夏热冬暖地区地下交通枢纽内部环境实测研究*

张笑海 董建锴 郝 爽 赵建建 那艳玲 江崇旭 武世强 孙 超 刘 京△

(1.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室,哈尔滨;2.哈尔滨工业大学,哈尔滨;3.城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程实验室,天津;4.中国铁路设计集团有限公司,天津)

0 引言

地下交通枢纽作为城市重要的公共建筑,其内部环境质量是否符合相关规范要求是大家关心的问题[1]。位于夏热冬暖地区的城市普遍经济发达,地下交通发达,地下交通枢纽多、体量大、内部格局复杂、客流量大[2-3]。同时具有夏季室外温度较高、室内外温差大、与外界直接连通的出入口较多等特点,导致枢纽内部环境质量的保障更具挑战性,由此带来的环境和能耗问题不容忽视[4-5]。

因此,从热湿环境、空气质量、光环境、声环境等方面对地下交通枢纽内部进行系统性测试分析,进而掌握其内部环境现状并明确当前存在的问题尤为重要。目前针对夏热冬暖地区地下交通枢纽内部环境的实测研究还较少,对其内部环境现状的掌握还不够充分,从而缺少有针对性的空调设计参数及综合环境改进提升方法。

本文以位于夏热冬暖地区的深圳市福田站枢纽及深圳北站枢纽为研究对象进行综合测试,旨在系统性地研究夏热冬暖地区地下交通枢纽不同季节环境要素的特征和问题点,结合主观调查问卷统计结果,分析不同季节乘客的热环境满意率,通过综合评价等方法分析当前环境质量存在的不足,为地下交通枢纽未来的改进方向提供参考。

1 研究方法

1.1 地下交通枢纽概况

夏热冬暖地区1月平均气温高于10 ℃,7月平均气温处于25～29 ℃之间,深圳市1月平均气温为15.4 ℃,7月平均气温为28.9 ℃,是夏热冬暖地区的典型城市。福田站及深圳北站地下交通枢纽均位于深圳市,其中福田站位于福田区,深圳北站位于龙华区,均为换乘站,有多个地铁线路,客流量大,高峰期客流量变化明显,具有代表性。福田站站厅位于地下1层,收费区长110 m,最大宽度约70 m,面积约3 300 m2;单站台长135 m、宽12.5 m,面积约1 600 m2;福田站正在使用的出入口约10个,出入口形式相似,选取其中的28号出入口进行实测,出入口高约10 m、宽4 m。深圳北站站厅位于地下1层,面积约3 000 m2,单站台长150 m、宽12 m,面积约1 800 m2;换乘通道通过垂直电梯将深圳地铁5号线站台与深圳地铁4号线站台相连,换乘通道长约40 m、宽2.5 m,面积约100 m2。福田站夏季采用全空气集中空调系统,深圳北站夏季采用风机盘管加新风空调系统,冬季两枢纽均使用全新风模式运行。夏季两枢纽空调设计参数[6]如表1所示。

表1 夏季空调设计参数

1.2 测试仪器及测试方法

2021年1月9—16日对深圳市福田站枢纽及深圳北站枢纽内的站厅及站台等区域的室内环境进行了测试,其中福田站测试时间为1月9—12日,深圳北站测试时间为1月13—16日;2021年7月15—19日对上述两枢纽进行了夏季环境测试,其中福田站测试时间为7月15、18、19日,深圳北站测试时间为7月16、17日。室内环境测试参数主要包括室内空气温度、相对湿度、风速、CO2浓度、细颗粒物PM2.5浓度、可吸入颗粒物PM10浓度、照度、噪声等。测试仪器及精度如表2所示。

表2 环境参数测试仪器及精度

环境测试采用固定测试与移动测试相结合的方式进行,移动测试测点均匀分布在站厅与站台等空间中,考虑枢纽内乘客绝大多数为行走或站立状态,测点高度为1.5 m,用于表征人员活动区域的环境情况,测点布置情况如图1、2所示。室外测点位于福田站2a出入口门外15 m处。

注:A、B、C分别为站厅、站台、出入口处移动测点,G为固定测点。图1 福田站测点布置示意图

注:D为换乘通道处测点。图2 深圳北站测点布置示意图

1.3 热舒适调查方法

利用问卷调查的方法对枢纽内乘客热感觉、热舒适等情况进行调查。问卷内容分为3个部分:

