鐵路旅客站房高大空間冬季熱環(huán)境測試與分析

于靖華 楊清晨 田利偉 郭 輝 郭旭暉 莊煒茜

鐵路旅客站房高大空間冬季熱環(huán)境測試與分析

于靖華1楊清晨1田利偉2郭 輝2郭旭暉2莊煒茜2

（1.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430074；2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 武漢 430063）

針對夏熱冬冷地區(qū)鐵路旅客站房冬季室內(nèi)的熱環(huán)境問題，以武漢某鐵路站房為調(diào)研對象，進行候車區(qū)高大空間開口尺寸、滲透風(fēng)量和溫度分布進行實地調(diào)研。結(jié)果表明，調(diào)研時段站房總滲透風(fēng)量達到61.2萬m3/h，折合換氣次數(shù)為2.1次/h，其中高架候車室滲透風(fēng)量為54.7萬m3/h，折合換氣次數(shù)為2.0次/h，整個站房單位空調(diào)面積滲透風(fēng)熱負(fù)荷為68.5W/m2，高大空間下部候車區(qū)溫度為15.0℃，頂部溫度為20.0℃，上下溫差為5℃，調(diào)研結(jié)果為站房運行節(jié)能提供了技術(shù)參考。

高大空間；分層空調(diào)；熱負(fù)荷；溫度梯度；測試

0 引言

目前鐵路站房、航站樓、會展中心等高大空間普遍采用分層空調(diào)系統(tǒng)[1-5]，從運行效果來看，該送風(fēng)方式通?？梢詽M足站房的空調(diào)采暖需求[6-9]。但部分站房特別是跨線高架站房運營過程反映，冬季室內(nèi)人員活動區(qū)局部區(qū)域溫度偏低，無法滿足室內(nèi)的熱舒適性要求[10,11]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，冬季采用噴口側(cè)送熱風(fēng)時，由于送風(fēng)距離較大，且候車廳底部存在多處與室外連通的通道，導(dǎo)致大量室外無組織滲風(fēng)進入室內(nèi)，加之熱浮力的影響，室內(nèi)豎向溫度梯度加劇，造成高大空間底部人員活動區(qū)域溫度偏低，熱舒適性較差。

針對這一問題，本文以武漢某一特大型鐵路旅客站房為例，進行現(xiàn)場調(diào)研測試，獲得鐵路站房候車廳冬季供暖時段的滲透風(fēng)量與高大空間熱環(huán)境特性，為站房運營和高大空間空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。

1 工程概況

選取武漢某特大型鐵路旅客站房作為調(diào)研對象，其高架候車廳屬于典型的高大空間?；疖囌揪唧w布局如圖1所示，根據(jù)建筑圖紙統(tǒng)計得到各樓層高度、面積及功能，具體見表1。該火車站采取地上候車，上進下出的方式，站房為南北朝向，地下一層為地下進站集散廳（4184m2）；一層除售票廳外設(shè)有南站房進站集散廳（1913m2）、普通候車室（1880m2）、一樓貴賓候車室（3120m2）和北站房進站集散廳（4712m2）；二層設(shè)有母嬰候車室（808m2），高架候車室（18216m2）等。

高架候車室長198m，寬92m，屋頂為拱形，最高端距離地面為18m，最低端距離地面13m，是典型的高大空間。高大空間上部寬度為92m，面積為198m×92m=18216m2；高度4m以下，兩端各有進深為13m的商鋪。

圖1 站房平面示意

表1 建筑各樓層高度、面積及功能

2 冬季室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)研測試

2.1 調(diào)研測試內(nèi)容及測點布置

測試時間為2016年12月25日，調(diào)研測試的主要內(nèi)容包括以下幾方面：

（1）高架候車室高大空間頂部溫度分布；

（2）送風(fēng)口溫度及風(fēng)速；

（3）室內(nèi)空氣溫度，包括①地下進站廣廳、②南站房進站廣廳、③中央通道、④高架候車室、⑤北站房進站廣廳；

（4）無組織滲透風(fēng)量，包括①高架候車廳檢票口、②南站房進站廣廳主進站口、③地下一層通往南站房進站廣廳樓梯口、④中央通道至高架候車室通道口、⑤北站房進站廣廳至高架候車室通道口；

（5）室外風(fēng)速和溫度；

（6）圍護結(jié)構(gòu)類型及開窗情況。

2.2 測試儀器及校核

測試過程采用12臺ZDR溫度記錄儀，2臺Swema溫度傳感器HC2-s，4臺TSI多功能風(fēng)速儀，各儀器的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 測量儀器技術(shù)參數(shù)

測試前對各儀器進行校核和標(biāo)定，首先將所有儀器進行編號，并將國際Swema公司標(biāo)定的溫度傳感器HC2-s之一作為對比儀器，所有儀器測量同一位置同一段時間內(nèi)的空氣溫度變化，采用穩(wěn)定時段的數(shù)據(jù)，繪制其它儀器與對比儀器之間的關(guān)系曲線，得到擬合公式，作為測試結(jié)果的修正公式，將其它儀器的測試結(jié)果進行修正。

