒适性，需对车厢内风环境进行研究。文献［1］研究表明，动态风可有效改善热环境。文献［2］研究发现，在空气相对湿度50%的情况下，通过提高风速可使得舒适温度上限达到29.4℃。文献［3］指出增加气动脉流强度可加强对流换热，从而产生冷吹风感。文献［4］通过调查发现，摇头风扇吹风比直吹风扇更容易让人接受。

幅流风机是一种制造动态风环境的设备。近几年，幅流风机在民用空调系统中的应用技术已成熟，在地铁列车空调系统中也有应用。北京地铁昌平线即采用了幅流风机，以改善车厢的热舒适性［5］。文献［6］对比了安装幅流风机前后空载条件下A、B型列车的流场和热舒适性，发现安装幅流风机后，即使提高客室内设定温度以降低空调负荷，也依旧能保证客室内的热舒适性。文献［7］通过研究空载车厢20℃送风时无风机和有风机作用下的客室流场，以及有风机运行时将送风温度提高到23℃时的客室流场，发现幅流风机能降低客室温度不均匀度，改善客室的人体热舒适评价指标，并降低空调机组负荷。

本文对地铁列车的车内风环境进行实车测试，并对乘客的舒适度进行问卷调查，分析地铁列车车内环境现状。基于测试及调查结果，采用CFD（计算流体动力学）方法模拟满载车厢未加载幅流风机以及加载幅流风机时，车厢内流场和热舒适度的变化，以评估幅流风机对车厢内环境的改善效果。

1 地铁列车车厢风环境和乘客舒适度调研

地铁运行环境复杂多变，软件难以准确模拟列车车厢内的风环境。故采用热线风速温度仪测试地铁列车实际运行过程中车厢内的风速及温度，并对受测试车厢内的乘客进行舒适度问卷调查，以了解乘客的实际感受。

1.1 调查对象

数据采集对象涵盖了上海轨道交通的6条线路，包含A、B 2种车型。采用KANOMAX6006热线风速温度仪，可同时测定气流的速度和温度，其参数如表1所示。在测试的同时进行调查问卷的发放和回收，以保证乘客感受与风环境数据的同步性。

图1 上海轨道交通车厢内风速和温度测试路线

表1KANOMAX6006热线风速温度仪参数表

1.2 调查过程

根据线路起终点和车型，设定了测试路线如图1所示。沿测试线路进行了3个来回的测试，以保证样本数量和准确度。

测试时站台的平均温度为18℃。每列列车均选择了1节头车车厢和1节中间车厢进行测试。每节车厢均测试了2.0 m、1.7 m、1.0 m高度位置的风速和温度。其中，2.0 m高度位置代表出风口位置、1.7 m高度位置代表站立乘客头部高度位置，1.0 m高度位置代表坐姿乘客头部高度位置。读取数据均在列车匀速运行时，以避免车门开关及贯堂风的影响。

1.3 调查结果及分析

测试结果见图2（测试大厅平均温度为18℃）。

图2 上海轨道交通列车车厢内风速、温度测试结果

由图2可见，车厢内温度基本为19～23℃，不同车厢稍有差异。地铁空调出风口风速集中在0.8～2.0 m/s。出风量和出风速度的差异主要受运动状态和车内外压差的影响。远离风口，风速减小，到站立乘客头部高度区域时，风速已减至0.3 m/s以下。可见对于整个车厢来说，尤其是在高密度客流量时，会稍显沉闷。

舒适度调查问卷工作与测试工作同时进行。问卷发放200份，回收182份，其中有效问卷173份。各线路的舒适度情况大体相同。被调查的大部分乘客均表示当前车厢内空气流动速度较小，空气稍显沉闷不够新鲜，温度也不能根据客流量及时调节。图3为调查问卷结果统计图。

图3 上海轨道交通乘客舒适度调查问卷结果统计图

对调查结果进行分析可知：上海轨道交通各线大部分列车车厢内的风速较低，温度在竖直方向上分层明显，车厢内乘客密度大时舒适度较低。因此，改善地铁列车车厢内的热环境可从提高车厢内风速着手，研究更适合地铁列车车厢的流场形式。

