東南大學能源與環境學院  劉文 梁彩華 凌善旭 黃婷婷

    【摘  要】常規地鐵通風空調系統一般采取全天恒定站內溫度控制，未能充分考慮人員活動特征及室外環境變化對過渡空間（地鐵站）內乘客熱舒適性的影響，導致站內舒適度不高，空調能耗增大。本文利用相對熱指標RWI(relative warmth index)研究了地鐵站內乘客乘車全程熱感覺變化規律，探索了站內不同溫濕度設定值下RWI極值的變化規律，并基于RWI變化特征提出了改善站內舒適度及降低空調系統能耗的改進措施。綜合考慮乘客活動規律及夏季室外環境變化，提出了地鐵站內溫濕度參數設定方法和動態調節策略。利用所提出的地鐵站內溫濕度設定優化方法，對上海、南京等地鐵站內實際運行進行評估，結果顯示當前地鐵站內RWI值普遍偏低，表明地鐵空調系統具有較大的通過優化站內溫濕度設定實現節能的空間。

    【關鍵詞】相對熱指標RWI，地鐵站，動態調節，舒適性，節能

Abstract: Conventional HVAC system of subway station is generally designed based on constant temperature control throughout a day. But this method is not suitable in terms of the characteristic of thermal comfort in transition areas since it fails to give full consideration to passenger activities and the changes of outdoor environment, resulting in thermal discomfort and high energy consumption. In this paper, the RWI (Relative Thermal Index) is employed to analyze the variation of the thermal sensation curves during passengers’ entire trip in the subway station. And the regularity of the extreme values variation of RWI under different station temperature and humidity is investigated and found. As a result, the measures for improving the thermal comfort in the subway station and reducing the energy consumption of the HVAC system are put forward based on the RWI variation characteristics. Taking into account the regularity of passenger activities and the changes of outdoor environment in summer, a method with temperature and humidity determination and a strategy of dynamic regulation are concluded. Applying the optimized method with temperature and humidity determination, current condition of the subway stations is assessed in Shanghai, Nanjing and so on. The results show that the RWI values of these subway stations are generally low, indicating that it is possible to reduce the energy consumption of the HVAC system with the optimized temperature and humidity determining method.
Keywords: RWI, subway stations, dynamic regulation, thermal comfort, energy saving

0 引言

    隨著我國城市規模不斷擴大，以地鐵為代表的城市軌道交通得到大力發展，但隨之而來是地鐵的運營能耗居高不下，而其中地鐵通風空調系統的能耗又占了較大的比例。?文獻[1-2]研究發現車站通風空調系統能耗已占車站總能耗的30%-40%以上。因此，在保證舒適的乘車環境下提高地鐵空調系統的節能水平成為重要的研究課題。地鐵空調系統的運行控制溫濕度是平衡地鐵空調系統能耗和地鐵站內熱舒適的紐帶，因此，研究地鐵站內溫濕度參數設定方法對地鐵空調系統節能和保證站內乘客熱舒適尤為重要。Abbaspour等人^[3]用相對熱指標RWI(relative warmth index)結合實測數據對德黑蘭地鐵熱濕環境進行了評價，認為其熱濕環境總體處于可接受的范圍內。Wang等人^[4]用RWI指標分析地鐵站內耦合氣流組織能提升熱舒適性，因此可通過提高空調送風溫度來實現節能。尹奎超等人^[5]用RWI指標在夏季典型日氣象條件下對天津地鐵站的空調運行溫度進行了探討，指出應根據夏季室外溫度變化來調整站內溫度設定值。朱培根等人^[6]用RWI指標結合實地測量、問卷調查的方式對南京某地鐵站進行了熱舒適性評價，并提出應根據室外氣象參數調節地鐵車站溫度。以上研究表明利用RWI指標進行地鐵站內舒適性評價和環境參數動態調節是可行的，但上述研究僅對夏季典型日氣象條件下地鐵站內溫度控制提供了參考方案，且未考慮室外相對濕度對站內溫濕度設定的影響和站內相對濕度對人體熱感覺的影響，而夏季室外氣象參數變化范圍大，針對不同的夏季室外氣象參數進行地鐵站內溫濕度參數動態調節是地鐵空調系統節能運行的基礎。

