地铁车站公共区冬季温度设计标准探讨

1、标准规范 地铁车站公共区 冬季温度设计标准探讨 清华大学 江 泳 朱颖心摘要 地铁车站冬季环境控制标准是实现舒适 、 安全与节能必须考虑的问题 。 以我国不同 地区的 4个典型城市为例 , 考虑地铁环境的特殊性及各地的气候状况 , 探讨了各地地铁车站公 共区冬季温度设计标准的确定方法 , 给出了建议的设计值 。关键词 地铁 空调 热舒适 冬季 热损失率Design temperature of underground stations in winter B y Jiang Y ong and Zhu Y in gxinAbs t r act T he des i g n t emper a

2、t ur e s houl d be t r ea t ed as an i mpor t ant i s s ue i n t her mal c omf or t, sa f et y and e ner gy ef f i c i enc y. B as ed on t he appl i c at i on anal y s i s t o t he t yp i c al c l i ma t es i n di f f er ent ar eas i n Chi na, di s c us se s t he met hod f or det er mi ni ng t he de

3、 si gn t emper at ur e of unde r gr ound s t at i ons i n wi nt e r and gi ve s p r opos ed va l ue s f or f our t y pi c al c i t i es as exampl e s.Keywor ds under g r ound r a i l way , ai r c ondi t i oni ng, t he r m a l c omf or t , wi nt e r , he at de f i c i t r at eTsinghua University, Chi

4、na! 我国越来越多的城市正在或者准备兴建地铁。作为 全 年运行的公 共交通工具 , 地铁 车站和 列车需 要在全 年范 围 内保持合理的热环境。目前对地铁热环境的研究大多集 中 在夏季 , 对于冬季的关注不多。在地下铁道设计规 范 1中 , 车站和隧道的夏季温度有明确的规定。冬季则规定了地 铁 地面厅的室内计算温度为 12 , 车站各类办公及设备用房 计算温度 1218 (泵房、 厕所为 5 。但对于与乘客关 系最为密切 的地下站厅、 站台 和列车 车厢的 冬季温 度却 没 有具体规定。这对保证乘 客在冬季 的热 舒适 性 , 实 现地 铁 环控系统的全年优化运行控制是不利的。1 地铁冬季热

5、环境的特点冬季室外气温低 , 冷空气经由车站出入口 进入车站 , 可 能使车站温度过低 , 导致使乘客不舒适的冷感 觉。但是 , 由 于地铁正常运行时的发热量很大 , 如果通风量 不够 , 即使 在 冬季 , 也可能出现温度过高 的现象。根 据北京 地铁 1985-1986年 实测数据 2, 在当 时客 流 及车 流条 件下 , 有 一定 的 机械 通 风 量 , 车 站 全 年 最 低 温 度 已 达 15 以 上。 使 用 ST ESS 软件 3模拟计算也表 明 , 在远期设 计客流 及车流 量 下 , 如果没有足够的机械通风量 , 北京地铁远期冬季温度 将 在 来 说 , 其感觉将是热而

6、不是冷。地处华北的北京尚 且如此 , 华 中的南京、 上海和华南的广州等城市 , 其地铁的冬季温度 显 然将会更高。因此 , 对于我国多数城市来说 , 地铁冬季过 热 的可能性也是不可忽视的。地铁冬季温度不仅应当规定 最 低温度 , 而且应该规定最高温度。我国的地域辽阔 , 跨越多 种气 候类型。 冬季的 气温 差 异很大。如哈尔滨和广州的最冷月平均气温相差达 33 。 巨大的 气候差异使得不 同地区 的人们在 冬季 的衣着 习惯、 生活方式有很大不同。由于乘客进入地铁前后的着装情 况 不可能 有大的变化 , 因 此乘客 在室外 的着装 状况将 影响 到 对地铁热环境的要求。显然 , 为了适应