2 基于风速的地铁列车车厢舒适性

本文建立地铁列车车厢的整车模型和人体模型，分析满载情况下不同工况的车厢内气流组织特征，研究幅流风机对厢车内乘客舒适性的作用效果。

2.1 计算对象及模型

以地铁列车B型车为研究对象。车厢内总长19 800 mm，净宽28 00 mm，净高2 100 mm。车厢左右两侧各设5排座椅，各风口的位置及尺寸根据实际情况布置。其中，左右两侧分别设置条缝型送风口；顶部集中回风，设计2个回风口；每个机组下方布置1个回风口；废排风口布置在列车两端顶板，且两端各布置2个。

因车厢内部在车体长度方向上对称，故取半截车厢作为模拟对象，中间截面采用对称面边界条件。建立模型如图4所示。车厢座位坐满乘客，无站立乘客，一节车厢内有36人。

图4 满载车厢三维模型图

风口格栅模型做了与真实风口相同的精细化处理，以保证模拟出最接近真实的出风排风效果。风口格栅细节如图5所示。

图5 风口格栅细节图

双轴幅流风机为模拟模型的关键部件。其叶轮旋转时，气流从叶轮敞开处进入叶栅，穿过叶轮内部，从另一面叶栅处排入蜗壳，形成工作气流；当蜗壳来回摆动时，带动风机出风口来回摆动，使得出风方向时刻发生变化，从而影响空气湍流度提高气流舒适度。幅流风机的扇叶及其安装图如图6所示。

图6 幅流风机扇叶及安装图

模拟计算采用RNG k-ε湍流模型、SIMPLE数值计算算法，选用二阶迎风（Second Order Upwind）差分格式的离散格式，选用Standard的压力插值格式。车内的人体采用单节点模型，将人体简化为1个热源，其计算模型采用辐射条件下的第二类边界条件。

2.2 边界条件设置

车厢内送风速度、送风温度，以及送风口、回风口的尺寸均按相关设计单位提供的设计参数进行设置。

入口边界条件：送风温度初设为20℃；总风量按B型车空调系统取8 000 m3/h，半节车厢风量为4 000 m3/h；风速由总风量及送风口有效面积确定。

出口边界条件：根据B型车回风和废排风量的比例可知回风量为4 700 m3/h，废排风量为3 300 m3/h，故计算模型中的回风量和废排风量分别为2 350 m3/h和 1 650 m3/h。

回风口设置为速度入口边界条件。回风口风速大小由总风量及送风口有效面积确定。经计算，回风口风速为1.61 m/s。

废排风口设置为压力出口边界条件。根据一般列车车内压力规律，设定废排风口压力值为50 Pa。

壁面边界：车身的传热系数为2.4 W/（m2·K），车窗的传热系数为3.1 W/（m2·K），车门的传热系数为4.6 W/（m2·K）。模拟计算考虑最极端工况，故将外界空气温度设定为35℃，将Fluent软件中壁面传热系数设置为Mixd，即根据外界温度和墙体换热系数自动匹配传热量。

幅流风机：根据旋转方向和旋转轴位置设置了扇叶的运动模式，且扇叶转速为1 200 r/min。该部分使用动网格，通过加载UDF（User Defined Functions），使蜗壳按要求进行摆动。

2.3 计算结果及分析

数值计算工况分别是：①未加载幅流风机，且空调出风温度为20℃的静态计算工况（工况一）；②加载幅流风机，且空调出风温度为20℃的动态计算工况（工况二）；③加载幅流风机，且空调出风温度为22℃的动态计算工况（工况三）。

根据3个工况的计算结果，研究在相同送风温度前提下幅流风机对客室环境的影响，以及在提高送风温度后幅流风机对客室环境的影响。经计算，各工况下车体各部分传递的热量如表2所示。

对比工况一和工况二可知，在相同的送风温度下，工况二的车体传热量更多。当车内温度较低时，内外温差的加大会使维护结构传热量增大，使列车空调效率增加。因此，在相同送风温度下，加载幅流风机会使空调效果更好。对比工况一和工况三可见，两者的车体传热量基本相同。这说明在达到相同车厢风环境的情况下，加载幅流风机能增大送风温度，降低空调能耗。

表2 各工况下车体各部分传递的热量

2.3.1 速度场

图7为3种工况在同一截面（幅流风机中间点）处的速度分布云图。在未加载幅流风机（工况一）的时候，人体对客室气流组织的阻碍作用较大，影响了设计工况的气流走向，使得客室送风出现“死区”；而且，人体散热也使得空气不断上升，加剧了对气流组织的扰乱作用。在加载了幅流风机之后（工况二、工况三），在风机的出风方向不会出现“死区”；而且，由于幅流风机的摆动作用使整个车厢内都会间断性出现较大风速，故周期性温度场也会相对均匀。

