相變材料公交候車(chē)亭的優(yōu)化設(shè)計(jì)
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摘要：公交乘客候車(chē)體驗(yàn)與公交服務(wù)水平直接相關(guān)，運(yùn)用相變材料改造公交候車(chē)亭，通過(guò)吸收外界的熱量和釋放自身的熱量調(diào)節(jié)候車(chē)亭內(nèi)的溫度，形成其內(nèi)部的“小氣候”。同時(shí)，對(duì)公交候車(chē)亭進(jìn)行基于人因考量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合改善公交乘客的候車(chē)環(huán)境。選定CaCl2•6H2O為相變材料，計(jì)算得到候車(chē)亭室內(nèi)空氣發(fā)生1℃的溫度變化時(shí)，相變保溫砂漿需放出或吸收1036.33kJ的熱量，所需相變材料質(zhì)量為5.76kg，從而形成候車(chē)亭內(nèi)趨近28.1℃的候車(chē)環(huán)境。
關(guān)鍵詞：相變材料；公交候車(chē)亭；溫度調(diào)節(jié)；候車(chē)環(huán)境
發(fā)展城市公共交通不僅能夠緩解城市交通擁堵的情況，也能改善城市人居環(huán)境，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展[1]。城市公交發(fā)達(dá)水平不僅體現(xiàn)在乘車(chē)的便捷性上，還體現(xiàn)在候車(chē)過(guò)程的舒適程度上，乘客候車(chē)的心情愉悅程度在很大程度上會(huì)受到公交站點(diǎn)環(huán)境和秩序的影響。公共汽車(chē)是公共交通的重要組成部分，作為公共交通載體的一部分，它承擔(dān)著人們?nèi)粘３鲂械闹厝危瑢?duì)人們生活的影響顯而易見(jiàn)，不論是在學(xué)習(xí)、工作上，還是娛樂(lè)上，公交車(chē)都是人們出行的重要選擇[2]。在實(shí)際生活中，許多公交站臺(tái)存在候車(chē)環(huán)境差、服務(wù)水平低等問(wèn)題，比如公交站臺(tái)太小，不能很好的遮風(fēng)避雨；酷暑時(shí)候車(chē)環(huán)境炎熱，冬天則較為寒冷。但是，如果為每個(gè)公交站都安裝空調(diào)，改善乘客的候車(chē)體驗(yàn)，則成本高昂。城市公共交通系統(tǒng)的發(fā)展水平與城市建設(shè)水平緊密相關(guān)，公交站臺(tái)和候車(chē)亭是城市品位及其“親和度”的直接體現(xiàn)[3]。著眼于建筑材料的革新，在節(jié)能環(huán)保的條件下提高人們的候車(chē)舒適度，運(yùn)用相變材料改造公交候車(chē)亭，提升公交候車(chē)亭環(huán)境的舒適程度，能夠增強(qiáng)公共交通的吸引力，促進(jìn)公交優(yōu)先實(shí)際落地。近年來(lái)，開(kāi)發(fā)適宜的相變材料，明確相變溫度，得到了人們的高度關(guān)注，許多相變材料都投入到實(shí)際運(yùn)用中，取得了良好的效果[4]。選用CaCl2•6H2O這種相變材料，其相變溫度點(diǎn)為22～28℃，接近于人體舒適溫度，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，適用于城市公交候車(chē)亭的大規(guī)模改造工程。
1公交候車(chē)亭的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化
出于人性化考慮，公交候車(chē)亭的優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要的。在現(xiàn)實(shí)生活中，許多候車(chē)亭不能為人們遮陽(yáng)避雨，人們候車(chē)時(shí)難以抵擋酷暑與嚴(yán)寒，且空間狹小。特別是在不良天氣條件下，經(jīng)常出現(xiàn)擁擠的情況，導(dǎo)致許多乘客“站外候車(chē)”，候車(chē)秩序混亂，公交服務(wù)水平低下。基于人因工程學(xué)的考量，理想的公交候車(chē)亭尺寸如下：候車(chē)亭棚頂高度：我國(guó)99%的成年男子中指指尖上舉高在230.9cm以下，考慮到極端身高個(gè)體性差異，可將候車(chē)亭高度建到245cm左右[5]。候車(chē)亭寬度：考慮到站點(diǎn)客流比較大，候車(chē)亭內(nèi)容納3排乘客。人體男性胸厚最大約261mm，女性最大約260mm，近體學(xué)的個(gè)人距離近段約為60cm，總寬約為1.98m[6]。候車(chē)亭長(zhǎng)度：根據(jù)該站點(diǎn)的乘車(chē)需求大小而定，取8m。頂棚形狀：采用前高后低的形狀，使雨水盡量往后側(cè)排出，以充分保障乘客的避雨環(huán)境。頂棚上加層：距離棚頂5cm。