既有城市轨道交通地上线站台空间热舒适优化策略研究

李翔宇 刘一漩 李斯文 李然东

摘要：针对轨道交通地上站人群舒适度差的问题，通过研究城市轨道交通地上站热环境和热舒适性情况，在节能的基础上提出相应的建筑热工性能改造措施。以北京市地上站为例，着重选取其中五个典型的地上站，进行人体热舒适度满意率问卷调查和热环境参数测试。调查显示，导致地上站热舒适度较差的最主要原因包括站台截面尺度设计不当、开窗通风设计不合理及围护结构缺失遮阳构件等。进而通过软件模拟等方法，验证通过采取合理改造站台截面尺度、天窗加置遮阳构件及改变侧窗开启率等措施，对地上站内部空间热舒适度及能耗的改善是否有效。最终根据模拟结果形成适用于北京市轨道交通地上站的改善策略，并以13号线上地站为例，运用优化设计方案，对比优化前后效果，以验证此策略是否对其现存问题起到改善的作用。

关键词：轨道交通地上站；热舒适度；优化分析；改造措施

Abstract： In response to the problem of poor comfort among people at above ground stations in urban rail transit， by studying the thermal environment and thermal comfort of above ground stations in urban rail transit， corresponding measures for building thermal performance improvement are proposed on the basis of energy conservation. Taking Beijing's above ground stations as an example， five typical above ground stations were selected to conduct a questionnaire survey on human thermal comfort satisfaction and thermal environment parameter testing. The survey shows that the main reasons for poor thermal comfort of above ground stations include improper design of platform cross-sectional dimensions， unreasonable design of window ventilation， and lack of shading components in the enclosure structure. Furthermore， through software simulation and other methods， it is verified whether the improvement of thermal comfort and energy consumption in the internal space of the above ground station is effective through measures such as reasonable modification of platform section size， installation of sunshade components in skylights， and change of side window opening rate. Finally， based on the simulation results， an improvement strategy suitable for the above ground station of Beijing's rail transit was developed. Taking the above ground station of Line 13 as an example， an optimization design scheme was used to compare the effects before and after optimization， in order to verify whether this strategy has improved its existing problems.

Keywords： above-ground station of rail transit; thermal comfort; optimization analysis; retrofit measures

近年來，地铁由于其运行速度快、载客量较大、环境污染小以及乘坐舒适方便等优点逐渐成为人们出行的首选交通方式，地铁环境也成为了人们关注的焦点。地铁站分为地上、地下线站，地上线站与地下线站相比，虽受地面建筑和规划的限制，但由于造价低、建设周期短、运营费用低等优点，在地铁规划设计中被广泛采用。然而，地上线站通常采用的轻质复合围护结构，不仅对温度波动变化抵抗能力较弱，也存在大量的热桥导热问题。夏热冬冷地区夏季漫长，高温高湿，候车区域人流量大、人员密集，热环境通常较差，另一方面，站台层与室外连通性强，采用自然通风。其站台开放式的空间设计，不仅严重影响站内候车环境与乘客的热舒适感受，同时也增加了能源消耗。由此可见，对于地上线站进行实际的调查分析并利用一定的建筑技术措施，改善其热环境，提供令大多数乘客感到满意的热环境，尤为重要。

为节约能耗，地上车站一般只在站厅层设置空调，站台采用自然通风。为改善夏季站台的热环境，国内外学者从通风和气流组织、开窗形式、建筑遮阳等方面进行了研究探讨。

韩瑶在 2006 年对华南地区某地铁线路地上车站进行了研究，该车站站厅设置了空调系统，站台设置了机械送风系统。对三种不同的送风方案采用相对热指数 RWI 对舒适度进行定量评价。她认为在夏季，地上站站台送风系统设计的必要性不大，因地上站站台设机械通风对人的舒适感提高不明显，因此可不设机械通风，延用自然通风方案即可[3]。2011 年，乔小博以西安地铁 3 号线某地上车站为例，研究了直接蒸发冷却通风降温在地上车站的工程设计应用意义。经直接蒸发冷却处理后送入站台公共区的空气温度比处理前的室外空气温度6.5 ℃，处理后空气相对湿度约 89%左右，有效改善热环境。适用于我国北方等夏季炎热干燥的地区，但对于高温高湿的华南地区，并不十分有效[4]。

