长春市地铁热环境现状调查研究

王春青，张鸿伟，潘 嵩，韩晓飞，刘奕巧，谢 浪，王统照，卞彩侠

1吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118 2北京工业大学 绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室,北京 100124 3北华航天工业学院,河北 廊坊 065000 4山东省日照市山东路639号消防救援支队,山东 日照 276800 5长春建筑学院,长春 130607

随着城市经济的快速发展,各种交通工具也陆续出现,有效地缓解了城镇交通拥堵问题.其中，地铁以方便、快捷、节能等特点成为了人们出行的首要选择[1].随着人们乘坐地铁的时间与次数的增多,人们对地铁热舒适的要求也越来越高.据以往的调查研究表明[2-4],影响地铁站内热环境舒适度的因素较多,例如温度、风速、室外空气参数和季节等，然而多数地铁热舒适研究都选取环控系统为空调系统的地铁作为研究对象,对于通风系统的地铁热舒适研究相对较少,而严寒地区地铁环控系统一般采用通风系统而非空调系统.因此，本文采用现场实测和问卷调查的方法对严寒地区的长春地铁作为研究对象,旨为乘客提供一个舒适的地铁环境,并为长春地铁的热环境设计与相关规范提供参考依据.

1 研究方案

1.1 实验对象

本文研究对象为严寒地区典型城市-长春市,其气候特点为冬季寒冷且持续时间久,夏季凉爽且持续时间短,该地区的地铁车站的环控系统为通风系统,因此选取长春市地铁作为严寒地区调研对象.此次测试线路选取长春市地铁1号线、2号线,均为地下车站,环控系统均采用机械通风和自然通风结合的方式运营.

1.2 研究内容及方法

地铁站属于地下半封闭建筑,乘客在乘坐地铁过程中经历的热环境是动态变化的.为了更加全面地研究地铁热环境及乘客热舒适状况,本文采取了热环境现场实测及乘客动态舒适度问卷调查相结合的方法进行实地调研,测试时间选取2017年12月～2020年12月.为了还原乘客进出地铁站的实际过程,将测试路线分为10个过程,包括进站5个过程和出站5个过程.其中进站过程是地铁站外-进站口-售票处-站厅-站台-车厢,出站过程与进站过程相同.此测试过程共设立12个测试点,模拟乘客进出地铁站的真实情况.在每个过程中12个测点处测试当时的温湿度、风速,同时受试者实时填写主观热感受问卷.

1.3 测试参数及测试仪器

本文测试了长春地铁1号线、2号线从进站到出站全过程中的空气温度、相对湿度和风速等热环境参数.测试仪器见表1.

表1 测试仪器

2 热环境分析

长春地铁站内环境参数分布如图1所示,使用箱线图进行直观数据描绘.

图1 地铁内各测点热环境参数分布

箱线图又称盒式图,可用于几种样本之间的比较并且直接识别数据中的异常值.箱体的高度代表各个测点温湿度相对于该测点平均值的偏差程度.其中高度越高,相对于平均值的波动越大.

2.1 环境温度

由图1(a),图1(b)中可以看出:

(1)夏季站外平均温度为27.6 ℃,进站口为25.5 ℃,售票处为24.8 ℃,站厅为24.4 ℃,站台为24 ℃,车厢为24.3 ℃，地铁站内温度由站外到站内温度逐渐下降,从进入售票处到车厢内温度变化不大.

(2)冬季站外平均温度为-8.4 ℃,进站口为11.7 ℃,售票处为14.5 ℃,站厅为15.7 ℃,站台为17.2 ℃,车厢为20.3 ℃，冬季地铁站内温度依次升高,在车厢内达到最高.

(3)由箱体高度可知,出入口温度值的波动程度偏大,均大于售票处、站厅、站台及车厢.夏季地铁进站口平均温度比站外低2.1 ℃,售票处比进站口低0.7 ℃,站厅比售票处低0.4 ℃,车厢比站厅高0.3 ℃.通过比较相邻测点的温度差值可知,出入口受站外温度影响较大,站内各测点的温度变化不大,冬季亦是如此.

根据《地铁设计规范》[5]相关条例,当地铁车站采用通风系统时,夏季地铁车站的进风一般都来自于大气,室内计算温度不宜高于室外空气计算温度5 ℃,并且不应超过30 ℃.在冬季运行模式下,最低温度不宜低于12 ℃为符合地铁设计规范.可知夏季地铁站平均温度均符合地铁设计规范.冬季地铁内售票处,站厅,站台及车厢均符合规范,进站口温度较低不符合规范.

