相变材料公交候车亭的优化设计

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摘要：公交乘客候车体验与公交服务水平直接相关，运用相变材料改造公交候车亭，通过吸收外界的热量和释放自身的热量调节候车亭内的温度，形成其内部的“小气候”。同时，对公交候车亭进行基于人因考量的优化设计，综合改善公交乘客的候车环境。选定CaCl2•6H2O为相变材料，计算得到候车亭室内空气发生1℃的温度变化时，相变保温砂浆需放出或吸收1036.33kJ的热量，所需相变材料质量为5.76kg，从而形成候车亭内趋近28.1℃的候车环境。

关键词：相变材料；公交候车亭；温度调节；候车环境

发展城市公共交通不仅能够缓解城市交通拥堵的情况，也能改善城市人居环境，促进城市可持续发展[1]。城市公交发达水平不仅体现在乘车的便捷性上，还体现在候车过程的舒适程度上，乘客候车的心情愉悦程度在很大程度上会受到公交站点环境和秩序的影响。公共汽车是公共交通的重要组成部分，作为公共交通载体的一部分，它承担着人们日常出行的重任，对人们生活的影响显而易见，不论是在学习、工作上，还是娱乐上，公交车都是人们出行的重要选择[2]。在实际生活中，许多公交站台存在候车环境差、服务水平低等问题，比如公交站台太小，不能很好的遮风避雨；酷暑时候车环境炎热，冬天则较为寒冷。但是，如果为每个公交站都安装空调，改善乘客的候车体验，则成本高昂。城市公共交通系统的发展水平与城市建设水平紧密相关，公交站台和候车亭是城市品位及其“亲和度”的直接体现[3]。着眼于建筑材料的革新，在节能环保的条件下提高人们的候车舒适度，运用相变材料改造公交候车亭，提升公交候车亭环境的舒适程度，能够增强公共交通的吸引力，促进公交优先实际落地。近年来，开发适宜的相变材料，明确相变温度，得到了人们的高度关注，许多相变材料都投入到实际运用中，取得了良好的效果[4]。选用CaCl2•6H2O这种相变材料，其相变温度点为22～28℃，接近于人体舒适温度，生产工艺简单，成本低廉，适用于城市公交候车亭的大规模改造工程。

1公交候车亭的结构形式优化

出于人性化考虑，公交候车亭的优化设计是非常重要的。在现实生活中，许多候车亭不能为人们遮阳避雨，人们候车时难以抵挡酷暑与严寒，且空间狭小。特别是在不良天气条件下，经常出现拥挤的情况，导致许多乘客“站外候车”，候车秩序混乱，公交服务水平低下。基于人因工程学的考量，理想的公交候车亭尺寸如下：候车亭棚顶高度：我国99%的成年男子中指指尖上举高在230.9cm以下，考虑到极端身高个体性差异，可将候车亭高度建到245cm左右[5]。候车亭宽度：考虑到站点客流比较大，候车亭内容纳3排乘客。人体男性胸厚最大约261mm，女性最大约260mm，近体学的个人距离近段约为60cm，总宽约为1.98m[6]。候车亭长度：根据该站点的乘车需求大小而定，取8m。顶棚形状：采用前高后低的形状，使雨水尽量往后侧排出，以充分保障乘客的避雨环境。顶棚上加层：距离棚顶5cm。我国夏季炎热地区，如重庆的地面温度经常达到50℃以上，金属板面温度更高，所以，可以在候车亭顶棚设置空气加层，以阻碍棚顶高温传递。顶棚下加层：与棚顶距离20cm，采用Q460高强度钢板，其广泛用于大型船舶、桥梁等大型工程结构和载荷比较大的轻型结构，以承载棚顶相变材料的负荷。相变材料安置盒：采用强度稍低的普通建筑钢板，根据候车亭尺寸做成顶部带盖可开关的长方体，内层铺满导热橡胶，将相变材料安置在内，定期检查和更换，外面安装滑轮，便于取出，平时可锁住。相变材料安置盒。两侧与后墙运用相变材料改造，前面敞开露天部分可采用透明门帘遮挡、保温，并在中间留有入口。相变制冷不同于空调制冷，其物理状态会随着温度的变化不停变化，不断吸收或者释放并且存储热量。候车亭的概念设计如，半封闭式候车亭设计。

2基于相变材料的候车亭温度调节

2.1相变材料的选择

在选择相变材料时，要注意以下几点内容：①相变材料必须具有较大的储能容量，且产生单位相变热量变化时体积变化也比较小。②特定的相变温度必须适合具体的应用要求。对于公交候车亭的改造，站在乘客的角度来说，相变温度最好保持在20～28℃之间，在这个温度区间内，人的舒适度比较好，有利于人体机能的正常运转。③相变材料必须具有适宜的传导系数，大多数情况下能够快速吸收、释放热量。④必须具有正确的相变过程，其过程必须完全可逆，且热量变化的方向仅仅以温度决定。⑤相变材料必须具有良好的化学和物理稳定性，无毒无污染、安全、可靠，可反复循环使用，寿命长。⑥原料来源广泛，成本比较低，生产工艺简单。在无机相变材料中，对于硫酸钠、醋酸钠、磷酸盐类物质，其相变温度高于30℃，不符合用于公交候车亭改造的温度要求；在有机相变材料中，石蜡当中正十七烷的相变温度为22℃，比较理想，但是，其易燃且制取正十七烷的成本比较高[7]。石蜡受热易膨胀，用于长期处于露天室外环境的公交候车亭来说不耐久，易损坏。各脂肪酸类相变材料同样由于相变温度点不适宜，所以，不被广泛使用。而其他复合及其高分子材料价格昂贵，成本比较高，大规模使用不经济。综合对比各种类型的相变材料，最终选用成本比较低、工艺简单、相变潜热也比较大（180J/g）的CaCl2•6H2O作为相变材料。CaCl2•6H2O的熔点为29℃，密度为1.7g/cm3，是一种无机、固液型、低温的相变材料，无污染、无腐蚀、安全无毒，其相变温度最接近于人体舒适的温度，比温度适宜的有机正烷烃制备成本低，工艺更简单。但是，氯化钙的含水盐存在过冷现象，即降温过程的相变温度低于升温过程的相变温度，需添加防过冷剂，使其更接近于室温