    為此，本文采用RWI指標對地鐵站內乘客乘車全程熱感覺變化曲線進行分析，探究在不同的溫濕度設定值時站內RWI極值的變化規律，在考慮乘客活動規律及夏季室外環境變化情況下，基于舒適性和節能需求，提出地鐵站內溫濕度參數設定方法和動態調節策略。最后分析上海、南京、無錫地鐵站內溫濕度設定參數，給出優化運行的建議。

1 地鐵站內人體舒適度評價方法

    相對熱指標RWI是美國運輸部為確定地鐵車站站臺、站廳和列車空調設計參數提出的考慮人體在過渡空間環境的熱舒適性指標。RWI綜合考慮了溫度，濕度，輻射，風速，人體新陳代謝，衣著等因素，可用于評價人體在過渡狀態的熱感覺，適應地鐵車站特點。

    1.1 相對熱指標RWI計算方法

    RWI為無量綱數，計算方法如下^[7] ：

   

    其中:  M———新陳代謝率，W/m²；

              τ———過渡過程中經歷的時間，s；

             ta———環境空氣的干球溫度，℃；

             Icw———服裝熱阻，clo；

             Ia———服裝外空氣邊界層熱阻，clo；

             R———單位皮膚面積的平均輻射得熱（室溫下的輻射壁面輻射除外），W/m²

    1.2 RWI與舒適性對應關系

    RWI值表示人的熱感覺情況，如果在兩種不同的環境條件和活動情況下，具有相同的RWI值，則表明人在這兩種情況下的熱感覺是近似的。表1-1給出了RWI值與ASHRAE熱感覺標度之間的對應關系。

    1.3 新陳代謝M及服裝熱阻Icw的確定

    注：表中服裝熱阻為輕薄夏裝的熱阻值（已考慮出汗的影響）

    人在不同活動強度下的新陳代謝率與相應的服裝熱阻如表1-2。當人從一種活動狀態過渡到另一種狀態時，要經過6分鐘的過程代謝率M才能最終達到最終活動狀態下的穩定代謝率^[8] 。在這個過渡過程中，代謝率與時間呈線性關系。同時，人的活動會導致出汗并濕潤服裝，同時人的活動會擾動周圍氣流，導致服裝熱阻有所改變。當人從一種活動狀態過渡到另一種狀態時，要經過6分鐘服裝熱阻Icw才能達到新的穩定值^[8] ，其間服裝熱阻與時間呈線性關系。

    因此有如下表達式：

    當τ<360s時

   

    當τ≥360s時

    I_cw(τ)=I_cw2,M(τ)=M₂

    1.4 空氣邊界層熱阻的確定

    考慮人體運動誘導產生相對風速的影響，服裝外空氣邊界層熱阻為^[8] ：

    Ia=0.3923V-0.4294

    其中：Ia：空氣邊界層熱阻，clo

    V：相對風速，m/s

2 地鐵站內溫濕度參數動態設定

    在確定了M, Icw ,Ia ,R等參數以后，只要設定地鐵站內各處的溫濕度參數，便可確定站內各處的RWI值，根據RWI值的變化規律，研究夏季地鐵站內舒適溫濕度參數的動態設定方法。

    2.1 乘車全程的RWI曲線

    夏季，乘客在室外以1.2m/s的速度行走，進入地鐵站。在入口通道步行1min后進入站廳，在站廳步行0.5min后到達售票處，停下購票，此時他的活動狀態變為站著偶爾走動。1.5min后購票結束，他繼續在站廳以1.2m/s的速度行走達0.5min達到站臺。達到站臺后其活動狀態又變為站著偶爾走動，候車5min。5min后上車，由于從乘客在車廂內時間通常大于6min，其活動狀態、服裝熱阻均會達到穩定狀態，車內需維持舒適的熱環境。他站著直到達到目的地，其新陳代謝率與站著整理資料相當。下車后以1.2m/s的速度走出車站，3min后離開車站。