2.2 相对湿度

从图1(c),图1(d)中可以看出,冬夏季各个测点的相对湿度箱体高度基本保持一致,因为在通风模式下,地铁站内的相对湿度受室外相对湿度影响较大,所以地铁站内冬夏相对湿度的差异几乎与室外冬夏相对湿度的季节性差异一致.夏季地铁站内相对湿度保持在60 %～80 %范围内,平均值一般都在70 %以上.冬季相对湿度区间大体保持在30 %～50 %之间,平均值一般都在35 %左右.根据《地铁设计规范》(GB 50157—2013)[5]中规定:车站采用空调系统时,相对湿度在40 %～70 %范围内符合规定,但规范内并未对通风系统下的相对湿度进行规范.经过查阅文献GB/T1 8049-2000[6]中规定:“热舒适湿度范围为30 %～70 %”在T/ASC02 中规定湿度的限值为30 %～70 %[7].根据上述规范可知,冬季各测点均符合热舒适湿度范围,夏季相对湿度较高,不符合规范.由于严寒地区夏季短暂除湿系统使用率低,因此在夏季可以在公共区域设置除湿器,并根据需要进行调节,为以后的湿度设计和研究提供实际依据.

2.3 风速

由图2得到夏季地铁站外平均风速0.89 m/s,进站口0.53 m/s,售票处0.28 m/s,站厅0.24 m/s,站台0.46 m/s,车厢0.52 m/s,进入地铁车站后,风速逐渐降低,在站厅达到最小值,到达站台后风速又逐渐增大.冬季站外平均风速1.3 m/s,进站口0.79 m/s,售票处0.42 m/s,站厅0.32 m/s,站台0.41 m/s,车厢0.46 m/s,风速变化趋势与夏季相同,风速均呈正V型.

图2 各测点风速箱线图

3 主观调查问卷分析

3.1 主观热感觉

根据调查问卷的数据结果,对各个测点的乘客热感觉投票值及热舒适投票值统计分析，将7级指标热感觉投票值分为偏冷、适中和偏热3个区间，分别计算各个测点处3种区间的受试者人数占该测点总人数的百分比,做出热感觉堆积图如图3所示.

图3 乘客经历各测点的热感觉投票百分比

图3中可以看出,在夏季时,售票处和站厅有80 %以上的乘客热感觉较好,售票处与站厅相邻近,对于刚进入地铁站的乘客热敏感度不高，到达站台后,乘客热感觉投票值下降,站台61 %的受试者热感觉为偏冷.这是由于站台一般处于地下二层,环境阴冷潮湿,与站外热环境距离较远,影响较小，由于列车的运行会产生较大的活塞风,导致站台温度降低,且地铁站未有空调系统故无法提高夏季站台温度.进入车厢内有60 %的乘客热感觉中性,33 %的乘客热感觉偏冷.根据热环境参数分布可知,地铁车厢内温度较低,当列车突然加速或减速时,车厢会产生较大风速,使乘客产生冷感.由于夏季长春气候炎热,人们出行衣着较少,地铁位于地下,使乘客感受到偏冷状态.

冬季乘客从站外进入地铁车站后,在出入口处,有17 %的乘客感受到中性,甚至有4 %的乘客感受到偏热,可能是因为乘客已经适应了室外寒冷天气,心理期望温度较低,更容易接受室内低温环境.伴随进入地铁的过程,乘客总体热感觉值大幅度上升.进入车厢后,43 %的乘客感受到偏冷,39 %的乘客热感觉值为中性,另外18 %的乘客感受到偏热,因为乘客长时间处于较低温度环境,突然进入较热环境中,热感觉敏感度上升.

3.2 主观热舒适

热舒适投票值为0～4的5级指标,投票值为0记作舒适,为1记作稍不舒适,为2记作不舒适,为3记作很不舒适,为4记作不可忍受.分别计算5类投票值的人占总人数的百分比做出热舒适堆积图如图4所示.

图4 乘客经历各测点的热舒适投票百分比

由图4可以看出,夏季乘客舒适度明显优于冬季,尤其在售票处与站厅,绝大多数受试者感到舒适.对比而言，站台与车厢内的不舒适乘客偏多,其中站台占42 %,车厢内占60 %.通过对比热感觉投票百分比可知,站台与车厢的热感觉偏冷会引起乘客的不舒适感,所以地铁车厢应适当提升温度或减少活塞风来提高乘客热舒适度.