地上车站站台层常设有可开启式天窗，一方面优化站台自然采光，另一方面可以有效排除顶部积蓄的热量。2016 年，赵卫平等人研究了广州某地上站在自然通风条件下天窗面积对站台热环境的影响。研究发现，当天窗面积分别为 0 ㎡、16 ㎡和 32 ㎡时，室内温度差异仅有 0.2℃，对热环境影响作用不大，但换气次数比不开天窗时分别增加 7% 和 9%[5]。

2015 年，崔蕾等以北京地铁某典型车站为研究对象，采用现场实际观测、理论分析与数值模拟相结合的方法对地铁站内部的热环境进行研究。通过在 PHOENICS 内部建立计算模型得到：人员密集区会使人群周围温度升高约 1℃ ；站台中间温度值较高，约 24℃，升高约 4℃，与现场实测数据规律相同；室外温度对车站内部的平均温度起到决定性的作用[6]。关于地铁热环境的研究方法，在2004年，刘垚等系统阐述了地铁热环境测量的具体内容和方法， 对地铁热环境的实际测量工作起到一定的建议和指导作用[7]。2008年，尹奎超等探讨了天津地铁站的空调运行控制温度及其随室外温度的变化趋势，进而分析了乘客进出站过程中人体热舒适随RWI值的变化规律[8]。2014年，李伟华等对地铁站不同季节、不同控制单元及一天内不同时刻的热舒适进行调研，并提出三种不同的控制策略[9]。

早在 20 世纪初，欧洲一些学者就开始了热舒适的研究，其内容主要包括进行大量的现场实验，整理得到的数据并建立综合的数据库，建立评价热舒适的模型和评价热环境的指标等。1919 年，美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）在匹兹堡搭建了世界首个人工室内气候实验室，首次对人体热舒适进行测试，建立了新的热舒适指标——有效温度（Effective Temperature，ET），并先后组织了 4 次大规模的热舒适现场研究，其中 3 次均使用有效温度作为热舒适指标，发现统计结果具有很好的相关性。另外还提出一系列的热舒适指标，除了有效温度，还包括新有效温度（New Effective Temperature，NET）、标准有效温度（Standard Effective Temperature，SET）和操作温度 （Operative Temperature，OT）[10]。ASHRAE 通过大量试验提供了庞大的热舒适相关数据，丹麦的 Fanger 教授在这些数据的基础上对 1269 名学生进行了热舒适测试，通过对受试 者冷热感觉数据的分析，建立人体的热平衡方程，提到了著名的热舒适评价指标——预测平均评价 PMV 和预测不满意百分数 PPD[11]。1962 年，丹麦的 Macpherson 通过研究确定了影响人体热舒适的六个因素：空气温度、空气流速、相对湿度、平均辐射温度、新陈代谢率和服装热阻[12]。

2006 年， Abbaspour M等对德黑兰不同地区车站的热环境参数、空调现状以及客流进行了测试，通过对 231 份有效数据的研究分析，德黑兰地铁站的热舒适处于可接受的范围[13]。2010 年，Deb C等对南印度某火车站夏季热舒适进行了调研，通过调查研究得到了火车站的中性温度，及当地乘客的热舒适容忍力和适应性，同时，研究表明候车空间也会影响乘客的热舒适[14]。2012 年，张峰等通过数据测量及问卷调查，得到昆明火车站过渡季节候车室内的热舒适性，并评价自然通风方式能否达到热舒适性标准[15]。2018 年，高越以长春、沈阳、哈尔滨候车空间为例，通过实地测量及问卷调查，总结乘客的实际需求及建议，并提出解决方法[16]。

因此，本文针对北京的气候特点，以北京市的轨道5 、13、15号线及八通线路站点为研究对象，进行系统性的热舒适现场调查工作。采用现场问卷调查、实地测试相结合的研究方法，研究出其热舒适度整体状况，并分析出了地上线站热舒适较差的原因。最后，结合综合建筑调研、热环境现场实测、乘客问卷调查和模拟结果，分别针对站台建筑形式、屋顶天窗、遮阳设施、站厅侧窗等方面提出具体的解决措施及综合改造方案，且通过 phoenics 软件对提出的具体解决措施及综合优化方案进行模拟对比。并以北京市规划建设线路 13号线站点上地站为例，将其运用到实际工程中，指导方案设计。从而为地上线站热舒适标准的合理制定或进一步完善提供依据。

