运营中的地铁列车车厢温度场分布特性分析

钱一宁 龙 静 金甜甜 易 柯 臧建彬

(1.同济大学机械与能源工程学院,201804,上海; 2.广州市地下铁道总公司,510308,广州;3.中车株洲电力机车有限公司,412001,株洲∥第一作者,硕士研究生)

运营中的地铁列车车厢温度场分布特性分析

钱一宁1龙 静2金甜甜1易 柯3臧建彬1

(1.同济大学机械与能源工程学院,201804,上海; 2.广州市地下铁道总公司,510308,广州;3.中车株洲电力机车有限公司,412001,株洲∥第一作者,硕士研究生)

现行标准中对于地铁车厢内温度场的评价,主要在车辆静止及空载情况下评价室内平均温度及各个测点断面温度差值。通过对某地铁列车的全天跟踪实测,获得运营中地铁列车车厢内的实测温度数据。在此基础上，分析了空载与载人时段、不同位置高度以及人员密度等因素对室内温度场的影响,得出了较为合理的车厢温度分布特性,从而为优化车厢内温度控制策略、提高乘客舒适度打下基础。

地铁； 运营列车； 车厢温度分布

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

地铁列车空间狭小,其客流分布对于车厢内温度场的分布有着较大影响。人员对于车内流场的介入效应不可忽视。因此,地铁车厢内温度场的分布具有独特的规律,列车载客运行时,车内的温度场分布特性与未载客时有明显不同,温度分布随客流分布变化较大,而车厢内温度的分布直接影响乘客的舒适度感受。

1 地铁列车车厢温度分布评价标准

目前,我国地铁车厢内温度控制基本参照国际铁路联盟UIC 553标准,以控制车内外温差为核心,空调机组的传感器自动感知车外及车厢内温度,及时调整控制温度。对于地铁车厢温度分布的评价标准,以车内回风温度及温差为主。表1给出了相关标准[1-5]中对于轨道列车空调性能或车内温度场分布情况的规定。

对于安装空调机组的列车,车内温度场评价主要是以测点温度平均值代表客室内部温度,并规定了典型断面的温差限值,如水平高度1.1m或1.7m平面的温差。我国对于地铁列车车厢内气流组织的规定与欧洲标准相仿,对于车内温度的控制也参考了国际铁路联盟的标准。一般的地铁车辆属于欧洲标准EN 14750中的categoryB型车,我国针对城市轨道交通车辆的CJ/T 354标准中关于车内气流组织的规定与欧洲标准相一致。然而，我国地铁列车的客流量远高于国外水平,且在这些标准中,试验时的列车只考虑了处于静止状态或无载客情况,与实际运营时车厢内温度场的分布有所不同,因此，研究列车运营时的车内温度场分布特性,有利于乘客舒适度的提高。

2 研究方法

对某地铁列车进行全天跟踪实测,获得运营时段车厢内温度测点的数据。车厢内测点安装WSCY-1B温湿度自记仪,其分辨率为0.1 ℃,测量误差为±0.5 ℃，测试时自动采集记录数据。

表1 评价地铁列车车厢温度分布的相关标准

表2 温度测点与人体部位的对应关系

图1 测点分布图

3 车厢温度场分布特性分析

3.1 运行时段车厢内温度场分布

全天运营时段车厢内温度场的分布主要从两个方面分析:一是车内各高度位置的平均温度场随时间的变化,可以整体反映各个影响因素对于车内气流组织的影响；二是车内各高度位置间的温度差分析,由于当前列车空调主要监控回风温度作为控制目标,加之上送上回的气流组织形式,乘客所在高度区域会有一定的温度差,这势必会造成空调控制的偏差,而车内密集的乘客数量又会加大这种差异,因此各高度之间的温度差可反映车内温度场的分布特性。

根据实测数据及列车的行车数据,分别计算一个单程车厢内各个高度的平均温度值,如图2所示。可以看出,测试当天车厢内温度平均值在25.4～28.2 ℃之间;最高值出现在晚高峰时段18:45—19:30,0.5 m高度处的温度平均值达到28.2 ℃;最低值在非高峰时段11:15—12:00,1.7 m高度处的温度平均值降至25.4 ℃。全天测试时段,乘客活动区域头部位置(即1.7 m处)温度平均值在25.4～26.6 ℃之间,最高值在晚高峰时段18:45—19:30出现。晚高峰时期客流量大,人员密集,乘客的发热量是车厢内的主要热源。同时,考虑列车运行一天车体蓄热情况,晚高峰时期车内温度明显高于其他时段。