2.2相变候车亭的工作过程

由相关文献可知，加入了质量分数为3%的Ba（OH）2作为防过冷剂的CaCl2•6H2O，在28.1℃，即常温下，室温低于其相变温度点，墙体内的六水氯化钙为固体[9]。当亭内温度高于28.1℃，相变材料开始从环境中吸热，随着热量的渐渐积累，CaCl2•6H2O晶体开始由固态向液态发生相变，使亭内的温度慢慢趋近于28.1℃这一较为舒适的温度；反之，当温度低于28.1℃，CaCl2•6H2O储蓄的能量开始释放，大量的相变热转移到环境中，使候车亭内的温度升高。整个

2.3相变候车亭的温度调节效能

此前假设的公交候车亭长8m，宽1.98m，高2.45m，相变砂浆厚度0.02m，得到热量计算公式为[8]：Q＝Cp1×m1×△θ＋Cp2×m2×△θ.（1）式（1）中：Q为相变保温砂浆放出或者吸收的热量；Cp1和Cp2分别为干燥空气、相变砂浆的比热容；m1和m2分别为干燥空气、相变砂浆的质量；△θ为室内空气温度变化。质量计算公式为：.HQm（2）式（2）中：m为所需相变材料质量；H为相变潜热。在标准状况下，干燥空气的密度P空为1.293kg/m3，当温度为26.85℃时，空气的定压比热容C1空为1.005kJ/（kg•K）。假定混合砂浆干密度P砂为1300kg/m3，比热容C1砂为0.84kJ/（kg•K），将相关数值带入公式（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。经过计算，得到候车亭室内空气发生1℃的温度变化，相变保温砂浆需放出或吸收的热量为1036.33kJ，六水氯化钙相变材料的相变潜热为180kJ/kg，所需相变材料质量为5.76kg。由此可知，改建一个公交候车亭，其升高或降低1℃需5.76kg六水氯化钙相变材料。在重庆，假设室内最高温度为40℃，当温度从40℃降到28.1℃时，需要密度为1.7g/cm3的CaCl2•6H2O68.554kg，算得其需要的体积为0.04m3。排除两侧墙体相变材料，顶部预备的相变材料空间为3.2m3，足以容纳且还有大幅剩余。

3相变公交候车亭的维护

在实际运营过程中，如果温度一直比较高，相变材料的量不足以满足不断制冷或制热的要求，则需要人员每天定时检查、更换并维护，将已经完全变化且不能通过温度自动调节回原状态的相变材料回收且进行降温处理，并为公交亭内加入新的相变材料，以满足其温度调节的要求。在公交站台旁边建一个体积为1.5m3的地窖，在维护过程中，人工将温度过高的材料放到地窖里面自然降温。在实际工作中，可以将此任务外包给有此意愿的相变材料生产企业，在生产的同时派出人员维护，工资从新增客流公交费里抽取一部分提成，使候车亭的整个链条形成良性循环。这样做，生产企业不仅提高了材料的销量，还促进了经济效益的提升，同时，公共交通部门也促进了就业，造福于社会，以此解决温度调节的“续航”问题。

4结束语

相变材料寿命长，来源广泛，成本比较低，生产工艺简单，相变时，能够快速吸收、释放热量，刚好可以满足调节候车亭温度的需要，比较实用。将相变材料运用到候车亭上，在候车亭的自身设计构造上做出更合理的优化设计，以满足选择公交出行的乘客的需求，让他们有良好的体验。虽然城市公交候车亭改建成本比较高，涉及因素比较多，大规模推广困难，但是，仍可在旅游区、景区、CBD客流比较大的区域进行局部改善，为人们的观光、娱乐、休闲活动提供与之相匹配的一体化服务，让人们有良好的出行体验。

参考文献：

［1］董宏伟，王磊.美国新城市主义指导下的公交导向发展：批判与反思［J］.国际城市规划，2008（02）：67-72.

［2］GehlJ，GemzøeL.Publicspaces，publiclife.HowtoStudyPublicLife，1996，2（1）：.

［3］薛慧聪.体现城市特色的公交候车亭设计［J］.四川建筑，2012（03）：288-289.

［4］李畅，刘广绵.浅析城市公交候车亭的优化设计［J］.艺术与设计（理论），2011（05）：116-118.

［5］李伟.应用人机工程学研究［D］.上海：东华大学，2006.

［6］张馨月.公交车候车亭的人性化设计应用研究［D］.长春：吉林大学，2013.

［7］张亮，晏华，余荣升，等.相变材料的研究进展及其在建筑领域的应用综述［J］.材料开发与应用，2010（01）：69-73.

［8］胡芃，卢大杰，赵盼盼，等.组合式相变材料最佳相变温度的热力学分析［J］.化工学报，2013（07）：2322-2327.

［9］谢望平，汪南，朱冬生，等.相变材料强化传热研究进展［J］.化工进展，2008（02）：190-195.

作者:毛宏黎 单位:重庆交通大学交通运输学院