我國(guó)夏季炎熱地區(qū)，如重慶的地面溫度經(jīng)常達(dá)到50℃以上，金屬板面溫度更高，所以，可以在候車(chē)亭頂棚設(shè)置空氣加層，以阻礙棚頂高溫傳遞。頂棚下加層：與棚頂距離20cm，采用Q460高強(qiáng)度鋼板，其廣泛用于大型船舶、橋梁等大型工程結(jié)構(gòu)和載荷比較大的輕型結(jié)構(gòu)，以承載棚頂相變材料的負(fù)荷。相變材料安置盒：采用強(qiáng)度稍低的普通建筑鋼板，根據(jù)候車(chē)亭尺寸做成頂部帶蓋可開(kāi)關(guān)的長(zhǎng)方體，內(nèi)層鋪滿導(dǎo)熱橡膠，將相變材料安置在內(nèi)，定期檢查和更換，外面安裝滑輪，便于取出，平時(shí)可鎖住。相變材料安置盒。兩側(cè)與后墻運(yùn)用相變材料改造，前面敞開(kāi)露天部分可采用透明門(mén)簾遮擋、保溫，并在中間留有入口。相變制冷不同于空調(diào)制冷，其物理狀態(tài)會(huì)隨著溫度的變化不停變化，不斷吸收或者釋放并且存儲(chǔ)熱量。候車(chē)亭的概念設(shè)計(jì)如，半封閉式候車(chē)亭設(shè)計(jì)。
2基于相變材料的候車(chē)亭溫度調(diào)節(jié)
2.1相變材料的選擇
在選擇相變材料時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容：①相變材料必須具有較大的儲(chǔ)能容量，且產(chǎn)生單位相變熱量變化時(shí)體積變化也比較小。②特定的相變溫度必須適合具體的應(yīng)用要求。對(duì)于公交候車(chē)亭的改造，站在乘客的角度來(lái)說(shuō)，相變溫度最好保持在20～28℃之間，在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，人的舒適度比較好，有利于人體機(jī)能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。③相變材料必須具有適宜的傳導(dǎo)系數(shù)，大多數(shù)情況下能夠快速吸收、釋放熱量。④必須具有正確的相變過(guò)程，其過(guò)程必須完全可逆，且熱量變化的方向僅僅以溫度決定。⑤相變材料必須具有良好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性，無(wú)毒無(wú)污染、安全、可靠，可反復(fù)循環(huán)使用，壽命長(zhǎng)。⑥原料來(lái)源廣泛，成本比較低，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單。在無(wú)機(jī)相變材料中，對(duì)于硫酸鈉、醋酸鈉、磷酸鹽類(lèi)物質(zhì)，其相變溫度高于30℃，不符合用于公交候車(chē)亭改造的溫度要求；在有機(jī)相變材料中，石蠟當(dāng)中正十七烷的相變溫度為22℃，比較理想，但是，其易燃且制取正十七烷的成本比較高[7]。石蠟受熱易膨脹，用于長(zhǎng)期處于露天室外環(huán)境的公交候車(chē)亭來(lái)說(shuō)不耐久，易損壞。各脂肪酸類(lèi)相變材料同樣由于相變溫度點(diǎn)不適宜，所以，不被廣泛使用。而其他復(fù)合及其高分子材料價(jià)格昂貴，成本比較高，大規(guī)模使用不經(jīng)濟(jì)。綜合對(duì)比各種類(lèi)型的相變材料，最終選用成本比較低、工藝簡(jiǎn)單、相變潛熱也比較大（180J/g）的CaCl2•6H2O作為相變材料。CaCl2•6H2O的熔點(diǎn)為29℃，密度為1.7g/cm3，是一種無(wú)機(jī)、固液型、低溫的相變材料，無(wú)污染、無(wú)腐蝕、安全無(wú)毒，其相變溫度最接近于人體舒適的溫度，比溫度適宜的有機(jī)正烷烴制備成本低，工藝更簡(jiǎn)單。但是，氯化鈣的含水鹽存在過(guò)冷現(xiàn)象，即降溫過(guò)程的相變溫度低于升溫過(guò)程的相變溫度，需添加防過(guò)冷劑，使其更接近于室溫
2.2相變候車(chē)亭的工作過(guò)程
由相關(guān)文獻(xiàn)可知，加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的Ba（OH）2作為防過(guò)冷劑的CaCl2•6H2O，在28.1℃，即常溫下，室溫低于其相變溫度點(diǎn)，墻體內(nèi)的六水氯化鈣為固體[9]。當(dāng)亭內(nèi)溫度高于28.1℃，相變材料開(kāi)始從環(huán)境中吸熱，隨著熱量的漸漸積累，CaCl2•6H2O晶體開(kāi)始由固態(tài)向液態(tài)發(fā)生相變，使亭內(nèi)的溫度慢慢趨近于28.1℃這一較為舒適的溫度；反之，當(dāng)溫度低于28.1℃，CaCl2•6H2O儲(chǔ)蓄的能量開(kāi)始釋放，大量的相變熱轉(zhuǎn)移到環(huán)境中，使候車(chē)亭內(nèi)的溫度升高。整個(gè)
