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Design temperature of underground stations in winter
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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
Abstract the design temperature should be treated as an important issue in thermal comfort， safety and energy efficiency. Based on the application analysis to the typical climates in different areas in China， discusses the method for determining the design temperature of underground stations in winter and gives proposed values for four typical cities as examples.
Keywords underground railway air conditioning thermal comfort winter heat deficit rate |
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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
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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
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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
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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
|
城市 |
温度下限/℃ |
温度上限/℃ |
中值值温度/℃ |
|
哈尔滨 |
10.0 |
16.4 |
13.2 |
|
北京 |
10.0 |
20.5 |
15.2 |
|
南京 |
10.0 |
22.3 |
16.2 |
|
广州 |
15.8 |
25.2 |
20.5 |
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）