图2 运营时段车内不同高度的平均温度

以回风温度为基准,对比各个水平面的平均温度与回风温度的差值(以下简为“回风温差”)进行分析。回风口平均温度高于1.7 m位置处的温度,可认为送风能够有效到达此区域。1.7 m以下位置送风受阻,且人员发热量不可忽略,形成向上的浮生力,造成一部分送风短路,无法到达车厢下部区域,从而使此区域温度略高于回风口温度。晚高峰时段,1.1 m高度的回风温差由1 ℃增加至2 ℃,0.5 m高度的回风温差更是增加至2.2 ℃；非高峰时段,1.7 m高度的回风温差主要在-1.3～0 ℃之间,其他高度的回风温差保持在1.5 ℃以下。车内温度场分布主要与列车送风道设计有关,而室内各个高度的温度分层情况,与车内乘客数量有密切关系,因此,对列车车内温度场评价,人员因素不可忽视。

3.2 空载车厢和载人车厢温度场对比

6：00—6：30,车厢内为空载状态时,车内温度在21.5～23 ℃之间,各高度间温度相差0.5～1 ℃。此时车内无人员等因素影响,空调送风能够有效到达车厢内部,车内温度较均匀。由于上送上回的送风方式,回风口处的短路现象明显。车厢内的温度波动是空调机组自身调节启停所致。

以8：00—8：30车内的温度分布作为载人车厢温度，与空载车厢温度进行对比。该时段车内乘客较多,比较拥挤,人员的发热量不可忽视。此时段，车内温度在21～27 ℃之间,1.7 m高度与2 m高度的温差为0～1 ℃,2 m高度与0.5 m高度的温差接近3 ℃,站立乘客的头部区域与腿部区域的温度相差3 ℃。由于人体的阻碍,送风不能有效到达车厢下部,而在人员活动区域上方温度又偏低。与空载时相比,载人车厢在车内高度方向上温度分层现象更加明显,呈现出上部温度低、下部温度高的特点。

空载时,车厢内气流组织分布均匀,各个高度测点的回风温差在-0.5～0.5 ℃之间。18：00—18：30晚高峰时段,车厢内人员密集,人员所在高度区域的回风温差达3.1 ℃,回风温度已不能代表人员区域的温度,空调机组的调节以回风温度为目标,会造成过热或过冷的感受,影响了乘客的舒适度。空载与载人车厢内不同高度的平均温度及回风温差分别如图3、图4所示。

图3 空载与载人车厢不同高度平均温度

3.3 载客量对车内温度场分布的影响

车内温度分布受到人员数量的影响较大,因此,对不同人员密度下车内温度分布的均匀性及回风温差进行分析显得尤为重要。实测当天,对车内乘客数量进行了统计。晚高峰时期车内乘客数量及温度场分布如图5所示。

由图5可以看到,在站点5至站点10区间,车内人员密集,突破150人，最高达到200人以上的拥挤程度,因此车内各高度的平均温度均有所上升；列车驶过站点11以后,车内乘客数量由200人下降至地铁列车内乘客数量变化较快,人员负荷随时变化,而目前空调的温度控制无法与乘客数量相关联,使得人员密集时车内温度较高,一些郊区站点或人员较少的站点则车内温度较低,造成乘客的不舒适感。同时,由于人员的阻挡,拥挤区域回风短路的现象加剧,送风无法有效到达乘客所在区域,使得温度分层的现象更加明显,车内1.1 m高度水平面的实际回风温差可达到2 ℃。即人员所在区域的温度与空调系统的控制温度相差超过1 ℃。

图4 空载与载人车厢内各高度的回风温差

120人，车内拥挤程度得到缓解，各高度的温度测量值迅速下降并邹于稳定。同时，车内流场的短路现象得到缓解，由于上送上回的气流组织形式，车厢中上部测点温度会有0.5 ℃的回升。随车内人员继续减少，车内温度逐渐下降。

