东南大学能源与环境学院 刘文 梁彩华 凌善旭 黄婷婷
【摘 要】常规地铁通风空调系统一般采取全天恒定站内温度控制，未能充分考虑人员活动特征及室外环境变化对过渡空间（地铁站）内乘客热舒适性的影响，导致站内舒适度不高，空调能耗增大。本文利用相对热指标RWI(relative warmth index)研究了地铁站内乘客乘车全程热感觉变化规律，探索了站内不同温湿度设定值下RWI极值的变化规律，并基于RWI变化特征提出了改善站内舒适度及降低空调系统能耗的改进措施。综合考虑乘客活动规律及夏季室外环境变化，提出了地铁站内温湿度参数设定方法和动态调节策略。利用所提出的地铁站内温湿度设定优化方法，对上海、南京等地铁站内实际运行进行评估，结果显示当前地铁站内RWI值普遍偏低，表明地铁空调系统具有较大的通过优化站内温湿度设定实现节能的空间。
【关键词】相对热指标RWI，地铁站，动态调节，舒适性，节能
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
随着我国城市规模不断扩大，以地铁为代表的城市轨道交通得到大力发展，但随之而来是地铁的运营能耗居高不下，而其中地铁通风空调系统的能耗又占了较大的比例。文献[1-2]研究发现车站通风空调系统能耗已占车站总能耗的30%-40%以上。因此，在保证舒适的乘车环境下提高地铁空调系统的节能水平成为重要的研究课题。地铁空调系统的运行控制温湿度是平衡地铁空调系统能耗和地铁站内热舒适的纽带，因此，研究地铁站内温湿度参数设定方法对地铁空调系统节能和保证站内乘客热舒适尤为重要。Abbaspour等人[3]用相对热指标RWI(relative warmth index)结合实测数据对德黑兰地铁热湿环境进行了评价，认为其热湿环境总体处于可接受的范围内。Wang等人[4]用RWI指标分析地铁站内耦合气流组织能提升热舒适性，因此可通过提高空调送风温度来实现节能。尹奎超等人[5]用RWI指标在夏季典型日气象条件下对天津地铁站的空调运行温度进行了探讨，指出应根据夏季室外温度变化来调整站内温度设定值。朱培根等人[6]用RWI指标结合实地测量、问卷调查的方式对南京某地铁站进行了热舒适性评价，并提出应根据室外气象参数调节地铁车站温度。以上研究表明利用RWI指标进行地铁站内舒适性评价和环境参数动态调节是可行的，但上述研究仅对夏季典型日气象条件下地铁站内温度控制提供了参考方案，且未考虑室外相对湿度对站内温湿度设定的影响和站内相对湿度对人体热感觉的影响，而夏季室外气象参数变化范围大，针对不同的夏季室外气象参数进行地铁站内温湿度参数动态调节是地铁空调系统节能运行的基础。
为此，本文采用RWI指标对地铁站内乘客乘车全程热感觉变化曲线进行分析，探究在不同的温湿度设定值时站内RWI极值的变化规律，在考虑乘客活动规律及夏季室外环境变化情况下，基于舒适性和节能需求，提出地铁站内温湿度参数设定方法和动态调节策略。最后分析上海、南京、无锡地铁站内温湿度设定参数，给出优化运行的建议。
1 地铁站内人体舒适度评价方法
相对热指标RWI是美国运输部为确定地铁车站站台、站厅和列车空调设计参数提出的考虑人体在过渡空间环境的热舒适性指标。RWI综合考虑了温度，湿度，辐射，风速，人体新陈代谢，衣着等因素，可用于评价人体在过渡状态的热感觉，适应地铁车站特点。
1.1 相对热指标RWI计算方法
RWI为无量纲数，计算方法如下[7] ：
其中: M———新陈代谢率，W/m2；
τ———过渡过程中经历的时间，s；
ta———环境空气的干球温度，℃；
Icw———服装热阻，clo；
Ia———服装外空气边界层热阻，clo；
R———单位皮肤面积的平均辐射得热（室温下的辐射壁面辐射除外），W/m2
1.2 RWI与舒适性对应关系
RWI值表示人的热感觉情况，如果在两种不同的环境条件和活动情况下，具有相同的RWI值，则表明人在这两种情况下的热感觉是近似的。表1-1给出了RWI值与ASHRAE热感觉标度之间的对应关系。
1.3 新陈代谢M及服装热阻Icw的确定