2.3相變候車(chē)亭的溫度調(diào)節(jié)效能
此前假設(shè)的公交候車(chē)亭長(zhǎng)8m，寬1.98m，高2.45m，相變砂漿厚度0.02m，得到熱量計(jì)算公式為[8]：Q＝Cp1×m1×△θ＋Cp2×m2×△θ.（1）式（1）中：Q為相變保溫砂漿放出或者吸收的熱量；Cp1和Cp2分別為干燥空氣、相變砂漿的比熱容；m1和m2分別為干燥空氣、相變砂漿的質(zhì)量；△θ為室內(nèi)空氣溫度變化。質(zhì)量計(jì)算公式為：.HQm（2）式（2）中：m為所需相變材料質(zhì)量；H為相變潛熱。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，干燥空氣的密度P空為1.293kg/m3，當(dāng)溫度為26.85℃時(shí)，空氣的定壓比熱容C1空為1.005kJ/（kg•K）。假定混合砂漿干密度P砂為1300kg/m3，比熱容C1砂為0.84kJ/（kg•K），將相關(guān)數(shù)值帶入公式（1）（2）中，可得：Q＝1.005×1.293×1×38.808m3＋1300×0.84×0.02×（1.98×2.45×2＋8×1.98＋8×2.45）≈1036.33kJ。m＝1036.33/180≈5.76kg。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到候車(chē)亭室內(nèi)空氣發(fā)生1℃的溫度變化，相變保溫砂漿需放出或吸收的熱量為1036.33kJ，六水氯化鈣相變材料的相變潛熱為180kJ/kg，所需相變材料質(zhì)量為5.76kg。由此可知，改建一個(gè)公交候車(chē)亭，其升高或降低1℃需5.76kg六水氯化鈣相變材料。在重慶，假設(shè)室內(nèi)最高溫度為40℃，當(dāng)溫度從40℃降到28.1℃時(shí)，需要密度為1.7g/cm3的CaCl2•6H2O68.554kg，算得其需要的體積為0.04m3。排除兩側(cè)墻體相變材料，頂部預(yù)備的相變材料空間為3.2m3，足以容納且還有大幅剩余。
3相變公交候車(chē)亭的維護(hù)
在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，如果溫度一直比較高，相變材料的量不足以滿足不斷制冷或制熱的要求，則需要人員每天定時(shí)檢查、更換并維護(hù)，將已經(jīng)完全變化且不能通過(guò)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)回原狀態(tài)的相變材料回收且進(jìn)行降溫處理，并為公交亭內(nèi)加入新的相變材料，以滿足其溫度調(diào)節(jié)的要求。在公交站臺(tái)旁邊建一個(gè)體積為1.5m3的地窖，在維護(hù)過(guò)程中，人工將溫度過(guò)高的材料放到地窖里面自然降溫。在實(shí)際工作中，可以將此任務(wù)外包給有此意愿的相變材料生產(chǎn)企業(yè)，在生產(chǎn)的同時(shí)派出人員維護(hù)，工資從新增客流公交費(fèi)里抽取一部分提成，使候車(chē)亭的整個(gè)鏈條形成良性循環(huán)。這樣做，生產(chǎn)企業(yè)不僅提高了材料的銷(xiāo)量，還促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)效益的提升，同時(shí)，公共交通部門(mén)也促進(jìn)了就業(yè)，造福于社會(huì)，以此解決溫度調(diào)節(jié)的“續(xù)航”問(wèn)題。
4結(jié)束語(yǔ)
相變材料壽命長(zhǎng)，來(lái)源廣泛，成本比較低，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，相變時(shí)，能夠快速吸收、釋放熱量，剛好可以滿足調(diào)節(jié)候車(chē)亭溫度的需要，比較實(shí)用。將相變材料運(yùn)用到候車(chē)亭上，在候車(chē)亭的自身設(shè)計(jì)構(gòu)造上做出更合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足選擇公交出行的乘客的需求，讓他們有良好的體驗(yàn)。雖然城市公交候車(chē)亭改建成本比較高，涉及因素比較多，大規(guī)模推廣困難，但是，仍可在旅游區(qū)、景區(qū)、CBD客流比較大的區(qū)域進(jìn)行局部改善，為人們的觀光、娛樂(lè)、休閑活動(dòng)提供與之相匹配的一體化服務(wù)，讓人們有良好的出行體驗(yàn)。
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作者:毛宏黎 單位:重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院