7、乘客的要 求 , 对于 不 同气候条件的地区 , 其地铁系统应当采用 不同的温度标准。 如果都 采用相同的设计 温度标 准 , 将 导致乘 客的不 舒适 和 环控系统能耗的无谓增加。#20# 暖通空调 HV&AC 2002年第 32卷第 4期! 江泳 , 男 , 1973年 6月生 , 工学硕士 , 助理工程师 100084北京清华大学建筑学院建筑技术科学系 mail:jiangyong99mails. tsinghua. edu. cn :24本文将主要利用 H DR (heat deficit r ate 指标 , 以 4个城 市为代表 , 探讨我国各城市地铁冬季

8、设计温度 的取值。 2 HDR 介绍热损失率 H DR 4是美国运 输部提 出的 一个针 对寒 冷 环境的热感觉指标。综合考虑了温度、 湿度、 辐射、 风速、 人 体新陈代谢率、 衣着等影响人体热舒适的因素 。 H DR 的 单 位是 W/m 2, 其中 m 2是人体皮肤面积单位。人的平均皮肤温度是随 着外界 环境 的变 化而变 化的 , 感觉基本舒适的平均皮 肤温度 范围约 为 30. 635 。 在 冷环境下 , 人体的体温调节中枢首先会使皮肤 血管收缩 , 皮 肤温度降低 , 从而减 少散热量 。当平均 皮肤 温度下 降到 舒 适下限 30. 6 时 , 如果 散热量 仍然大 于发热 量

9、 , 体 温进 一 步下降 , 人体 出 现热 债。 H D R 值即 表示 人 体在 较冷 环 境 下 , 平均皮肤温度为舒适皮肤温度下限时的净 热损失速率 , 即负的 人体 蓄热 率。 H DR 对时 间的 积分 即热 债。 H D R 0是不出现热债的必要条 件。由于人 体具 有一 定的蓄 热量 , 当人体的热债达到 约 100kJ/m 2时 , 才 会感 到冷 不适。 相 反 , 当人体蓄热量达到 100kJ/m 2时 , 将感到热不适。 2. 1 H DR 的定义式如下 :H D R =D=-M -6. 42(t -30. 6 +RI a cw a+28. 39(1式中 D 为 热债

10、 (heat deficit , J/m 2, 其中 m 2是 人体 皮 肤面积单位 ; H 为暴露时间 , s; M 为 新陈代谢率 , W/m 2, 其中 m 2是人体皮 肤面 积 单位 ; t 为干 球 温度 , ; I cw 为服 装 热 阻 , clo; I a 为服 装外空气 边界层 热阻 , clo; R 为平 均辐射 得 热 , W/m 2, 其中 m 2是人体 皮肤面积单位。2. 2 新陈代谢率 M 的取值根据文献 5, 6, 我国成年人几种活动强度下的新陈 代 谢率 (全热 如表 1所示。表 1 我 国成年人新陈代谢率W/m 2基础代谢静坐 写字办公站立 行 走 3km/h

11、 4. 8km/h 6. 5km/h 42. 458. 169. 798. 9116. 1151. 3220. 6乘客在室 外活动量按 以 4. 8km/h 速 率行走考虑。 在 站台的活动 量为站立并 不时走动 , 新 陈代谢 率与行 走速 率 3km/h 时相同。2. 3 空气边界层热阻 I a 的计算根据文献 5, 考虑到低温时的辐射和对流修正I a =10. 61T 298+1. 9298T (2式中 I a 为服装外边界 层热阻 , clo; v 为相 对风 速 , m/s; T为空气温度 , K 。3 HDR 的计算结果3. 1 乘客衣着量乘客通常是从室外直接 进入地 铁车 站的

12、, 可以 认为 乘 客进站前后衣着情况不变。乘客的室外衣着量主要是由 室 , 乘客 着量能够满足基本的热舒适性要求 , 即乘客在室外 的 H D R =0。室外相对风速由自然风及行走速度引起 , 由于各地冬 季 平均自然风速均明显大于行走速度 , 且乘 客行走方向各异 , 因此采用平均自然风速作为室外相对风速。忽略辐射的 影 响 , 则根据式 (1 可以计算出乘客衣着量 , 如表 2。表 2 各城市冬季乘客衣着量城 市 室外温度 / 风速 /m /s I a /clo新陈代谢率 M /W/m 2室外 HDR /W /m 2服装热阻 (室外 I cw /clo 服装热阻 (站内 I cw /cl

