同車不同溫空調(diào)設(shè)定模式下的地鐵列車車廂熱舒適性分析

陳 陽 徐 峻 臧建彬 王 濤 陳廣旭

(1.上海電力大學(xué)能源與機械工程學(xué)院，200090，上海；2.中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春;3.同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，200092，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生)

地鐵車廂熱環(huán)境的舒適性是乘客高度關(guān)注的一個方面。車廂內(nèi)溫度過高或過低，都會影響乘客乘坐體驗?，F(xiàn)實中個體乘客的體感也存在差異性，導(dǎo)致地鐵乘客投訴中央空調(diào)問題一直居高不下。為了進一步提高服務(wù)質(zhì)量，北京、西安及長沙等多地于2019年6月采取了同車不同溫的空調(diào)設(shè)定模式，在不同車廂設(shè)定不同溫度，使乘客可按需選擇車廂搭乘。

近年來，雖有眾多學(xué)者采用RWI(相對熱指標(biāo))、ADPI(空氣分布特性指標(biāo))、PMV(預(yù)測平均投票數(shù))等熱舒適性指標(biāo)來研究地鐵熱舒適性問題[1-2]，但其研究主要針對地鐵車站的站廳及站臺等，對列車內(nèi)熱環(huán)境的研究還較少。而針對列車內(nèi)熱環(huán)境舒適性的研究前提都是所有車廂均為同一溫度，未考慮同車不同溫的情況。本文通過PMV-PPD(預(yù)測平均投票數(shù)-預(yù)測不滿意百分比)熱舒適性指標(biāo)來分析不同代謝率的乘客在不同溫度下的最佳熱舒適環(huán)境，為提高乘客舒適性提供參考依據(jù)。

1 PMV-PPD指標(biāo)分析

Fanger教授于1967年發(fā)表了著名的熱舒適方程式[3]，于1970年對試驗得出的4種新陳代謝率情況下的熱感覺數(shù)據(jù)進行曲線擬合和分析，得到了至今被廣泛使用的熱舒適評價指標(biāo)——PMV[4]。PMV綜合了人體變量和環(huán)境變量6個影響人體熱舒適的因素，是迄今為止最全面的評價熱環(huán)境的指標(biāo)。PMV的值ypmv為：

(1)

式中：

M——乘客的新陳代謝率，W/m2；

W——人體所做外部機械功，W/m2；

pa——空氣中的水蒸氣分壓力，Pa；

ta——空氣溫度，℃；

fcl——著裝時人的體表面積與裸露時人的體表面積之比；

tcl——服裝表面溫度，℃；

tr——平均輻射溫度，℃；

hc——對流傳熱系數(shù)，W/(m2K)。

這就是包括人體、服裝、環(huán)境三者的6個熱舒適性的基本影響因素。其中M是人體的因素,Icl是服裝熱阻的因素，ta、pa、tr和hc是環(huán)境的因素。由于hc是風(fēng)速v的函數(shù)，所以也可以把PMV方程寫成：

ypmv=f1(M,Icl,ta,pa,tr,v)

(2)

ypmv由引進反映人體熱平衡偏離程度的人體熱負(fù)荷而得出。人體熱負(fù)荷正值越大，人就覺得越熱；負(fù)值越大，人就覺得越冷。PMV通過同一環(huán)境下大多數(shù)人的感受來評價熱環(huán)境的舒適程度，但是人的感受存在個體差異，因此PMV無法完全代表所有人的感覺。對此文獻[4]引入預(yù)測不滿意百分比PPD(其值記為yppd)來表示人群對環(huán)境不滿意的百分?jǐn)?shù)，并用概率分析方法，給出了ypmv與yppd之間的定量關(guān)系[4]：

(3)

ypmv與yppd之間的關(guān)系見圖1。當(dāng)ypmv=0時，yppd=5%。這說明即使熱環(huán)境已經(jīng)是最佳的狀態(tài)，仍然會有5%的人對熱環(huán)境感到不滿意。這主要是由于人的生理差異造成的。GB 18049推薦的舒適要求，預(yù)計90%的人出現(xiàn)可接受的熱感覺，即為舒適的熱環(huán)境。

圖1 ypmv與yppd的關(guān)系圖

2 M與ta關(guān)系

PMV反映了同一環(huán)境中大多數(shù)人的冷熱感覺，其理論基于人體熱負(fù)荷，適用于穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的熱舒適評價。文獻[5]首次將PMV作為控制目標(biāo)引入空調(diào)控制系統(tǒng)。后續(xù)學(xué)者也進行了大量的研究。文獻[6]首次將PMV控制引入列車，根據(jù)車廂內(nèi)外各因素實時計算PMV的值。國內(nèi)眾多學(xué)者也采用PMV來評價地鐵熱環(huán)境舒適性。

根據(jù)不同學(xué)者對地鐵列車的調(diào)研測試結(jié)果[7-9]以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10]，夏季列車內(nèi)環(huán)境相對濕度φ=60%，pa=1.8 kPa、v=0.2 m/s、Icl=0.078 m2K/W。將地鐵列車環(huán)境參數(shù)代入PMV方程中，得到列車內(nèi)PMV關(guān)于M和ta的關(guān)系式y(tǒng)pmv=f2(M,ta):

(4)

圖2及圖3為不同新陳代謝率乘客在不同溫度下的ypmv與yppd。

圖2 M、ta與ypmv關(guān)系圖

圖3 M、ta與yppd關(guān)系圖

ta=f3(M,ypmv)。假定此時列車內(nèi)為最舒適的熱環(huán)境，令ypmv=0，可得到ta與M的關(guān)系式ta=f4(M),即：

(5)