注：表中服装热阻为轻薄夏装的热阻值（已考虑出汗的影响）
人在不同活动强度下的新陈代谢率与相应的服装热阻如表1-2。当人从一种活动状态过渡到另一种状态时，要经过6分钟的过程代谢率M才能最终达到最终活动状态下的稳定代谢率[8] 。在这个过渡过程中，代谢率与时间呈线性关系。同时，人的活动会导致出汗并湿润服装，同时人的活动会扰动周围气流，导致服装热阻有所改变。当人从一种活动状态过渡到另一种状态时，要经过6分钟服装热阻Icw才能达到新的稳定值[8] ，其间服装热阻与时间呈线性关系。
因此有如下表达式：
当τ<360s时
当τ≥360s时
Icw(τ)=Icw2,M(τ)=M2
1.4 空气边界层热阻的确定
考虑人体运动诱导产生相对风速的影响，服装外空气边界层热阻为[8] ：
Ia=0.3923V-0.4294
其中：Ia：空气边界层热阻，clo
V：相对风速，m/s
2 地铁站内温湿度参数动态设定
在确定了M, Icw ,Ia ,R等参数以后，只要设定地铁站内各处的温湿度参数，便可确定站内各处的RWI值，根据RWI值的变化规律，研究夏季地铁站内舒适温湿度参数的动态设定方法。
2.1 乘车全程的RWI曲线
夏季，乘客在室外以1.2m/s的速度行走，进入地铁站。在入口通道步行1min后进入站厅，在站厅步行0.5min后到达售票处，停下购票，此时他的活动状态变为站着偶尔走动。1.5min后购票结束，他继续在站厅以1.2m/s的速度行走达0.5min达到站台。达到站台后其活动状态又变为站着偶尔走动，候车5min。5min后上车，由于从乘客在车厢内时间通常大于6min，其活动状态、服装热阻均会达到稳定状态，车内需维持舒适的热环境。他站着直到达到目的地，其新陈代谢率与站着整理资料相当。下车后以1.2m/s的速度走出车站，3min后离开车站。
取如下参数分析乘客在地铁站内RWI变化情况：
室外：干球温度33℃,相对湿度70%，风速1.5m/s，服装热阻0.35clo
室内：
出入口：干球温度31℃,相对湿度65%
站厅：干球温度30℃,相对湿度60%
站台：干球温度29℃,相对湿度60%
列车内：干球温度27℃,相对湿度60%
站厅、站台、列车内风速均为0.3m/s，列车内服装热阻0.4clo
该乘客从进站到出站全过程的状态如图2-1。乘客在走入车站时，由于站内气温较站外低，RWI下降。停步购票候车时，RWI值立刻上升并出现全程RWI最大值出现。这是由于活动强度刚刚改变，新陈代谢率仍然保持在较高的水平，而活动的停止导致相对风速降低，空气边界层的热阻增加造成的。随后RWI值随新陈代谢率的逐渐下降而下降，直到乘客登车。在列车上，乘客的RWI值一直保持在舒适水平。到达目的地后，乘客下车进入车站，RWI值又开始上升，直到走出车站，RWI值进一步上升，逐渐回复到乘客进站前的水平。
由全程RWI曲线可知，当乘客以较高速度走进站厅后停步购票时，RWI值是全程最高的，而其后RWI值逐渐下降，限定该点的RWI值，即限定了乘客在站内的最不舒适程度。因此，可以在站厅购票处附近安装风口，适当加大此处气流速度，降低站内乘客的最不舒适度，在此基础上可进一步提高站内温湿度设定值，降低空调能耗。
研究表明[10] ：当人从中性环境刚进入较热环境时，其热感觉有所滞后，即并非立刻觉得很热；而从较热环境进入中性环境时，会有一个“过感觉”，即感觉到凉。由于RWI指标本身并未考虑人体在过渡区间受到变化温度刺激时出现的热感觉“滞后”和“超前”的现象，而仅考虑了过渡状态的热平衡。所以在进行地铁站内的环境参数控制时，RWI可以取较大的值，而不需要将站内RWI值直接设定为表1-1中热感觉对应为中性或稍凉时的RWI值，因为只要保证站台RWI<站厅RWI<站外RWI，乘客在进站过程中就能逐渐感觉到凉快。夏季，由于室外气温高，辐射强，乘客穿着最少衣物(0.35clo)，在室外仍感觉炎热，RWI值很大甚至可能超过0.5，此时设定乘客在站内的峰值RWI≤站外RWI，就可以保证乘客在车站内比车站外舒适。由于热舒适忍受极限环境的RWI值约为0.5[8]，因此设定站内极限值：站内峰值RWI≤0.5。