1) 乘客基本信息,包括参与测试乘客的性别、年龄、健康状况及乘客的衣着情况。

2) 热感觉、热舒适等主观评价内容,调查问卷设计情况如表3所示。

表3 调查问卷主观评价设计

3) 其余客观信息,包括参与测试乘客目前所在位置及当前时间等。

问卷调查日期与实测日期相同,二者同时进行,在填写问卷的同时,测试人员记录下该位置处的空气温度、相对湿度、风速、CO2浓度等参数。

问卷调查采用在站内随机位置发放纸质问卷的方式进行,问卷发放时间为08:00—20:00。

冬季在福田站及深圳北站共回收582份问卷,其中男女数量(比例)为男315份(54%)、女267份(46%)。夏季在福田站及深圳北站共回收508份问卷,其中男女数量(比例)为男283份(56%)、女225份(44%)。冬夏季参与问卷调查的乘客中男女比例均接近1∶1。考虑乘坐地铁上班通勤的青年人较多,被调查人员中年龄为30岁以下的占比61%,年龄为30～40岁的占比27%,年龄大于40岁的占比12%。

2 环境实测分析

2.1 热湿环境

福田站及深圳北站地下交通枢纽内热湿环境参数的实测统计结果如图3所示。

图3 福田站与深圳北站的温、湿度及风速实测统计结果

对于空气温度,两枢纽夏季在空调系统的作用下空气温度波动范围较小,且明显小于冬季。冬季虽然为全新风模式运行,但由于内部热负荷等因素,实际上枢纽内温度可以有较大提升,福田站及深圳北站站厅平均空气温度较室外平均空气温度分别提高了5.5 ℃和2.1 ℃。两枢纽内各功能区温度变化范围最大的均为站台,因为站台空气温度受人流量影响较大,故其随着高峰期变化幅度较大。福田站冬季空气温度由室外到出入口再到站台逐渐上升;夏季空气温度由室外到站台逐渐降低,且出入口空气温度均与站厅温度接近,与室外空气温度相差较大。可以看出,冬季枢纽内的人员和设备等的热负荷及夏季枢纽内空调系统制冷对枢纽内空气温度影响较大,出入口的冷风渗透对枢纽内空气温度的影响较小。深圳北站空气温度变化规律与福田站类似,但换乘通道在冬季通风情况不佳,导致其空气温度高于其他功能区。根据夏季空调设计参数可知,夏季福田站及深圳北站两枢纽空气温度均满足设计参数。依据GB 50157—2013《地铁设计规范》“地下车站公共区冬季室内空气计算温度应低于当地地层的自然温度,但最低温度不宜低于12 ℃”“当车站采用空调系统时,站厅中公共区的空气计算温度应低于空调室外空气计算干球温度2～3 ℃,且不应超过30 ℃;站台中公共区的空气计算温度应低于站厅的空气计算温度1～2 ℃”[7],可知冬夏两季福田站及深圳北站两枢纽空气温度均符合规范要求。深圳北站冬季空气温度高于福田站,原因是深圳北站室外空气温度高于福田站,由此可知在空调系统全新风模式运行下,枢纽内空气温度一定程度上受枢纽外空气温度的影响。

对于相对湿度,根据夏季空调设计参数可知,夏季福田站及深圳北站两枢纽相对湿度均一定程度上偏离设计参数。依据GB 50157—2013《地铁设计规范》[7],公共区及站厅相对湿度均应为40%～70%,两枢纽均存在部分功能区不满足规范要求,其中福田站枢纽冬季相对湿度较低,深圳北站夏季站台及换乘通道相对湿度较高。通过对比冬季及夏季两枢纽内各功能区相对湿度变化规律可以发现,枢纽内的相对湿度受室外相对湿度影响较大,所以两枢纽内相对湿度与枢纽外相对湿度较接近,枢纽内各功能区相对湿度相差较小。站台客流密度大,导致单位面积湿负荷较大,从而平均相对湿度略大,同时站台人员密度在高峰期与非高峰期存在较大起伏,因此站台相对湿度变化范围较大。

对于风速,依据GB 50157—2013《地铁设计规范》[7],站厅和站台的瞬时风速不宜大于5 m/s,两枢纽风速均符合规范要求。福田站出入口与外界直接相连,其风速受室外风速影响较大,风速变化范围也较大。由于站台存在屏蔽门,两枢纽内除出入口外各功能区域平均风速主要受空调系统及人流影响,差异较小。

