Design temperature of underground stations in winter

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℃，车站各类办公有为设备用房计算温度12～18℃（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STESS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20℃，甚至25℃以上。这对于冬季穿着厚重的乘客来说，其感觉将是热而不是冷。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，对于我国我数城市来说，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同气候条件地区，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。 　　本文将主要利用HDR（heat deficit rate}指标，以4个城市为代表，探讨我国各城市地铁冬季设计温度的取值。 　　 2 HDR介绍 　　 　　热损失率HDR[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。HDR的单位是W/m2，其中是m2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30.6～35℃。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，体温进一步下降，人体出现热债。HDR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。HDR对时间的积分即热债。HDR≤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/m2 时，才会感到冷不适。相反，当人体蓄热量达到100kJ/m2时，将感到热不适。 　　 　　2．1 HDR 定义式如下： 　　 　　　　　　　（1） 　　式中D为热债（heat deficit），J/m2，其中m2是人体皮肤面积单位；H为暴露时间，s；M为新陈代谢率，W/ m2，其中m2是人体皮肤面积单位；t为干球温度，℃；Icw为为服装热阻，clo；Ia为服装外空气边界层热阻，clo；R为平均辐射得热，W/ m2，其中m2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 　　 基础代谢 静坐 写字办公 站立 行走 3km/h 4.8 km/h 6.5 km/h 42.4 58.1 69.7 98.9 116.1 151.3 220.6 　　乘客在室外活动量按以4.8 km/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3 km/h相同。 　　 　　2．3 空气边界层热阻Ia的计算 　　根据文献[5]，考虑到低温时的辐射和对流修正 　　 　　　　　　　　（2） 　　式中Ia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，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外气象状况决定的。在冬季，可以认为乘客在室外的衣着量能够满足基本的热舒适性要求，即乘客在室外的HDR=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在于行走速度，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 Ia /clo 新陈代谢率 M/W/m2 室外 HDR/W/m2 服装热阻（室外） Icw/clo 服装热阻（站内） Icw/clo 哈尔滨 -20 3.8 0.21 151.32 0 2.43 2.55 北京 -5 2.8 0.25 151.32 0 1.61 1.73 南京 2 2.6 0.26 151.32 0 1.23 1.35 广州 13 2.4 0.28 151.32 0 0.64 0.76 　　在表2中，Icw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影响，因此穿着的服装的实际的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]； 　　　　Icw2=Icw1 0.246(v1-v2)　　　　 　（3） 　　式中，v1、v2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着多厚毛衣，外套棉大衣或羽绒服，还要加上帽子围巾等等，远比广州最重得多。 　　 　　3．2 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2.69clo，考虑工作人员活动强度1.22clo。此衣着量接近南京的乘客衣裳着量，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 毛衣 背心 厚茄克 内裤 绒裤 外裤 厚袜 厚鞋 合计 0.2 0.34 0.36 0.17 0.48 0.15 0.3 0.28 0.05 0.06 2.39 　　3.3 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HDR=0。 　　温度上限：HDR=-56W/m2。由于产生热不舒适感觉时的人体蓄热约为100kJ/m2。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要求。 　　表4为按此标准计算的结果。括号中的数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9.6～16.4℃，北京为9.6～20.5℃，南京为9.6～22.3℃。 　　表4 温度范围计算值 　城市 Icw/clo 风速/m/s Ia/clo 新陈代谢率M/W/m2 温度下限/℃ 温度上限/℃ 　哈尔滨 2.55(1.22) 1.8 0.30 116 -8.4(9.6) 16.4(23) 　北京 1.73(1.22) 1.8 0.31 116 2.8(9.6) 20.5(23) 　南京 1.35(1.22) 1.8 0.32 116 7.8(9.6) 22.3(23) 　广州 0.76 1.8 0.32 116 15.8 25.2

4 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（GB/T1444-93）规定环境温度5℃以下即属于低温作业。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。
　　
　　4．2 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，乘客将基本维持室外的衣着着量，但是通过解开衣襟、松开钮扣等简单方法，人们仍然可以有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数少，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，由于地铁冬季仍有过热的危险，因此冬季设计温度高一些是有利的。
　　
　　4．3 上面的计算中室外温度采用的最冷月平均温度，但人们的作息周期是按天计算的，而冬季的外温变化很大，尤其是北方，一次寒潮的来袭就可能使气温下降10℃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HDR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，可以取值范围的中值温度为中心，适当缩小温度范围。

　　表5 地铁车站设计温度

参考文献
　　
　　1 GB50157-92地下铁道设计规范
　　2 清华大学热能系，北京地铁公司环境处，北京地下铁道热环境状况的测定与分析总结报告，1986。
　　3 清华大学热能系空调教研组，STESS地铁热环境模拟分析软件（Ver.2.0）,1998。
　　4 United States Department of Transportation Subway Environmental Design Handbook, Vol 1, 1976.
　　5 欧阳骅，服装卫生学，北京：人民军医出版社，1985。
　　6 孙庆伟，李东亮，主编，人体生理学，北京：中国医药科技出版社，1994。
　　7 ASHRAE. Thermal comfort. In: ASHRAE Handbook 2001 Fundamentals, 2001.
　　8 黄海潮，低温作业的分组标准，中级医刊，1998，33（12）