1 研究方法

1.1研究目的

针对北京的气候特点，以北京市的轨道交通八通线、5、13、15号线路站点为研究对象，采用现场测量和问卷调查相结合的方式，研究北京地铁地上线站热环境与人群热舒适性，并对其提出优化方案。研究结果可以为进一步完善北京地铁地上站站内热环境设计提供真实可靠的第一手数据，并为推动地铁站建筑的节能舒适设计做出有价值的貢献。

1.2调研对象

现场调研于2023年7、8月进行，处于一年中最热时段，选取北京市调研对象应当具有广泛代表性，本文选取北京八通线的四惠东站、5号线的北苑路北站、13号线上地站、光熙门站，以及15号线孙河站进行舒适度问卷调查及热环境参数测量。然后依据地上站所处地段、天窗形式、建筑截面、站台围护结构遮阳等因素，选取五个典型的地铁地上站（ 孙河站、光熙门站、上地站、北苑路北站、四惠东站） 进行具体分析，各项因素的对比分析见表 1。五个地铁站分别在各项因素中形成对照，在不同条件下具有可对比性，并能够涵盖大部分站的各种类型。

1.3问卷人员背景

在测量物理参数的同时，调查对象尽量选择 18 至 60 周岁的健康人群，同时也要考虑到男女比例均衡、年龄分布均衡等因素。受试者中大部分为候车的行人。

1.4 调查问卷内容

人们对热舒适的感受主要包括：热感觉、湿度感觉、吹风感、热舒适性等等，各主观评价分级如表 2 所列。

1.5 环境参数测试

本次测试的热环境参数包括空气温度、相对湿度、风速，如表 3 所列。

1.6 调查方法及步骤

现场调研： 选取北京四条地上线，对地上站候车乘客进行舒适度问卷调查，并采用热感觉投票作为评价标准，进而形成车站满意率，研究北京地上站整体的热感觉情况。选取其中五个典型的地铁地上站在地铁运行高峰时间段（ 8： 00 － 20： 00） 的 13个小时中进行测量分析，其中上地站有效问卷36份，北苑路北站有效问卷 37份，四惠站有效问卷38份，光熙门站有效问卷 36份、孙河站有效问卷35份。其中每个车站发放问卷40份，回收均在35份以上，共计194份，其中有效问卷 182份。

1.7 通过云图、数值模拟确定建筑节能优化措施

为改善地上站站内能耗及乘客舒适度，采用phoenics软件进行数值模拟计算，对建筑截面形式、天窗面积及开启率、遮阳设施、外围护结构等的优化方案进行对比分析，确定应该采取的措施。

1.8 将建筑节能优化措施应用到具体地上站

最终根据模拟结果形成适用于北京市轨道交通地上站的热舒适改善设计策略，并以13号线的上地站为例，运用设计策略内容，对比改善设计前后热舒适改善效果，以验证设计策略对于热舒适改善的影响。

2  调查结果及数据分析

2.1 热环境参数统计

在 2023 年夏季7、8月份典型天气的7：00—9：00、13：00—15：00、17：30—19：30测试人员手持测试仪器对出入口、售票处、站厅、站台的温湿度、风速进行监测并做好记录。分别对北京八通线的四惠东站、5号线的北苑路北站、13号线的上地站、光熙门站，以及15号线孙河站的物理参数进行连续性地测量，将测量到的物理参数统计如表4所列。

2.2. 问卷调查

通过数据统计得到，五个车站在其测量时间范围内（ 8： 00 － 20： 00） ，站台温度在30. 6～42. 6 ℃。对五个典型车站，从乘客对空气温度、相对湿度、空气流速满意度进行调查，进一步分析导致地上站热舒适较差的原因，对地铁地上站站台的热舒适影响因素进行具体分析。

（1）上地站与光熙门站在除建筑截面尺度不同其余因素相同的情况下，上地站的温度场较低，风速较高，且上地站的满意度高于光熙门站。所以站台的截面尺度可能对内部温度风速及人体舒适度有所影响。