    取如下參數分析乘客在地鐵站內RWI變化情況：

    室外：干球溫度33℃,相對濕度70%，風速1.5m/s，服裝熱阻0.35clo

    室內：

    出入口：干球溫度31℃,相對濕度65%

    站廳：干球溫度30℃,相對濕度60%

    站臺：干球溫度29℃,相對濕度60%

    列車內：干球溫度27℃,相對濕度60%

    站廳、站臺、列車內風速均為0.3m/s，列車內服裝熱阻0.4clo

    該乘客從進站到出站全過程的狀態如圖2-1。乘客在走入車站時，由于站內氣溫較站外低，RWI下降。停步購票候車時，RWI值立刻上升并出現全程RWI最大值出現。這是由于活動強度剛剛改變，新陳代謝率仍然保持在較高的水平，而活動的停止導致相對風速降低，空氣邊界層的熱阻增加造成的。隨后RWI值隨新陳代謝率的逐漸下降而下降，直到乘客登車。在列車上，乘客的RWI值一直保持在舒適水平。到達目的地后，乘客下車進入車站，RWI值又開始上升，直到走出車站，RWI值進一步上升，逐漸回復到乘客進站前的水平。

    由全程RWI曲線可知，當乘客以較高速度走進站廳后停步購票時，RWI值是全程最高的，而其后RWI值逐漸下降，限定該點的RWI值，即限定了乘客在站內的最不舒適程度。因此，可以在站廳購票處附近安裝風口，適當加大此處氣流速度，降低站內乘客的最不舒適度，在此基礎上可進一步提高站內溫濕度設定值，降低空調能耗。

    研究表明^[10] ：當人從中性環境剛進入較熱環境時，其熱感覺有所滯后，即并非立刻覺得很熱；而從較熱環境進入中性環境時，會有一個“過感覺”，即感覺到涼。由于RWI指標本身并未考慮人體在過渡區間受到變化溫度刺激時出現的熱感覺“滯后”和“超前”的現象，而僅考慮了過渡狀態的熱平衡。所以在進行地鐵站內的環境參數控制時，RWI可以取較大的值，而不需要將站內RWI值直接設定為表1-1中熱感覺對應為中性或稍涼時的RWI值，因為只要保證站臺RWI<站廳RWI<站外RWI，乘客在進站過程中就能逐漸感覺到涼快。夏季，由于室外氣溫高，輻射強，乘客穿著最少衣物(0.35clo)，在室外仍感覺炎熱，RWI值很大甚至可能超過0.5，此時設定乘客在站內的峰值RWI≤站外RWI，就可以保證乘客在車站內比車站外舒適。由于熱舒適忍受極限環境的RWI值約為0.5[8]，因此設定站內極限值：站內峰值RWI≤0.5。

    2.2 RWI隨溫濕度設定值的變化規律

    從圖2-1可以看出，在剛到達售票處時人感覺最熱，在剛從列車出來到達站臺時人感覺最冷，因此，只需要關注這兩點的RWI值，通過限定這兩點處RWI值的大小來滿足整個車站內的人體熱舒適度。在其他條件不發生改變時，地鐵站內設定的溫度、濕度值越高，越有利于節能。因此，可通過改變地鐵內溫濕度的設定值來改變RWI值，在滿足人體熱舒適的范圍內尋找最有利于節能的地鐵站內溫濕度參數設定值。

    改變地鐵站內設定的溫濕度，分析地鐵站內RWI最大值和最小值的變化規律，考察人體熱舒適度的變化情況。取站廳站臺的溫差為1℃，設定如下幾組參數：站廳30℃，站臺29℃時，相對濕度為45%-65%；站廳29℃，站臺28℃時，相對濕度為45%-70%；站廳28℃，站臺27℃時，相對濕度為45%-70%；站廳27℃，站臺26℃時，相對濕度為45%-70%。其中相對濕度以5%為單位變化。根據地鐵站內RWI的最大值和最小值作出圖2-2和圖2-3。圖2-2中的四條折線表示不同溫濕度下地鐵內RWI的最小值，地點位于站臺；圖2-3中的四條折線表示不同溫濕度下地鐵內RWI的最大值，地點位于站廳。

