哈尔滨和昆明地铁站环境参数实测与节能优化

胡月营，王海燕，范夙博，钱剑峰，李彩琼

(1. 哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨150028；2. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨150090)

哈尔滨和昆明地铁站环境参数实测与节能优化

胡月营1，王海燕2，范夙博2，钱剑峰1，李彩琼1

(1. 哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨150028；2. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨150090)

通过实验分析的方法对哈尔滨及昆明地铁站环境参数进行实测，并对两地环境参数进行对比分析.实验测得两地环境参数分别有温度、湿度、空气流速.并利用所得数据计算分析哈尔滨地铁站内人体舒适性.实验结果表明, 两地车站出入口的空气流速分布不均匀，跨度较大，而且流速偏大，会使人有强烈的吹风感，同一站点温湿度在一定时间内分布比较均匀，数值波动较小，由于昆明和哈尔滨两地气候的差别，使昆明地铁站内温度比哈尔滨地铁站内温度平均高出1～5 ℃，哈尔滨地铁站相对湿度平均集中在40%左右，而昆明地铁站相对湿度平均在60%～70%.

地铁内环境温度、舒适性；空气流速；湿度

随着城市地铁迅速发展和人民生活水平提高，地铁环境控制问题逐渐引起人们的关注.目前国内运行的地铁线路的通风空调基本采用的是恒定风量运行，这对能耗要求较大[1-4].变风量控制首先在美国应用，目前成为国际上的主流，变风量控制就是通过改变送入车站内的风量来满足室内变化的负荷，节能效果十分明显[5-7].本文通过对昆明和哈尔滨新运行的地铁站内的空气环境进行参数的实测，通过不同地区不同季节地铁空气环境的对比，对地铁的能源利用和节约进行研究并提出节能优化方案.

1 地铁站内环境参数实测对比

哈尔滨属于东北地区，四季分明.昆明属于西南地区，全年干、湿季分明.本文首先对哈尔滨和昆明夏季地铁站内不同区域的温度进行测量，测量结果如表1.分析可得出：夏季哈尔滨地铁站内温度较低，温度过低也会增加空调系统的能耗.表2数据为昆明夏季地铁站不同区域温度.分析表2可以看出昆明地铁站各个区域内的温度相差不大.对于哈尔滨地铁站内空调系统，可以增加对新风的控制，采用变新风控制，如早晚高峰期或者客流量较少的时间段，可以根据人流量的多少来调整新风的供给.对于昆明地铁地下车站内部空间广、发热量大，为维持其热环境，通风空调系统的风机、冷水机组、空调机组的装机容量较大.因此，为降低通风空调系统能耗，建议增加各设备房送风支路风管或风阀的手动调节装置，以便风量平衡的调节[8-10].

表1 哈尔滨夏季地铁站不同区域温度

热舒适在ASHRAE Standard 54-1992中定义[11]为：人体对热环境表示满意的意识状态.人体热舒适性受环境的温度、湿度、空气流速等诸多因素的影响.环境温度是表征热环境的主要指标，它的高低影响人的冷热感.空气湿度直接影响人体皮肤表面的蒸发散热.空气流速影响人体对流换热和蒸发换热，同时也促进室内的空气更新.

表2 昆明夏季地铁站不同区域温度

首先，对两地的空气流速进行对比，图1可以看出出入口的空气流速分布非常不均匀，跨度较大，而且流速偏大，会使人有较大的吹风感.(注：1号测点代表哈尔滨出入口A，昆明白云路站点；2号测点代表哈尔滨出入口B，昆明穿心鼓楼站点；3号测点代表哈尔滨出入口C，昆明东风广场站点；4号测点代表哈尔滨一层公共休息区，昆明环城南路站点；5号测点代表哈尔滨二层公共休息区，昆明交三桥站点；6号测点代表哈尔滨车厢内，昆明塘子巷站点.图1～6测点所代表意义相同.)图2、3展现的两地站内休息区的空气流速均有较大的波动，车厢内部空气流速分布较均匀，且昆明地铁站空气流速普遍比哈尔滨大.

图1 两地地铁站空气流速

图2 两地地铁车厢内空气流速

图3 两地地铁休息区空气流速

其次，对两地的站内湿度进行测量，图4～6为两地站内各个区域的湿度对比，同一地方不同站点之间湿度差别不大，但昆明湿度总体比哈尔滨高20%左右.

图4 两地地铁休息区空气湿度

图5 地地铁车厢内空气湿度

图6 两地地铁出入口空气湿度

总体上来看，同一站点温湿度在一定时间内分布都比较均匀，数值波动较小，且昆明和哈尔滨两地的波动在一定程度上规律相似.不同之处:由于昆明和哈尔滨两地气候的差别，使昆明站内温度比哈尔滨平均高出1～5 ℃.两地的相对湿度差别明显，哈尔滨地铁站相对湿度平均集中在40%左右.相对于昆明平均60%～70%的相对湿度，哈尔滨地铁站内相对湿度要小.总体来说，昆明地铁站各个区域的空气流速虽然与哈尔滨地铁波动趋势相近，但风速实际数值还是比哈尔滨略大.

2 人体热舒适性评价

国际标准ISO7730中采用PMV-PPD指标来描述评价热环境.以哈尔滨冬季地铁站公共休息区为例计算.PMV-PPD方法的基本根据是人体热平衡方程：

M-W-C-R-E=S

(1)

其中：M为人体新陈代谢产热量，W/m2，成年男子静坐时为58.2W/m2，站立休息时为70W/m2，偶尔走动时为123W/m2；W为人体做功量,在大多数活动水平下为0W/m2；C为人体散热量，W/m2；R为辐射散热量，W/m2；S为蒸发散热量，W/m2；S为热量蓄积W/m2.