（2）上地站与孙河站在除天窗开窗方式不同，其余因素相同的情况下，上地站的温度场与孙河站较高、风速较低，且上地站的满意度低于孙河站。所以站台天窗开窗方式可能对内部温度、风速有所影响。

（3）北苑路北站与四惠站在除站台是否加置遮阳措施此方面不同，其余因素相同的情况下，通过对比北苑路北站及四惠东站两组统计结果，得出受玻璃幕墙加遮阳百叶的影响，四惠站站内热环境状况明显优于北苑路北站。主要是因为建筑百叶遮挡住了室外大量太阳光照，降低了太阳辐射热。因此，遮阳措施对于改善地上站热环境有明显的优化作用。

3  轨道交通地上站热舒适改善设计研究与模拟分析

3.1 设计研究基本问题

由于北京13号线地上站采用基本一致的建筑设计模式，所以本文将建立以13号线地上站建筑设计模式为基础、以上地站代表的初始模型，通过确定影响因素从建筑设计角度形成不同演变模型，以风速场、温度场和PMV 值的结果输出为导向探究影响地上站乘客热舒适的一般设计策略。

首先用 Phoenics 进行模型验证，将模拟结果与实测结果作比较，初步分析影响地上站站台舒适度因素。选择上地站作为模型验证对象，原因有两点。第一，上地站的形式代表了北京地区大多数地上车站的形式。第二，根据实测和问卷调查的结果，上地站热环境较为适宜，是比较适合北京地区的地上站形式。根据上地站实地调研和建筑图纸，用Sketchup 软件建模。

3.2 轨道交通地上站热舒适影响因素与优化设计思路

通过结合前期地上站热环境参数测量及舒适度问卷得知，改善热舒适需要优化站内风速场和温度场，涉及到站内舒适度优化的设计内容主要包含有站台截面形状、天窗可开启率与开窗形式设计、透明围护结构遮阳设计等。下面将从建筑设计的角度提出地上站热舒适改善的优化方案。

3.3 优化设计与模拟分析

3.3.1 站台截面设计

对于普遍半开敞式地上站站台的形态尺度设计主要是指截面设计，截面尺度的差异会使开口处通风量对站内的热环境产生较大影响。由于设计理念或站台宽度标准的限制，站台不同截面形状或比例形成的异形复杂形体的设计考虑因素较为复杂，因此不予纳入考虑范围。

上地站站台截面为拱形顶垂直于底面，如图1。保持站台原有宽度，依次改变站体截面高度，图 2为凸字形，图3为侧墙垂直平屋顶，三组形成实验组1。模拟结果见表6。

根据表6模拟结果显示，對两种截面尺度的站台与原方案进行比较，发现尺度最大的凸字形顶温度场最低，但与原方案温度差较小。而另一种矩形截面则出现了明显的温度提升。在风速场变化时，凸字形顶站台区的平均风速提高较高，高达10.8％，矩形平屋顶在三种截面尺度中风速最低。同时，根据PMV值的变化来看，凸字形顶站台的热舒适度有一定程度的改善，而平屋顶站台空间的PMV值增大。因此，可以得出结论：截面尺度会影响站台空间的热舒适度，尺度越大，风速越高，温度越低。根据结果所示，为了改善热舒适度，建议站台夏季可保持原拱形截面，冬季则可通过人为加置顶棚来降低屋顶高度，减少进风量及提高室内温度，如图3。

3.3.2 站台天窗设计

从以上调研分析结果得知，站台空间较强的太阳光辐射是夏季热环境和乘客舒适度较差问题的主要原因之一，特别是11点到16点期间。目前的站台采用的是纵向通长长形天窗，

面积约730㎡，天窗不可开启。站台天窗设计包含三方面，一方面为天窗可开启面积设计，另一方面是天窗开启方式，最后为天窗遮阳布置的设计。

（1）天窗开窗面积

如表 4.8 所示，以原有730㎡天窗总面积为基准，天窗形式，将天窗可开启面积比例分别设为原面积 60％和 40％，两组组合方式形成组别2。

由表 8模拟结果得知，在天窗面积不变的情况下，夏季增大天窗开窗面积对平均风速值影响极小，可以忽略不计。反而会造成因增大开窗面积导致太阳光直射而带来的站台内温度升高问题。冬季则会因开口导致冷空气注入，降低站内温度。所以冬夏都不适宜增加天窗开窗面积。