2.2 RWI随温湿度设定值的变化规律
从图2-1可以看出，在刚到达售票处时人感觉最热，在刚从列车出来到达站台时人感觉最冷，因此，只需要关注这两点的RWI值，通过限定这两点处RWI值的大小来满足整个车站内的人体热舒适度。在其他条件不发生改变时，地铁站内设定的温度、湿度值越高，越有利于节能。因此，可通过改变地铁内温湿度的设定值来改变RWI值，在满足人体热舒适的范围内寻找最有利于节能的地铁站内温湿度参数设定值。
改变地铁站内设定的温湿度，分析地铁站内RWI最大值和最小值的变化规律，考察人体热舒适度的变化情况。取站厅站台的温差为1℃，设定如下几组参数：站厅30℃，站台29℃时，相对湿度为45%-65%；站厅29℃，站台28℃时，相对湿度为45%-70%；站厅28℃，站台27℃时，相对湿度为45%-70%；站厅27℃，站台26℃时，相对湿度为45%-70%。其中相对湿度以5%为单位变化。根据地铁站内RWI的最大值和最小值作出图2-2和图2-3。图2-2中的四条折线表示不同温湿度下地铁内RWI的最小值，地点位于站台；图2-3中的四条折线表示不同温湿度下地铁内RWI的最大值，地点位于站厅。
由图2-2可知在本文选取的温湿度范围内，地铁站内人体感觉最冷处RWI值均在0-0.1之间，满足人体舒适性要求。由于地铁内部发热量很大，地铁车站一般为全年冷负荷，空调系统的主要任务是消除余热，因此应着重考虑站内人体感觉最热处RWI值的控制。
由图2-3可知：
（1）当温度越低时，RWI曲线随着相对湿度的变化越平缓，即当地铁站内温度设定较低时，相对湿度的变化对人体热舒适度的影响很小，因此，当地铁站内温度设定较低时，可选择较大的相对湿度，有利于节能；
（2）对于同一设定温度，RWI曲线随着相对湿度的增加其上升速度先慢后快，即在相对湿度较低时，相对湿度的变化对人体热舒适度的影响很小，这说明通过适当调高站内相对湿度的设定值来实现节能运行是可行的；
（3）图中每个点的上边点RWI值总是大于其右边点的RWI值，即温度变化1℃对人体舒适度的影响大于相对湿度变化5%对人体舒适度的影响，这说明当室外温湿度条件改变时，调整站内温度可实现人体舒适度的粗调节，而调整站内相对湿度可实现人体舒适度的微调节。因此，站内相对湿度不宜设置太低，可以通过适当提高相对湿度来减小站内湿负荷，降低空调能耗。
2.3 夏季温湿度参数的动态设定
地铁车站一般为全年冷负荷，环控系统的主要任务是消除余热，若仅考虑经济性，站内设定温湿度越高越节能，但在夏季，过高的站内温湿度无法满足乘客的舒适性需求。因此，确定站内空调参数的主要任务是根据舒适性需求确定站内温湿度上限。
当室外环境温湿度变化，即室外RWI值变化时，地铁站内RWI上限值随之变化，因此站内温湿度参数设定范围也会随之变化，所以对于每个给定的室外环境温湿度参数值，都会有一个新的站内舒适性温湿度区域。在每一个舒适性区域里，取接近于其上边界的室内温湿度设定值即较高的温度、相对湿度值时，更有利于地铁空调系统的节能。综合考虑舒适性和节能要求，得到图2-4~图2-7。图2-4~图2-7为室外温度在28℃-38℃、相对湿度在35%-95%范围内变化，站厅温度在25-30℃、相对湿度在45-70%范围内变化时，室外RWI值和站内RWI最大值的变化曲线图，可用于查询不同室外温湿度条件下地铁站厅的温湿度参数设定值。对于地铁站台，其温度均设置为比站厅低1℃，相对湿度和站厅相同。
由于人体热舒适忍受极限的RWI值约为0.5[8]，因此设定站内峰值RWI≤0.5。同时设定乘客在站内的峰值RWI≤站外RWI，就可以保证乘客在车站内比车站外舒适。
当室外RWI＜0.5时，站内RWI最大值应以室外RWI值为上限，如图2-4~图2-7中的水平虚线，此时应选取虚线以下并靠近虚线的站厅温湿度设定点。当室外温湿度较高导致室外RWI≥0.5时，站内RWI最大值应以RWI=0.5为上限，如图2-5~图2-7中水平实线，此时应选取实线以下并靠近实线的站厅温湿度设定点。