2.2 空气质量

福田站及深圳北站地下交通枢纽内空气质量参数的实测统计结果如图4所示。

图4 福田站及深圳北站CO2、颗粒物浓度实测统计结果

由测试结果可知:福田站出入口与室外相连通,平均风速最大,此处通风良好,CO2、PM2.5、PM10的平均浓度均为各功能区最低;深圳北站换乘通道通风换气情况不佳,导致其颗粒物浓度较高且变化幅度更大;同时,两枢纽站台在CO2浓度较低的情况下颗粒物浓度均较高,可能是由于列车运行的活塞风等将颗粒物扩散到站台上[8]。GB 50157—2013《地铁设计规范》[7]中规定“地下车站公共区内的二氧化碳(CO2)日平均浓度应小于1.5‰”,即小于2 946 mg/m3,测试结果显示,冬夏两季福田站及深圳北站CO2浓度均未超过规范限值。

2.3 光环境

福田站及深圳北站地下交通枢纽内照度的实测统计结果如图5所示。

图5 福田站及深圳北站照度实测统计结果

对于光环境,依据GB 50033—2013《建筑采光设计标准》[9]及GB 50034—2013《建筑照明设计标准》[10],对于人工照明的交通建筑候车空间,室内光环境照度标准值为200 lx以上,对于自然采光的交通建筑候车空间,室内平均自然光照度为300 lx以上。福田站站台为人工照明,站厅及出入口为自然采光与人工照明相结合;深圳北站站厅及站台均为自然采光与人工照明相结合,换乘通道为人工照明。测试结果显示,冬季福田站站厅的平均照度为240 lx,不满足自然采光的照度要求;深圳北站站厅的平均照度为120 lx,不满足人工照明及自然采光的照度要求。其余情况两枢纽站厅及站台照度均高于标准值。冬季深圳北站站台平均照度是福田站站台平均照度的3倍,夏季深圳北站站台平均照度是福田站站台平均照度的2倍。但在照度均匀性方面,福田站站厅平均照度与站台平均照度接近,深圳北站站台平均照度是站厅平均照度的3～5倍,深圳北站部分站台受到天然直射光的影响,光线强烈,另一部分站台则仅依靠人工照明,照度分布不均匀,容易产生眩光问题。而福田站枢纽内除出入口直接与室外连通照度较大外,站厅与站台照度分布较均匀,这是由于福田站在站厅的采光玻璃上增贴了反光膜,避免了阳光的直射,营造了较好的室内光环境。

2.4 声环境

福田站及深圳北站地下交通枢纽内噪声的实测统计结果如图6所示。

图6 福田站及深圳北站噪声实测统计结果

2.5 热感觉及热舒适主观问卷分析

根据人数百分比对不同季节枢纽内乘客热感觉投票(TSV)进行统计分析,结果见图7a。可以看出,夏季绝大多数乘客认为枢纽内为中性及偏热,冬季枢纽内乘客则兼具偏热与偏冷,可能是冬季乘客服装热阻较大,且已经适应了室外的较低温度,对枢纽内的心理期望温度较低[12],从而导致部分乘客认为枢纽内偏热。

图7 热感觉及热舒适投票百分比

冬夏两季枢纽内乘客的热舒适投票(TCV)情况如图7b所示。可以看出,冬季乘客热舒适满意率约为73%,夏季约为80%,夏季乘客热舒适满意率较冬季有较大提升。一方面因为夏季枢纽内外温差较大,从枢纽外进入到枢纽内的过程中,环境温度的降低给乘客带来较强的冷感觉,从而使乘客热舒适需求得到满足;另一方面多数乘客对夏热冬暖地区夏季的炎热已有一定的热适应性,因此即使枢纽内空气温度略高于设计值,仍可使乘客感到舒适。

3 地下交通枢纽内部环境综合评价

3.1 综合评价依据

本研究采用城市地下空间环境质量综合评价方法对地下交通枢纽内部环境进行综合评价[13],此评价方法将地下空间环境分为热湿环境、空气质量、光环境和声环境4个评价部分,先根据实测参数对各部分进行单项评价,再根据地下空间人员及本领域专家对4个部分指标权重的意见,将单项评价结果依据权重计算得到地下空间环境综合评价结果。指标权重、综合评价得分与等级对照情况如表4所示。