（2）天窗开窗设计

站台原有天窗为纵向条形封闭天窗，优化方案将天窗两侧加高，形成高侧窗，如表9所示两组组合方式组成组别3。模拟结果如表10 所示。

由表10所示，对比方案与原方案相比风速提升了3.1%，平均温度也有所降低，且Pmv值比原方案降低8.7%，变得更为舒适。上组实验中在天窗表面直接增大开窗面积，不仅没有对室内舒适度起到改善作用，反而使得站台内温度不断升高。综上实验表明，将天窗改为高侧窗可以有效改善站台风场、提升热舒适度。但基于上地站实际情况，设置高侧窗将会产生较大成本。

（3）天窗遮阳形式

有关研究显示，水平面内接收太阳辐射量最多。这种情况对岛式站台影响最大，对于侧式站台而言，虽然乘客对停留区分布在站台两侧，但是从天窗处辐射出的太阳辐射仍站台停留区内的乘客造成不良影响。且调查问卷中所反映出的问题也符合客观分析，乘客都认为夏季站台区内太阳光太强，因此地上站在天窗处进行遮阳设计对于改善站台热环境和提高乘客舒适度具有重要意义。如图 4是针对站台天窗的两种遮阳形式，普通遮阳百叶为短向布置形式如图 4.左图所示，右图为长向百叶。

如图 4所示，优化方案在地上站的站台天窗处加设了内遮阳百叶，模拟以上地站为原始模型，天窗加设短、长向遮阳百叶与原方案初始模型形成组别4，其模拟结果如表 11所示。

由表11模拟结果得知，站台天窗加设遮阳板对于站内平均风速值并无影响，而长向百叶平均温度降低 1.24℃，对于站台区平均温度的降低有明显作用，温度的降低使得平均 PMV值降低约 8.7％，有效改善了站内热舒适。与上组设置高侧窗相比，两者优化后效果几乎相同，又考虑到上地站实际情况，直接在现有天窗上加置长向百叶比设置高侧窗更加节约成本。

3.3.3 站台侧窗设计

（1）开启侧窗

由于节约成本和美观性需求，地上站站台公共区侧窗一般都采用集排烟、通风、采光于一体的一体化窗。上地站站台靠东一侧为封闭玻璃墙，无法通风且太阳光大量直射，导致站台内温度过高。设计策略将站台一侧封闭玻璃幕按不同面积比例开窗，形成空气对流，即增大有效通风面积，能及时排出站内大量热量。

如表 12所示，以原有380㎡侧窗总面积为基准，将侧窗可开启面积比例分别设置为 5％、20%、35%和 50％，五种组合方式形成组别5。模拟结果如表 13所示。

由表13模拟结果得知，站台封闭玻璃幕开启侧窗在20%的开启率内效果较为明显效果，平均温度降低1.57℃。开启率再增大时，效果变化微弱，且增加成本。因此，在一定的开启率内，会大大提升站内平均风速值，对于站台区平均温度的降低有明显作用，有效改善了站内热舒适，证明开启站台侧窗大大提升乘客热舒适。

（2）侧窗加置百叶

上地站向外侧为封闭玻璃幕，无遮阳措施，导致太阳光大量辐射至室内，大大减弱乘客舒适感。

由表14模拟结果得知，侧窗加百叶对风速无影响，但可以大幅度降低站台内温度，使站台温度下降高达1.37℃，PMV变化率高达16.2%。因此侧窗加百叶对提升站台空间舒适度极为有效。

3.3.4空调候车室设计

调查中，我们发现大量的乘客希望采取空調措施，出于节能的考虑可单独在站台增设空调候车室。由于空调候车室乘客进出频率高，门扇开合次数多，所以很难保证空间的密闭性，而且空调候车室一般都为玻璃幕墙围合，隔热性能也较差。因此单纯使用空调降温来保证良好的热环境效果并不理想，可以结合吊扇一起使用，加强室内空气流动。设置空调候车室时应注意以下几点：