如圖4所示，列車內(nèi)M不同的乘客感到最舒適時所需的ta不同。乘客的M越高，其體感最舒適所需的ta越低。

圖4 M與ta的關(guān)系圖

3 M不同時乘客的最佳熱舒適性

人的新陳代謝率受種族、年齡、性別、身體成分、形體、營養(yǎng)狀態(tài)、疾病、內(nèi)分泌等因素影響。不同活動條件下的新陳代謝率已有權(quán)威的數(shù)據(jù)可供參考[11]。成年男子在不同活動強度下的M見表1。M因年齡及性別有所差異：隨著年齡的增長，M逐漸降低；此外，女性M也低于男性M[12]。受列車運行、人員擁擠及心理因素等影響，列車內(nèi)乘1客的M要高于建筑內(nèi)正常靜坐者的M[13]。

根據(jù)表1，對于列車內(nèi)成年男性等M較高的乘客，M=70.0 W/m2。由于婦女和老人的M較成年男子的M低20%左右，故取M=56.0 W/m2。通過PMV-PPD方程(式(3)—式(5))計算出不同乘客在ta不同時的yppd，如圖5所示。

表1 成年男子在不同活動強度下的M

由圖5可知，成年男性乘客在ta=23.2 ℃時yppd最低，婦女和老人在ta=24.6 ℃時yppd最低。

圖5 列車內(nèi)不同乘客在ta不同時的yppd

根據(jù)相關(guān)問卷調(diào)查結(jié)果，乘客中男性與女性的比例約為6∶4；按照年齡劃分，乘客中有10%左右的老人。所以，可能有20%～50%的乘客M較低。

假設(shè)列車內(nèi)M較高的乘客和M較低的乘客各占50%，則當(dāng)列車內(nèi)為同一溫度ta=25.0 ℃時，M較高乘客yppd=8.3%，M較低乘客yppd=5.1%，整車的yppd平均值為6.7%。

列車采用同車不同溫的空調(diào)設(shè)定模式后，M較高的乘客進入ta=23.2 ℃的強冷車廂，yppd=5.0%；M較低乘客進入ta=24.6 ℃的弱冷車廂，yppd=5.0%，整車的yppd平均值為5.0%。yppd明顯降低。

4 熱舒適性實例分析

某市地鐵列車采用了同車不同溫的空調(diào)設(shè)定模式，其強冷車廂和弱冷車廂的設(shè)置有3種方案。

方案一：地鐵列車設(shè)置前3節(jié)車廂為強冷車廂，后3節(jié)車廂為弱冷車廂?，F(xiàn)場測得強冷車廂內(nèi)ta=23.9 ℃，弱冷車廂內(nèi)ta=25.3 ℃。假設(shè)列車內(nèi)M較高的乘客和M較低的乘客各占50%。M較高的乘客進入強冷車廂，M較低的乘客進入弱冷車廂，計算可得強冷車廂內(nèi)yppd=5.7%，弱冷車廂內(nèi)yppd=6.9%，整車的yppd平均值為6.3%。

方案二：地鐵列車設(shè)置前3節(jié)車廂為弱冷車廂，后3節(jié)車廂為強冷車廂。現(xiàn)場測得強冷車廂內(nèi)ta=24.9 ℃，弱冷車廂內(nèi)ta=26.1 ℃。假設(shè)列車內(nèi)M較高乘客和M較低乘客各占50%，M較高的乘客進入強冷車廂，M較低的乘客進入弱冷車廂。計算可得，強冷車廂內(nèi)yppd=10.1%，弱冷車廂內(nèi)yppd=12.2%，整車的yppd平均值為11.2%。

方案三：地鐵列車設(shè)置第1節(jié)和第6節(jié)車廂為弱冷車廂，中間第2節(jié)至第5節(jié)車廂為強冷車廂?，F(xiàn)場測得強冷車廂內(nèi)ta=24.6 ℃，弱冷車廂內(nèi)ta=26.6 ℃。假設(shè)列車內(nèi)M較高的乘客占66%，M較低的乘客占34%。M較高的乘客進入強冷車廂，M較低的乘客進入弱冷車廂，根據(jù)PMV-PPD方程計算出強冷車廂內(nèi)yppd=8.3%，弱冷車廂內(nèi)yppd=18.2%，整車的yppd平均值為11.6%。

由整車的yppd平均值可以看出，方案一的整車yppd平均值最低，方案二其次，方案三的整車yppd平均值最高。這是由于列車在向前運行時，前端空氣會往后跑，冷空氣比熱空氣密度大，不容易向后跑。若前3節(jié)車廂弱冷，后3節(jié)車廂強冷，那么地鐵運行時熱空氣全往后竄，結(jié)果導(dǎo)致強冷車廂內(nèi)溫度升高，乘客舒適性降低，yppd增大。

5 結(jié)語

本文通過分析PMV-PPD熱舒適性指標(biāo)，得到最舒適熱環(huán)境下ta與M的關(guān)系式ta=f(M)，發(fā)現(xiàn)列車內(nèi)M不同的乘客達到最舒適狀態(tài)時所需的ta不同。乘客的M越高，達到最舒適狀態(tài)所需的ta越低。

列車采取同車不同溫的空調(diào)設(shè)定模式后，M較高的乘客進入強冷車廂，M較低的乘客進入弱冷車廂，相比于整列車設(shè)置同一溫度，乘客的yppd平均值降低。

在強冷車廂和弱冷車廂設(shè)置方案中，方案一的整車yppd平均值最低，方案三的整車yppd平均值最高。故方案一即列車前三節(jié)設(shè)置為強冷車廂，后三節(jié)設(shè)置為弱冷車廂時最優(yōu)。