13、o 哈尔滨 -203. 80. 21151.32 02. 432. 55北 京 -52. 80. 25151.32 01. 611. 73南 京 22. 60. 26151.32 01. 231. 35广 州132. 40. 28151.320. 640. 76在表 2中 , I cw 是乘 客 当时 活动 情 况下 的 实 际服 装 热 阻。由于人在活动时会引起服装的鼓风效应以及汗湿等 因 素的影 响 , 因此穿着的 服装的 实际热 阻与服 装的原 始热 阻 有较大的区别。即使衣着 情况不 变 , 乘 客活 动状况 的变 化 也会导致服装热阻的变化。由于乘客在站内的活动量小 于 站外 , 因

14、此站内的服 装热阻 要大于 站外。不 同活动 量下 的 服装热阻可按式 (3 估算 7:I cw2=I cw1+0. 246(v 1-v 2(3式中 v 1, v 2分别为两种活动量下的等 效行走速度 , m/s 。由表 2可以看出 , 由于室外气温的巨大差异 , 南北方 冬 季室外衣着量的差异是很大的。哈尔滨的服装热阻远大 于 广州。广州冬季的外温在 10 以上 , 衣着大致相当于西服 套装加毛衣绒裤 , 而 冬季 哈尔 滨的 室外 温度 低 至 -20 , 这种环 境下在户外需要 穿着多 层厚毛衣 , 外 套棉大 衣或 羽 绒服 , 还要加上帽子围巾等等 , 远比广州厚重得多。 3. 2

15、地铁工作人员衣着量地铁内工作人员长时间 在地 铁内停 留 , 为了方 便正 常 工作 , 着装量不能太 厚重。工作 人员最 大冬 季着装 量估 算 如表 3。着装原始热阻约为 2. 39clo, 考虑工 作人员活动 强 度与乘 客在车站内的活 动强度 相近 , 则实际 服装热 阻约 为 1. 22clo 。此衣着量接近南京的乘客 衣着量 , 但明显小于 北 京和哈尔滨的乘客衣着量。因此 , 在华南的城市 , 地铁工 作 人员的着装量可以和乘客相同 , 但在华中 、 华北及更冷的 地 方 , 工作人员的正常工作着装比乘客的着 装要少。表 3 工 作人员最大衣着量 (服装热阻 clo长内衣 衬衫

16、毛衣 背心 厚茄克 内裤 绒裤 外裤厚袜 厚鞋合计 0. 20. 340. 360. 170. 480. 150. 30. 280. 050. 062. 393. 3 温度范围乘客是地铁的服务对象 , 地 铁车站 环境 必须以 满足 乘 客要求为主。由于地铁车 站是公 共场所 , 乘 客在车 站内 只 是短期逗留 , 没有必要提供非常舒适的环境。因 此 , 对乘 客 来说 , 车站温度满足以下要求即可。温度下限 :乘客在地铁内时 , 对热环境的最低要求是 不 再继续散失热量 , 即以乘客在室外的衣着 量情况 , 进入地 铁 后满足条件 H DR =0。:D R -56W /m 2。 #21#

17、暖通空调 HV&AC 2002年第 32卷第 4期 标准规范觉时的人体蓄热约为 100kJ/m 2。 此时一个 热债 为 0的 乘 客可以在站内 停留约 30min, 身体 的蓄热量 才会使他感 觉 热不适。对于多数乘客来 说 , 30min 已经足 够完成 地铁 旅 行了。在确定车站冬季温度的 时候 , 还必 须同 时考虑 到车 站 工作人员的需求。由于工 作人员长 期在 车站 环境中 工作 , 可以较灵活地 调整 服装 热阻 以适 应 车站 环 境。但如 前 所 述 , 工作人员的服装热阻是有上限的 , 因此车站温度的下 限 必须满足工作人员的需求。表 4为 按此标准计算的结果。括号中的数

18、据为按照 工 作人员衣着量考虑的值。由于必须同时满足乘客和工作 人 员的热舒适要求 , 因此除广州外 , 各城市地铁冬季温度范 围 应取两个温度范围的交集 , 哈尔滨为 9. 616. 4 , 北京 为 9. 620. 5 , 南京为 9. 622. 3 。表 4 温度范围计算值城 市 I cw/c l o风速/m/sI a/cl o新陈代谢率M /W/m 2温度下限/温度上限 /哈尔滨 2. 55(1. 22 1. 80. 30116-8. 4(9. 6 16. 4(23 北 京 1. 73(1. 22 1. 80. 311162. 8(9. 6 20. 5(23 南 京 1. 35(1.