达到舒适状态时，热量蓄积应为0，式(1)变为：

M-W-C-R-E=0

(2)

对流散热量可用下式计算：

C=fclhc(tcl-ta)

(3)

其中：hc为对流换热系数，W/m2·k，可由经验公式hc=8.3v0.5算得.fcl为服装面积系数，由于fcl与服装热阻有一定的关系，可粗略表示为：

fcl=1.0+0.3Icl

(4)

其中：Icl为服装热阻，冬季着厚棉服，服装热阻取4.5clo，1clo=0.155m2·k/W.tcl为着衣人体外表面温度，取30 ℃，ta为室内空气温度，取24 ℃.代入以上数据，计算得对流散热量C=33.

辐射散热量R可用下式计算：

(5)

人体总蒸发量E用下式计算：

E=Cres+Eres+Edif+Esw

(6)

其中：Cres为呼吸时的显热损失，W/m2.

Cres=0.0014M(34-ta)

(7)

Eres为呼吸时的潜热损失，W/m2，

Eres=0.0173M(5.867-Pa)

(8)

Pa为人体周围空气中水蒸气分压力,kPa，

Edif为皮肤扩散蒸发损失，W/m2，

Edif=3.05(0.254tsk-3.335-Pa)

(9)

Esw为出汗造成的潜热损失，W/m2，接近舒适条件时，

Esw=0.42(M-W-58.2)

(10)

代入数据，对以上各式计算，得出计算结果：Cres=1.722W/m2Eres=10.36W/m2，Edif=11.82W/m2,Esw=32.32 W/m2.

在确定以上有关参数后，可以计算PMV-PPD指标：

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.0275]×{M-W-3.05[5.733-0.007(M-W)-Pa]

(11)

根据以上计算结果，代入数据计算PMV=0.122

PPD=100-95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)]

(12)

将PMV=0.122代入得PPD=5.31.

由于冷热是主观感觉，PMV值只能代表同一条件下绝大部分人的感觉，因此用PPD指标来表示不满意百分率，并用概率统计方法给出二者间的关系.ISO7730给出的指标推荐值为：-0.5≤MPV≤+0.5，相当PPD≤10%.由计算结果可知，哈尔滨地铁公共区热舒适性符合指标.见表3

表3 PMV指标

由于哈尔滨地铁站公共区不设空调系统，而哈尔滨冬季寒冷，因此，人们感觉稍凉.可以在车站的出入口处增加热风幕，地下站公共区通风设备布置在车站两端，各自负担一半的车站通风负荷，其中一台变频运行，以便于低负荷时节能运行.列车进站时会产生活塞通风，夏季可通过风井、风亭利用列车通过时产生的活塞通风实现与外界空气的交换.

3 节能优化

结合两地环境条件，两地人们对环境舒适度的感觉不同，因此不同地域地铁内环境节能方式不同.

以昆明为代表的西南温暖地区：1)夏季加大昆明地铁站点与外界直接相通的空间面积，使外界空气能够进入到地铁站内，增加站内的新风量.2)由于昆明地铁线路很多站点都是与外界直接相通，且夏季光照充足，可以考虑在地铁系统上运用小型太阳能装置，以改善局部的热环境.

以哈尔滨为代表的东北严寒地区：1)可通过传感器对送排风机进行变频控制，严格控制风量的进出，降低能源消耗.2)车站照明系统可采用类似于昆明的照度传感器和时钟控制系统，根据人流量来控制照明系统.3)哈尔滨冬季漫长，而排气的温度远高于环境温度，因此，可以采用热泵系统着重利用废热.

4 结 语

本文通过对哈尔滨以及昆明地铁站环境参数进行测量以及对比分析，根据测量数据计算人体热舒适性，提出对不同地区地铁站的节能优化方案.对于哈尔滨等严寒地区，在满足人体热舒适性前提下，冬季要适当提高站内温度，将站内产生的废热有效的利用，如采用节能减排效果良好的热泵空调系统以降低系统能耗.

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Energy conservation optimization research and environment parameter measurement of Harbin and Kunming metro station

HU Yue-ying1, WANG Hai-yan2, FAN Su-bo2, QIAN Jian-feng1, LI Cai-qiong1

(1. School of Energy and Civil Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China; 2. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

This paper described environmental parameters of Harbin and Kunming subway station, and the difference of environmental parameters between Harbin subway station and Kunming subway station. Experimental parameters of temperature, humidity and air velocity were measured in both environment. And the human body comfort performance of Harbin metro station was analyzed. The results showed that there were uneven distribution of air velocity, large span, and the larger velocity in Harbin and Kunming subway station, and that made people have a strong sense of blowing. The even distribution, numerical less volatile of temperature and humidity in a certain time in same site were measured. Because of the difference of environmental parameters, the average temperature of Kunming metro station was 1～5 ℃ higher than the average temperature of Harbin metro station. The average relative humidity of Harbin metro station concentrated at 40% , while the average relative humidity of Kunming station was 60%～70%.

metro station environment temperature; comfort performance; air velocity; humidity

2016-07-06.

黑龙江省大学生创新创业训练项目(201410240026)；黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541196)

胡月营(1993-)，女，硕士，研究方向：制冷空调节能技术.

钱剑峰(1979-)，男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向：制冷空调节能技术.

U231

A

1672-0946(2017)02-0208-04