冬季,随着乘客进入地铁站的过程中,乘客热舒适度逐渐上升,但仍有大部分乘客感受到不舒适.进站口处感受到不舒适的乘客最多,占77 %,主要受室外温度的影响,但由于乘客在进站口停留时间较短,所以认为无需改变环控系统来升高进站口温度.根据热感觉投票值看出，进站口、售票处、站厅及站台的不舒适感主要是由于乘客的热感觉偏冷,而车厢内的不舒适感主要因为乘客的热感觉偏热.这可能是因为冬季乘客长时间处于低温状态且衣着偏多,进入车厢后温度升高,空间较密闭,人体机能会感到不舒适,因此说明车厢内通风系统调节能力不足.

3.3 车厢内热中性温度

热中性温度指的是人们在所处环境中感受到不冷不热时的温度[8].地铁车厢内热环境与地铁站内环境有所不同,属于较封闭区域.调查问卷的数据中显示,有较多乘客反映对车厢内环境较不满意,希望可做出调整.本文对车厢内温度与乘客热感觉平均值运用Origin软件进行回归分析,得到热中性温度回归方程MTS=at+b(a,b均为常数),令MTS=0时得到热中性温度.图5为长春地铁车厢内热中性温度拟合曲线,通过整理得到表2.

图5 热中性温度拟合曲线

表2 车厢内热中性温度

冬季回归方程为MTS=0.19t-3.40,令MTS=0得到冬季车厢内热中性温度为17.3℃,同理得到夏季车厢热中性温度为25.4 ℃,对数据整合计算得到冬季车厢内平均温度为20.3 ℃,夏季为24.3 ℃.通过对比可以发现,冬季车厢内平均温度偏高,夏季平均温度偏低,这与上述车厢内乘客热感觉百分比相对应.在夏季,室外温度偏高,然而车厢内平均温度仍低于热中性温度造成人体不舒适和能源浪费.冬季室外寒冷,人体长时间经历室外寒冷天气时乘客对环境温度期望变低,更容易接受温度较低的室内环境[9].这与文献[10]所得出的热中性温度值相吻合,说明长春地铁车厢内热环境应根据该情况下热中性温度进行改善.

4 结论

(1)通过对长春地铁站内温度分析统计,得到夏季站外平均温度为27.6 ℃,进站口为25.5 ℃,售票处为24.8 ℃,站厅为24.4 ℃,站台为24 ℃,车厢内为24.3 ℃.冬季站外平均温度为-8.4 ℃,进站口为11.7 ℃,售票处为14.5 ℃,站厅为15.7 ℃,站台为17.2 ℃,车厢为20.3 ℃.冬季地铁站内温度依次升高,在车厢内达到最高.依据规范,夏季温度均符合设计规范,冬季除进站口外也均满足设计规范.

(2)对湿度分析得到夏季相对湿度范围为60 %～80 %,平均值一般都在70 %以上,冬季相对湿度范围为30 %～50 %,平均值一般在35 %左右.依据规范可知，冬季相对湿度较好,夏季相对湿度较高,应在公共区域设置除湿器来提高乘客舒适度.

(3)夏季地铁站外平均风速0.89 m/s,进站口0.53 m/s,售票处0.28 m/s,站厅0.24 m/s,站台0.46 m/s,车厢0.52 m/s.冬季站外平均风速1.3 m/s,进站口0.79 m/s,售票处0.42 m/s,站厅0.32 m/s,站台0.41 m/s,车厢0.46 m/s,风速变化趋势与夏季相同,风速均呈正V型.

(4)乘客进入地铁站后,热感觉逐渐舒适,到达站厅后,舒适度下降.由于冬、夏季气候差异较大,乘客对环境温度的期望不同,夏季期望温度较高,冬季期望温度较低.夏季车厢内33 %的乘客感觉到偏冷,冬季18 %的乘客感觉到偏热.所以需要根据改善车厢内环境来提高乘客热舒适度.

(5)经回归分析得到冬、夏季车厢内热中性温度回归方程,分析得到地铁车厢内夏季热中性温度为25.4 ℃,冬季地铁车厢内热中性温度为17.3 ℃.通过与车厢内的平均温度和乘客车厢内的热感觉的对比得出,车厢内温度应对实际情况进行调整,以便为车厢环境设计参数的确定提供参考.