客室内乘客区域的速度场分布，与人员位置及数量以及送风方式都有很大的联系。对于工况二、三，最大风速约为2.8 m/s，均出现在幅流风机出风口处，其截面平均风速约为0.5 m/s。在幅流风机的半个摆动周期内（约15 s），风机吹风作用涉及了整个下部空间。相比工况一，工况二、三能更好地扰动列车车厢气流，使空调冷风能更均匀地作用到各个“气流死区”。此外，还可根据外界环境温度和客流密度来调整幅流风机的转速和摆动频率，以创造更舒适的客室环境。

2.3.2 温度场

图8为3种工况在x截面（垂直于列车行进方向）处的温度分布云图。由图8可以看出，幅流风机的扫风会扰动原来冷风流动，增加冷风的作用域，降低被作用部位的表面温度。随着风向的变化，客室内温度也产生周期性微调，可减少沉闷感。由图8可知，工况二的室内平均温度更符合人体舒适度标准，且比工况一的平均温度降低了0.3℃。这说明增大风速后的扰动降温效果比较明显。

2.3.3 人体热舒适评价指标

文献［8］提出了与空气温度、平均辐射温度、空气流速、空气湿度、人体新陈代谢率及服装热阻等6个因素有关的人体热舒适评价指标——PWV（预测平均投票数）。ISO（国际标准化组织）也据此制定了相关标准。根据模型模拟计算，得到3种工况在距车厢地板1.1 m处截面的PMV分布云图,如图9所示。由图9可见，相比工况一，在工况二下，车厢内的舒适度提高了，车厢内的气流组织也更均匀。而对比工况一和工况三可以发现，尽管工况三出风温度降低了，但其车厢的整体舒适度有了大部分提升。

图7 各工况的速度分布云图

分析3种工况下的热舒适情况可以发现，热舒适度是多因素综合作用的结果。幅流风机可增强客室气流扰动，提高空气参数均匀度，降低PMV值，以缓解高温情况下的热感和高密度客流量时的沉闷感。可见在一定条件下，幅流风机对客室舒适度的提高是有极大促进作用的。

3 结语

本文通过对地铁列车车厢内风速和温度的实车测试及问卷调查，了解了当前车厢内的风速及舒适度情况，并研究了幅流风机对地铁列车车厢内环境的改善作用。通过CFD数值模拟的方法，模拟了满载列车车厢内有无加载幅流风机对车厢内环境的影响，以及在幅流风机的作用下不同送风温度下车厢内的热环境。最后得出以下结论：

图8 各工况的温度分布云图

图9 不同工况下的PMV分布云图

（1）当前地铁列车运行时，车厢内乘客舒适度较低，车厢内空气流速较低，流场较差。

（2）相同出风温度情况下，加载幅流风机能够达到更好的制冷效果以及客室流场均匀度。

（3）在加载幅流风机的情况下，即使提高空调出风温度，其客室流场均匀度、车厢舒适度依然能够达到未加载幅流风机工况低出风温度的水平，甚至比之更好。

［1］ MCINTYRE D A.Preferred air speeds for comfort in warm conditions［J］.ASHARE Trans，1978（2）：264.

［2］ 朱芳宇.动态风作用下人体热反应及其稳态模糊评价［D］.北京：清华大学，1994．

［3］ MAYER E.Physical causes for draft：some new findings［J］.ASHRAE transactions，1987，93：540.

［4］ 贾庆贤，赵荣义.吹风对舒适性影响的主观调查与客观评价［J］.暖通空调，2000，30（3）：15.

［5］ 刘硕，张陆军，宗立明.北京昌平线地铁车辆幅流风机国产化研究［C］∥住房与城乡建设部中国城市科学研究会.第三届全国智慧城市与轨道交通学术会议论文集.苏州：苏州希格玛科技有限公司，2016.

［6］ 康伟.基于幅流风机的城市轨道交通客车动态空调分析［J］.城市轨道交通研究，2015（9）：120.

［7］ 叶晨辉，陈建云，臧建彬.周期性扰动气流对地铁车辆车内流场影响［J］.发电与空调，2016，37（5）：68.

［8］ FANGERP O.Thermal comfort［M］.Copenhagen：Danish Technical Press，1970.

［9］ ISO.Moderate Thermal Enviromnent-detemination of the PMV and PPD Indices and Specification of the Condition for Themral Comfort：ISO 7730［S］.Geneva：ISO，2005.