1. 面积不宜过小，保证可以容纳较多的乘客，以3m×6m左右为宜；

2. 高度不宜过高，过高的内部空间会影响空调的使用效果，以2.8m左右为宜；

3. 保证空调候车室的数量，避免路途过长影响乘客的使用；

4. 若空调候车室由玻璃幕墙围合而成，应做好遮阳；

4  上地站设计优化应用

4.1上地站优化设计方案

该站为地面车站，整体式站厅、侧式站台设计，屋顶为拱形屋顶，站台天窗面积约730㎡，天窗不可开启，为纵向通长布置且无遮阳措施；站台侧窗为封闭玻璃幕墙且无遮阳措施。

上地站夏季可通过站体形式设计、站台天窗遮阳设计、站台侧窗开启率及遮阳等内容进行优化，优化后方案如图7所示。优化方案可通过保留原拱形屋顶、站台天窗面积不变，加置纵向内遮阳百叶构件、在一定开启率内增加站台侧窗开窗面积及加置遮阳百叶等内容进行优化。

4.2上地站原方案与优化方案对比分析

借助 Phoenics 软件进行模拟分析，保持模拟时间和其他环境设计参数一致，得到原方案与优化方案夏季站台区模拟结果如表15所示。

结论：对比优化模拟前后结果，对于夏季站台其平均温度降低 3.57℃，平均风速提高了约11％，PMV 值降低 0.77，与实测情况相比均能达到相对较好的热舒适改善效果。但在夏季最不利工况时，对于风速场和舒适度的改善也还是比较有限，乘客在站台的舒适度还较为差。因此，站台设置空调室变得更为必要。

5  结论：

本文通过对北京地铁地上站舒适度状况的调查，了解乘客的满意程度，并提出相应的节能改造措施，希望能为地铁设计者提供一定的参考，为地铁车站热环境的改善以及乘客熱舒适性的提高提供帮助。主要结论：

1. 通过对北京地铁地上站整体热舒适调查得出：北京地铁地上站整体热舒适状况较差，其中夏季地上站乘客满意率较低，从地上站热舒适改造建议投票看出，乘客对地铁地上站改造欲望较为强烈。

2. 通过现场热环境测量及乘客舒适度问卷调研分析得出，夏季地上站公共区域最不利位置为站台处。夏季导致地上站热舒适度满意率较低的原因主要是空气温度。夏季正午时刻至下午阳光照射最为强烈时段，为地上站热舒适度最差时段，其次为早晚地铁乘坐高峰时刻。

3.截面尺度会影响站台空间的热舒适度，尺度越大，风速越高，温度越低。根据结果所示，为了改善热舒适度，建议站台夏季可保持原拱形截面，冬季则可通过人为加置顶棚来降低屋顶高度，减少进风量及提高室内温度。

4.站台天窗加设遮阳板对于站内平均风速值并无影响，而长向百叶平均温度降低 1.24℃，对于站台区平均温度的降低有明显作用，温度的降低使得平均 PMV值降低约 8.7％，有效改善了站内热舒适。与设置高侧窗相比，两者优化后效果几乎相同，又考虑到上地站实际情况，直接在现有天窗上加置长向百叶比设置高侧窗更加节约成本。

5.由模拟结果得知，站台封闭玻璃幕开启侧窗在20%的开启率内效果较为明显效果，平均温度降低1.57℃。开启率再增大时，效果变化微弱，且增加成本。因此，在一定的开启率内，会大大提升站内平均风速值，对于站台区平均温度的降低有明显作用，有效改善了站内热舒适，证明开启站台侧窗大大提升乘客热舒适。且在侧窗加百叶，虽然对风速无影响，但可以大幅度降低站台内温度，对提升站台空间舒适度极为有效。

6.针对地上站本身的热舒适问题提出合理改造站台截面尺度、天窗加置遮阳构件及改变侧窗开启率等舒适改造措施，通过不同热舒适改造方案的对比得出最佳的改造方案可将夏季平均温度降低 3.57℃，平均风速提高了约11％，PMV 值降低 0.77，与实测情况相比均能达到相对较好的热舒适改善效果。但在夏季最不利工况时，对于风速场和舒适度的改善也还是比较有限，乘客在站台的舒适度还较为差。因此，站台设置空调室变得更为必要。

希望本文研究的内容和结论能够为后续进一步的研究探索和实际操作提供一定指导帮助，也希望有越来越多的研究者能够关注轨道交通类建筑的绿色生态化设计，关注使用者需求和舒适度感受，给使用者营造一个安全、健康、舒适的站内环境。

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