结合2.2节中的结论可知，当水平线下有多个站厅温湿度设定点满足要求即热感觉相差不大时，应选取温度或相对湿度较大的点作为站厅温湿度设定值，在保证站内舒适性的前提下最大限度保证地铁空调系统的节能运行。若图中站厅温湿度设定点在室外温湿度对应的水平虚线上方，但相距很近时，由于热感觉相差很小，且图中各点表示站内最热处的RWI值，仅为瞬时状态，因此也可以作为站厅温湿度参数的设定值。
图2-4~图2-7的室外温湿度范围涵盖了夏季大部分时间所处的环境温湿度条件，可根据室外温湿度参数的变化来实时调整地铁站内的温湿度设定参数，保证地铁站内乘客的舒适性和地铁空调系统的节能运行，对夏季地铁站内温湿度参数的设定具有指导意义。
3 地铁站内温湿度动态调节策略
由上述分析可知，由于室外环境温湿度会发生变化，故地铁站内设定温湿度也需要及时调整，以满足人体舒适度的需求。但温度、湿度并不是越低越好，过低的温度和湿度会导致人体的不适感，而且会使空调负荷增加、运行费用增大。因此提出图3-1所示的地铁站内温湿度动态调节模策略，即根据采集到的室外气象环境参数来调整地铁站内温湿度设定值，并根据当前站内热湿负荷调整空调系统运行策略，确定合理的通风空调运行模式，从而满足地铁站内乘客舒适性和空调系统节能的需求。
4 实例分析
本文实测无锡华清大桥地铁站内外环境参数，结合南京汉中门地铁站、上海某地铁站数据，得到表4-1~表4-3：
由表中数据可以看出，无锡华清大桥站、南京汉中门站的室外RWI＞0.5，此时应设置站内极限RWI=0.5，但无锡、南京地铁站内峰值仅为0.378、0.449。上海某地铁站外RWI=0.489，此时应设置站内极限RWI=0.489，但其站内RWI峰值仅为0.427。这些数据显示当前地铁站内RWI值普遍偏低，表明地铁空调系统具有通过优化站内温湿度设定实现节能的空间。
由图2-4~图2-7可知，对应于表4-1和4-2中室外天气，站内温湿度应设置为：站厅30℃，站台29℃，相对湿度均为60%；对应于表4-3中室外天气，站内温湿度应设置为：站厅30℃，站台29℃，相对湿度均为55%。此时既能保证乘客热舒适性，又能实现空调系统节能运行。
5 结论
本文探究了乘客在站内乘车全程的RWI值变化规律和不同的温湿度设定值时站内RWI极值的变化规律，综合考虑乘客活动规律及夏季室外环境变化，基于舒适性和节能需求，提出了地铁站内温湿度参数设定方法和动态调节策略，并得出以下结论：
（1）由地铁站内乘客RWI变化曲线可知，站厅购票处为乘客感觉最热处。在此处提出了提高局部风速改善舒适度的建议，在此基础上可进一步提高站内温湿度设定值，降低空调能耗；
（2）当站内设定的温度或相对湿度较低时，相对湿度的变化对人体热舒适度的影响很小，说明通过适当调高站内相对湿度来节能是可行的；
（3）由地铁站内不同温湿度下RWI最大值曲线可知，温度变化1℃对人体舒适度的影响大于相对湿度变化5%时的影响，说明调整站内温度可实现人体舒适度的粗调节，而调整站内相对湿度可实现人体舒适度的微调节。因此，站内相对湿度不宜设置过低，可以通过适当提高相对湿度来减小站内湿负荷，降低空调能耗；
（4）当室外温湿度发生变化时，地铁站内温湿度设定值也要随之变化，以满足乘客热舒适性和空调系统节能运行的需求。当室外环境温湿度升高时，站内温湿度设定值也随之升高，但当室外温湿度升至较高而使RWI>0.5时，站内温湿度设定值维持在上限值，不再随之升高；
（5）分析上海、南京、无锡地铁站内当前温湿度参数，结果显示当前地铁站内RWI值普遍偏低，表明地铁空调系统具有通过优化站内温湿度设定实现节能的空间。
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备注：本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会青年优秀论文，收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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