    由圖2-2可知在本文選取的溫濕度范圍內，地鐵站內人體感覺最冷處RWI值均在0-0.1之間，滿足人體舒適性要求。由于地鐵內部發熱量很大，地鐵車站一般為全年冷負荷，空調系統的主要任務是消除余熱，因此應著重考慮站內人體感覺最熱處RWI值的控制。

    由圖2-3可知：

    （1）當溫度越低時，RWI曲線隨著相對濕度的變化越平緩，即當地鐵站內溫度設定較低時，相對濕度的變化對人體熱舒適度的影響很小，因此，當地鐵站內溫度設定較低時，可選擇較大的相對濕度，有利于節能；

    （2）對于同一設定溫度，RWI曲線隨著相對濕度的增加其上升速度先慢后快，即在相對濕度較低時，相對濕度的變化對人體熱舒適度的影響很小，這說明通過適當調高站內相對濕度的設定值來實現節能運行是可行的；

    （3）圖中每個點的上邊點RWI值總是大于其右邊點的RWI值，即溫度變化1℃對人體舒適度的影響大于相對濕度變化5%對人體舒適度的影響，這說明當室外溫濕度條件改變時，調整站內溫度可實現人體舒適度的粗調節，而調整站內相對濕度可實現人體舒適度的微調節。因此，站內相對濕度不宜設置太低，可以通過適當提高相對濕度來減小站內濕負荷，降低空調能耗。

    2.3 夏季溫濕度參數的動態設定

    地鐵車站一般為全年冷負荷，環控系統的主要任務是消除余熱，若僅考慮經濟性，站內設定溫濕度越高越節能，但在夏季，過高的站內溫濕度無法滿足乘客的舒適性需求。因此，確定站內空調參數的主要任務是根據舒適性需求確定站內溫濕度上限。

    當室外環境溫濕度變化，即室外RWI值變化時，地鐵站內RWI上限值隨之變化，因此站內溫濕度參數設定范圍也會隨之變化，所以對于每個給定的室外環境溫濕度參數值，都會有一個新的站內舒適性溫濕度區域。在每一個舒適性區域里，取接近于其上邊界的室內溫濕度設定值即較高的溫度、相對濕度值時，更有利于地鐵空調系統的節能。綜合考慮舒適性和節能要求，得到圖2-4~圖2-7。圖2-4~圖2-7為室外溫度在28℃-38℃、相對濕度在35%-95%范圍內變化，站廳溫度在25-30℃、相對濕度在45-70%范圍內變化時，室外RWI值和站內RWI最大值的變化曲線圖，可用于查詢不同室外溫濕度條件下地鐵站廳的溫濕度參數設定值。對于地鐵站臺，其溫度均設置為比站廳低1℃，相對濕度和站廳相同。   

    由于人體熱舒適忍受極限的RWI值約為0.5[8]，因此設定站內峰值RWI≤0.5。同時設定乘客在站內的峰值RWI≤站外RWI，就可以保證乘客在車站內比車站外舒適。

    當室外RWI＜0.5時，站內RWI最大值應以室外RWI值為上限，如圖2-4~圖2-7中的水平虛線，此時應選取虛線以下并靠近虛線的站廳溫濕度設定點。當室外溫濕度較高導致室外RWI≥0.5時，站內RWI最大值應以RWI=0.5為上限，如圖2-5~圖2-7中水平實線，此時應選取實線以下并靠近實線的站廳溫濕度設定點。

    結合2.2節中的結論可知，當水平線下有多個站廳溫濕度設定點滿足要求即熱感覺相差不大時，應選取溫度或相對濕度較大的點作為站廳溫濕度設定值，在保證站內舒適性的前提下最大限度保證地鐵空調系統的節能運行。若圖中站廳溫濕度設定點在室外溫濕度對應的水平虛線上方，但相距很近時，由于熱感覺相差很小，且圖中各點表示站內最熱處的RWI值，僅為瞬時狀態，因此也可以作為站廳溫濕度參數的設定值。