图5 晚高峰时段车厢温度场及乘客数量分布

3.4 车内温度分布的均匀性评价

列车运营中,车门开关频繁,车内与外界热交换频繁,加之列车载客量不断发生变化,使得车内温度场无法长久保持平衡状态。由载客车厢内温度场分布特征的分析可知，载客量对车内温度场分布有着重大影响。因此,对于车内温度分布的均匀性评价,不可忽视客流密度这一影响因素。在不同载客量下,对列车各高度测点的回风温差及温度不均匀系数两个指标进行分析。在高峰时段,选择不同乘客数的站点,并计算出相应的站立密度,分析相应的车内温度场分布特征。

借助不均匀系数来评价车内温度分布的差异特征。根据不同人员密度下的测点温度,计算出车内的不均匀系数,其值越小,说明车内温度分布的均匀性越好(如图6所示)。

注:AW1为乘客满坐

若以不均匀系数作为评价标准,随着车内站立密度增大,车厢内越拥挤,不均匀系数也随之增大。不均匀系数这一无量纲数,可以反映出车内各个测点的温度偏离测点平均温度的程度,但无法直观地反映车内温度的分层状况以及乘客区域的感受温度。

典型站立密度下各高度的回风温差值指标反映了车内回风短路的程度,也能够量化分析车内温度分层的程度。典型站台密度下车内各高度的温度分布和回风温差如图7、图8所示。

图7 典型站立密度下各高度的温度分布

图8 典型站立密度下各高度的回风温差

由图7、图8可以看出,站立乘客头部区域的温度较低,在27 ℃以下,而腿部与上身区域温度接近,保持在26 ℃以上。车内无乘客站立(AW1)或站立密度较低时,头部区域温度变化较平缓,其回风温差为负值,说明在1人/m2站立密度以下,送风能够有效带走人员散发的热量；车内站立密度升高到3人/m2以上时,乘客头部区域温度迅速上升,其回风温差也由负值变为正值(0.5 ℃),出现回风短路现象。乘客腿部区域(1.1 m及以下高度位置)温度的变化则与前者相反。乘客腿部区域温度场对人数变化比较敏感,人员密度由AW1上升至2人/m2,1.1 m高度以下区域温度明显上升,温度升高幅度在2 ℃左右;当车内站立密度达到3人/m2以上时,车厢已显得较为拥挤,这时车厢下部区域的温度升高速度变缓,1.1 m高度位置的温度变化在0.5 ℃以内。造成这种现象的主要原因是上送上回的气流组织方式,若受到人员阻挡,容易造成回风短路,使得车厢下部区域难有送风到达。车厢下部区域的温度更容易受到人数变化的影响。

4 结语

现行标准中对于地铁车厢内温度场的评价,主要为室内平均温度及各个测点断面温度差值,试验条件为车辆静止状态以及空载车厢。但实际运营时段列车车厢内的温度场分布与静止时有很大区别。地铁列车车厢狭小、人员拥挤,人体对温度的感受直接影响乘客的舒适感。因此,研究运营时段车内的温度场分布特性很有必要。

车厢内温度分层现象不可避免,而人员的密度增加使得分层现象更加明显。受到车内通风方式的影响,车厢不同高度处的温度对于人员密度变化的敏感度不同,车厢上部区域的敏感度较低,出现高站立密度时,温度才会明显攀升；车厢下部区域的敏感度较高,即使出现低密度的乘客站立情况,此区域的温度也有大幅上升的趋势。

通过温度不均匀系数的计算可知,车内各测点温度的均匀性较好。各高度回风温差反映出车厢内温度分层的情况仍然明显。目前，空调送风系统还无法根据人员密度的变化来调整制冷量或送风量,今后可根据乘客区域的回风温差修正空调机组因控制回风温度而带来的偏差,从而提高乘客区域的舒适度。

[1] 中华人民共和国建设部.地下铁道车辆通用技术条件：GB-T 7928—2003[S].北京:中国标准出版社,2004.

[2] 中华人民共和国交通部.客车空调系统技术条件:JT/T 216—2006[S].北京:人民交通出版社,2006.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通车辆空调、采暖及通风装置技术条件:CJ/T 354—2010[S].北京:中国标准出版社,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] 朱颖心.建筑环境学[M].北京:中国建筑工业出版社,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)