考虑舒适度限制的地铁站台在列车诱发活塞流作用下的区域温度控制

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Comfort-constrained zonal temperature control for subway platforms under train-induced piston airflow

　　摘要：地铁隧道中由列车引起的活塞流效应会导致站台上的气流分布不均，进而使乘客的瞬时热舒适度出现局部差异。本研究针对具备可调节风阀的越行地铁站，提出了一种基于舒适度约束的分区温度控制策略。通过建立经过验证的三维非稳态动态网格CFD模型来分析站台气流特性。研究采用相对温热指数来量化不同站台区域内的瞬时热舒适度，并通过温度敏感性分析将空间差异转化为分区设定值，从而实现该舒适度约束控制策略。此外，还通过比较显热负荷来评估节能潜力。研究结果表明，列车到达端、中间区域和离开端的可接受热舒适度比例分别为92.4%、90.0%和67.6%，其中离开端的热环境最为不利。在五种分区控制方案中，方案C的表现最佳，它将列车到达端、中间区域和离开端的温度分别设定为25.4℃、25.7℃和24.1℃，使得平均可接受热舒适度比例从83.3%提升至86.2%，同时还将各区域间的最大温差从24.8%降至3.3%。在保持离开端热舒适度要求的条件下，方案C可使站台等效温度上升约1℃，同时减少室外空气显热负荷2.26千瓦，而循环空气的显热负荷则保持不变。从理论上来看，每个站台可节省1080–2430千瓦时的电能。

引言：随着城市轨道交通的发展，越行地铁站被越来越多地用于支持高速列车的直达运行。在这样的车站中，无需停靠的列车会在隧道内产生强烈的活塞流效应[1,2]，这进一步影响了车站区域的气流状况[3]。这种非稳态气流会导致站台上气流分布不均，影响乘客的瞬时热舒适度，还会增加车站通风与空调系统的能耗[4]。因此，有必要从瞬时热舒适度和系统能耗两个方面，研究越行地铁站中的站台环境控制问题。地铁站台通常是人员密集的临时活动空间，乘客在一次行程中通常仅停留3–5分钟[5,6]。在列车运行过程中，乘客可能会受到由活塞流效应引起的局部风速和温度的快速变化影响。因此，对地铁站台的热舒适度评估应考虑乘客对这类瞬时环境变化的短期反应[7,8]。Kapil Sinha等人[9,10]采用基于代理的建模方法研究了列车引起的环境变化对乘客热舒适度的影响，强调了在地铁站中考虑人机交互的重要性。传统的PMV-PPD指标主要适用于停留时间较长的相对稳定的室内环境[11]。美国交通部提出的相对温热指数被广泛用于评估在非稳态气流条件下的地铁环境中的热舒适度。Wang等人[12,13]指出，列车到达和离开时乘客的瞬时热舒适度会有显著变化，因此建议使用相对温热指数来评估此类条件下的热舒适度。Su等人[14]利用相对温热指数研究了具备可调节风阀的地铁站台，发现列车的到达方式会显著影响气流和乘客的舒适度，且站厅的温度往往高于站台。Sui等人[15]采用改进后的相对温热指数来评估乘客进出时的热舒适度，结果表明，为满足乘客的舒适度要求，站台的设计温度应比站厅低至少1℃。总体而言，现有研究提升了人们对具有动态环境特征的地铁站中乘客热舒适度的理解，以及在评估方法方面的进展。然而，由活塞流在不同站台区域产生的空间性气流不均匀现象尚未被完全了解，其对不同站台区域乘客瞬时热舒适度的影响也缺乏充分研究。车站通风与空调系统的能耗是另一个受列车引起的活塞流影响的因素[[16], [17], [18]]。如果合理利用，列车引起的活塞流不仅可以提供新鲜空气，还能降低车站通风与空调系统的运行能耗[19]。He等人[20,21]研究了在单列车和多列车运行条件下活塞流的节能潜力，结果显示每年可分别节省7.6×10?千瓦时和高达1.7×10?千瓦时的电能。Li等人[22,23]表明，在季节交替时期，可控风阀可提供8.9×10?立方米/小时的通风量，而依靠活塞流辅助的新鲜空气系统可使单个车站每年节省多达2.76×10?千瓦时的电能。Yang等人[24]进一步指出，风阀的布局和开启方式会显著影响列车引起的气流与机械通风之间的耦合关系，进而影响车站的通风性能和节能潜力。不过，以往的研究主要集中在活塞流的利用以及车站层面的节能效果上，对于如何将活塞流导致的站台空间环境差异转化为分区温度控制策略，以及在热舒适度约束下的节能潜力，仍缺乏系统性的探讨。尽管活塞流有助于车站通风，但其通风效果会受到列车运行状态、车站结构以及外部环境条件的影响，因此仅依靠活塞流很难满足整个车站的通风需求[25,26]。所以，仍然需要依靠机械通风和空调系统来维持适宜的站内环境条件[27]。不过，地铁站中的空调系统通常采用统一的送风量和温度设定值。虽然这种方案在实践中简单且稳定，但无法有效应对站台不同区域的温度差异问题。如果以最不利的区域作为温度设定依据，温度适宜的区域可能会出现过度冷却的情况；而如果以平均站台条件作为设定依据，不利的区域则可能仍然存在舒适度问题。因此，需要一种能够充分考虑站台空间差异的、更为精细的基于舒适度约束的控制策略。基于上述研究背景和现有不足，本研究着眼于如何将列车引起的活塞流导致乘客瞬时热舒适度的空间差异转化为差异化的分区温度设定值，进而为越行地铁站提出一种基于舒适度约束的分区温度控制策略。研究采用了经过实验数据验证的三维非稳态CFD模型，分析列车通过时不同站台区域内的瞬时环境参数的空间差异和时间变化规律。随后利用相对温热指数来评估各区域的乘客瞬时热舒适度，并通过温度敏感性分析确定差异化的分区温度设定值，从而构建出该舒适度约束下的分区温度控制策略。最后，在满足乘客热舒适度要求的条件下，评估该策略在提升热舒适度、减少显热负荷以及理论节能潜力方面的效果。在实际应用中，该方法有助于识别并针对性地调节热环境较差的区域，同时避免不必要的全站台降温，从而满足各区域的舒适度需求。这些研究结果可为受列车引起的活塞流影响的地铁站台的精细化温度调控和节能运行提供参考。