表4 指标权重、综合评价得分与等级对照

3.2 综合评价结果及分析

依据上述方法分别对福田站及深圳北站地下交通枢纽内部环境进行综合评价,综合评价结果如表5、6所示。

表5 冬季综合评价

表6 夏季综合评价

对于热湿环境,夏季热湿环境评分与冬季相差较大。根据文献[13]的算法,结合数据进行分析,可能是由于深圳市夏季阳光较冬季更强烈,而地下交通枢纽从自然采光的需求出发,将阳光透过天窗照入建筑内部,使得夏季枢纽内的太阳辐射强于冬季,进而夏季的建筑内平均辐射温度值较高,热湿环境客观评分较低。对于空调系统,可以从出入口到站台逐步降低温度,营造从站外到站内空气温度逐渐降低的温度梯度环境,通过较小的制冷量来提升进站过程中的热舒适情况,达到节能的目的。

空气质量方面,总体上夏季空气质量评分高于冬季。这是由于深圳冬季室外颗粒物浓度远高于夏季,导致冬季两枢纽内颗粒物浓度高于夏季。

对比冬夏两季福田站及深圳北站光环境与声环境评分可以发现,光环境与声环境受季节及空调运行模式等的影响较小。光环境方面,由于天窗和人工照明设置不够合理等原因,白天照度的空间差异较大且存在眩光问题,同时深圳北站在夜晚由于采光天窗下缺少人工照明,导致其照度较低(仅有50 lx左右),两枢纽的光环境均不理想。建议通过在采光天窗上增设遮阳装置,在正午等光线强烈的时刻进行适当遮挡,避免产生眩光问题,同时通过在采光天窗下增设人工照明装置,在阳光不足的时刻及夜晚进行辅助人工照明等措施对光环境进行优化改造。声环境主要受枢纽内广播等设备运行、枢纽内人员、列车进出站等因素影响,同样也受枢纽内建筑材料及枢纽内建筑结构等的影响[14],对比福田站及深圳北站可以发现,两枢纽在枢纽内广播设备、客流量及列车进出站频率等方面均接近,但由于深圳北站部分站台存在较高的上方空间,可能会加强噪声的混响,导致其平均噪声较大。深圳北站可以通过在壁面添加消声材料等措施对声环境进行优化。

4 结论

本研究对夏热冬暖地区的2个地下大型交通枢纽开展了室内环境质量与乘客热环境满意率的实测调研,得到的主要结论如下:

1) 福田站及深圳北站冬夏两季乘客热舒适满意率为70%～80%。综合环境评价得分,福田站稍优于深圳北站,主要原因在于福田站在声环境及光环境营造方面优于深圳北站,但总体上两站等级均达到B级,处于较好的水平。说明夏热冬暖地区地下交通枢纽内各功能区的暖通空调系统在总体上是合理的,实际效果也显示能满足设计及相关规范要求,营造了较好的室内环境。

2) 通过测试发现,福田站及深圳北站枢纽内仍存在一定的环境营造问题,部分功能区有单项参数不满足规范要求。如冬季福田站枢纽内相对湿度较低,夏季深圳北站站台及换乘通道相对湿度较高;冬季福田站站厅与深圳北站站厅的平均照度较低;深圳北站枢纽内照度分布不均匀,有可能产生眩光问题,可以进一步对枢纽内光环境进行优化和改造。

3) 可以通过营造夏季从站外到站内空气温度逐渐降低的温度梯度环境、增设遮阳装置、合理组织人工照明和自然采光、在壁面增设消声材料等措施对枢纽内的物理环境进行优化,切实提高夏热冬暖地区地下交通枢纽内部综合环境水平。

综合分析可得,夏热冬暖地区地下交通枢纽内部综合环境较好;冬季空调采用全新风模式运行仍可营造乘客满意率较高的站内环境;在引入自然采光的同时要注意自然采光的调节和与人工照明之间的配合,避免产生眩光问题。需要指出的是,文献[13]所提供的城市地下空间环境质量综合评价方法来源于在北京地下交通枢纽进行的观测和问卷调查,其情况可能与深圳有所区别,从而造成综合评价结果与实际乘客的热舒适投票情况有一定差距,对这方面的深入分析和讨论有待今后进行。