    圖2-4~圖2-7的室外溫濕度范圍涵蓋了夏季大部分時間所處的環境溫濕度條件，可根據室外溫濕度參數的變化來實時調整地鐵站內的溫濕度設定參數，保證地鐵站內乘客的舒適性和地鐵空調系統的節能運行，對夏季地鐵站內溫濕度參數的設定具有指導意義。

3 地鐵站內溫濕度動態調節策略

    由上述分析可知，由于室外環境溫濕度會發生變化，故地鐵站內設定溫濕度也需要及時調整，以滿足人體舒適度的需求。但溫度、濕度并不是越低越好，過低的溫度和濕度會導致人體的不適感，而且會使空調負荷增加、運行費用增大。因此提出圖3-1所示的地鐵站內溫濕度動態調節模策略，即根據采集到的室外氣象環境參數來調整地鐵站內溫濕度設定值，并根據當前站內熱濕負荷調整空調系統運行策略，確定合理的通風空調運行模式，從而滿足地鐵站內乘客舒適性和空調系統節能的需求。

4 實例分析

    本文實測無錫華清大橋地鐵站內外環境參數，結合南京漢中門地鐵站、上海某地鐵站數據，得到表4-1~表4-3：

    由表中數據可以看出，無錫華清大橋站、南京漢中門站的室外RWI＞0.5，此時應設置站內極限RWI=0.5，但無錫、南京地鐵站內峰值僅為0.378、0.449。上海某地鐵站外RWI=0.489，此時應設置站內極限RWI=0.489，但其站內RWI峰值僅為0.427。這些數據顯示當前地鐵站內RWI值普遍偏低，表明地鐵空調系統具有通過優化站內溫濕度設定實現節能的空間。

    由圖2-4~圖2-7可知，對應于表4-1和4-2中室外天氣，站內溫濕度應設置為：站廳30℃，站臺29℃，相對濕度均為60%；對應于表4-3中室外天氣，站內溫濕度應設置為：站廳30℃，站臺29℃，相對濕度均為55%。此時既能保證乘客熱舒適性，又能實現空調系統節能運行。

5 結論

    本文探究了乘客在站內乘車全程的RWI值變化規律和不同的溫濕度設定值時站內RWI極值的變化規律，綜合考慮乘客活動規律及夏季室外環境變化，基于舒適性和節能需求，提出了地鐵站內溫濕度參數設定方法和動態調節策略，并得出以下結論：

    （1）由地鐵站內乘客RWI變化曲線可知，站廳購票處為乘客感覺最熱處。在此處提出了提高局部風速改善舒適度的建議，在此基礎上可進一步提高站內溫濕度設定值，降低空調能耗；

    （2）當站內設定的溫度或相對濕度較低時，相對濕度的變化對人體熱舒適度的影響很小，說明通過適當調高站內相對濕度來節能是可行的；

    （3）由地鐵站內不同溫濕度下RWI最大值曲線可知，溫度變化1℃對人體舒適度的影響大于相對濕度變化5%時的影響，說明調整站內溫度可實現人體舒適度的粗調節，而調整站內相對濕度可實現人體舒適度的微調節。因此，站內相對濕度不宜設置過低，可以通過適當提高相對濕度來減小站內濕負荷，降低空調能耗；

    （4）當室外溫濕度發生變化時，地鐵站內溫濕度設定值也要隨之變化，以滿足乘客熱舒適性和空調系統節能運行的需求。當室外環境溫濕度升高時，站內溫濕度設定值也隨之升高，但當室外溫濕度升至較高而使RWI>0.5時，站內溫濕度設定值維持在上限值，不再隨之升高；

    （5）分析上海、南京、無錫地鐵站內當前溫濕度參數，結果顯示當前地鐵站內RWI值普遍偏低，表明地鐵空調系統具有通過優化站內溫濕度設定實現節能的空間。

參考文獻

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    備注：本文獲評為第21屆暖通空調制冷學術年會青年優秀論文，收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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