19、22 1. 80. 321167. 8(9. 6 22. 3(23 广 州 0. 761. 80. 3211615. 825. 24 讨论4. 1 上面的计算从人 体总热 平衡角 度给出 了一个 温度 范 围。但是 , 人体即使在总体热平衡的情况下 , 裸露部位和 保 温薄弱部位如手、 脚、 脸、 耳廓等 仍然可 能由 于环境 温度 过 低而引起不适 , 甚至影响正常活动和工作的能 力。文 献 8指出 , 脸面部等人体裸 露部位 的皮肤 温度出 现显著 下降 的 环境气温 界 限 为 10 。国 家 低 温作 业 分 级 标 准 (G B/T 1444-93 规定环境温 度 5 以 下即属于

20、低温 作业。因 此 站内温度不宜过 低 , 笔 者认为最 低应在 10 左右 , 这对 于 保证站内工 作人员的健 康和正常 工作 , 以及 乘客的 正常 活 动是必要的。表 5 地铁车站设计温度城 市温度下限/温度上限/中值温度 / 哈尔滨 10. 016. 413. 2北 京 10. 020. 515. 2南 京 10. 022. 316. 2广 州 15. 825. 220. 54. 2 乘客衣着量受多种因素影响 , 很难准确计算。上面 计 算中认为乘 客的着装量 在车站内 外均相 同 , 然而乘 客是 有 可能主动调整自己的实 际衣着 量的。一 般来 说 , 在 地铁 这 类公共场所

21、, 乘客将基本维持室外的衣着量 , 但是通过解 开 衣襟、 松开钮扣等简单方法 , 人们仍然可以在一定范围内 减 小服装热阻。当然在高峰 期拥挤时 , 又 可能 由于互 相挤 靠 增加附加热阻 , 抵消这 部分 减少量。 另外 , 在北 方冬 季 , 由 于生活习惯上的原因 , 人们在 室外 的衣着 量往 往偏少。 太 阳辐射也对 人在室外的 衣着有一 定影响 , 导 致实际 室外 衣 着量偏少 , 而在上述室 外衣着 量计算 中并没 有考虑 太阳 辐 射的作用。综合考虑 , 北 方冬季 站内温 度在 计算的 温度 范 围内偏高取值较好。从节 能角度看 , 对 我国 大部地 区的 城 市 ,

22、由于地铁冬季仍有过热的危险 , 因此冬季设计温度高 一 些也是有利的。4. 3 上面的计算中室外温度采用的是最冷月平 均温度 , 但 人们的作息周期是按天计算的 , 而冬季的外温 变化很大 , 尤 , 使气 以上 因此乘 客的着装量是根 据当日 气象条件 决定 的 , 可 能每 天 都不同。以上给出的是按冬季通风计算温度计算的设计 标 准 , 地铁环控系统实际 运行时 的设定 温度应 根据当 日气 象 情况 , 按当日均温计算确定。5 结论我国各地冬季气候差异 很大 , 地铁 公共 区的冬 季设 计 温度应 与当地气候及气 象条件 相适应 , 不能 采用统 一的 标 准。寒冷地区地铁车站公共区温度在满足乘客热舒适要 求 的同时 , 也必须满足工作人员的基本热舒 适要求 , 并不应 低 于 10 。本文利用 H D R 指 标 , 对我国 不同 气候 区的 4个典 型 城市进 行计算分析 , 得 出其地 铁车站 公共区 冬季设 计温 度 范 围 如 表5。 如 果 对热舒适性 有较 高 要 求 ,可以以取 值范围的中 值温 度 为 中心 , 适当缩小温度范围。参考文献1 GB 50157-92 地下铁道设计规范2 清华大学热能系 , 北京地