章节节选：

瞬时热舒适度评估的理论基础：对于乘客停留时间较短的地铁站环境，本研究采用相对温热指数来评估列车通过时地铁站台上乘客的瞬时热舒适度。根据美国《地铁环境设计手册》[28]，相对温热指数的计算公式如下：
RWI={M(Icw+Ia)+6.42(t?35)+RIa2} / {M(Icw+Ia)+6.42(t?35)+RIa×65.2×(5858.44?P)/1000}
其中，M表示代谢率，单位为瓦特/平方米；Icw表示衣物系数。

模型验证：为了验证用于描述隧道内气流分布特性的数值模型，本研究基于缩尺隧道试验装置开展了实验。该缩尺隧道装置是根据几何相似性和动力学相似性原则建立的，其几何缩放比例为1:16，如图6所示。缩尺装置的隧道尺寸为40米×0.30米×0.34米，且配备了高度为1米的竖井通风系统。

站台气流特性：为揭示后续站台热舒适度差异背后的气流特征，本节分析了在不同风阀开度、列车速度以及竖井开启模式下，站台上代表性位置的风速变化情况。在站台上选择了三个监测点，分别对应列车到达端（点3）、中间区域（点8）和列车离开端（点13）。如图10所示，在列车速度为100公里/小时且仅有……的情况下……

结论：本研究通过经过验证的数值模拟，针对配备有可调节风阀的站台门的越行地铁站，重点研究了站台热舒适度、分区温度控制及其节能潜力。主要结论如下：
(1) 高速列车直达运行所产生的活塞流效应会导致站台上乘客的瞬时热舒适度出现明显的空间差异。列车到达端、中间区域……