3 調(diào)研測試結(jié)果與分析

3.1 滲透風(fēng)量測量結(jié)果

采用TSI多功能熱球風(fēng)速儀測試室外及各開口的風(fēng)速，室外及各區(qū)域溫度，測得不同開口處室外溫度在7.3~7.8℃之間。

站房對外開口位置主要包括地下進站口、南北進站口、高架檢票口、高側(cè)窗及未知縫隙。對于站房底部的進風(fēng)開口，可以通過測試準(zhǔn)確獲得；對于高處的開口及未知縫隙，無法準(zhǔn)確獲知，因此表3僅對底部進風(fēng)口的測試結(jié)果進行統(tǒng)計。

表3 各進風(fēng)開口測試結(jié)果統(tǒng)計

注：*排風(fēng)主要是由于高側(cè)窗開啟，風(fēng)壓和熱壓引起；排風(fēng)溫度為所能測得的開口的排風(fēng)溫度平均值。

測試結(jié)果表明，整個站房的滲透風(fēng)路徑為：地下進站廳和南站房進站口進來的滲透風(fēng)被空調(diào)系統(tǒng)加熱后一部分由南站房高側(cè)窗流出，一部分進入到二層高架候車室；由北站房進站口進入的滲透風(fēng)經(jīng)由北側(cè)通道進入高架候車室；高架候車室還存在通過東、西兩側(cè)檢票口進入的滲透風(fēng)；還有部分滲透風(fēng)最終被加熱到17.9℃，并由東、西高側(cè)窗及縫隙滲透至室外。

站房公共區(qū)總滲透風(fēng)量為61.2萬m3/h，折合換氣次數(shù)為2.1次/h；高架候車室滲透風(fēng)量為54.7萬m3/h，折合換氣次數(shù)為2.0次/h。測試時段站房的主導(dǎo)風(fēng)向為北向，主要滲透風(fēng)口為北站房進風(fēng)量最大（即通過高架北側(cè)通道進入的風(fēng)量），占總滲透風(fēng)量的43.3%，其次是南站房，占總滲透風(fēng)量的37.6%，高架層的東、西檢票口雖然位于候車廳兩側(cè)，但兩部分滲透風(fēng)量之和占比僅為19.1%。

3.2 高大空間溫度分布測量結(jié)果

高大空間溫度主要包括檢票口滲透風(fēng)溫度、噴口送風(fēng)溫度、候車區(qū)不同高度的溫度梯度。其中噴口設(shè)置于高架候車室兩側(cè)商業(yè)夾層，采用熱線風(fēng)速儀對216個噴口的送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度進行測試，結(jié)果表明送風(fēng)口的平均溫度為40.4℃，平均速度為7.32m/s；東、西兩側(cè)檢票口處的滲透風(fēng)溫度分別為7.8℃和7.7℃。

候車室高大空間高度為18m，從屋頂馬道向下懸掛溫度記錄儀，高度上每隔1m設(shè)置一處監(jiān)測點，下部6m高度以內(nèi)采用Swema溫度傳感器固定在伸縮桿上的方法進行實時測量，高大空間溫度梯度布點如圖2所示。取20:00-21:00之間的數(shù)據(jù)進行分析，測試結(jié)果如圖3所示。

圖2 高大空間溫度梯度測試

圖3 高大空間溫度梯度分布

測試結(jié)果表明，高大空間底部空氣溫度為15.0℃，近地面處溫升隨高度變化較快，在6m以下近似線性增加，該部分區(qū)域主要受滲透風(fēng)影響；6~12m高度之間溫度緩慢增加，由18.5℃增加到20℃左右；當(dāng)高度達到12m以上時，溫度趨于一致，16m高度處的溫度最高，達到20.0℃，在17~18m處溫度稍低，這是因為吊頂上部的馬道夾層溫度偏低，存在通過吊頂縫隙的冷熱交換；整個高架候車廳底部和頂部之間溫差為5℃。

3.3 滲透風(fēng)負(fù)荷特性分析

根據(jù)測試的滲透風(fēng)量、滲透風(fēng)溫度，及各區(qū)域溫度，計算滲透風(fēng)熱負(fù)荷，計算結(jié)果如表4所示。

統(tǒng)計結(jié)果表明，測試階段站房滲透風(fēng)引起的總熱負(fù)荷為2122kW，折合成整個站房單位空調(diào)面積滲透風(fēng)熱負(fù)荷為68.5W/m2，其中高架候車廳單位空調(diào)面積滲透風(fēng)熱負(fù)荷為56.1W/ m2。此時對應(yīng)的室外溫度為7.3~7.8℃；如果室外溫度降低至武漢地區(qū)空調(diào)室外計算溫度-2.6℃，則滲透風(fēng)引起的總熱負(fù)荷將達到4220kW，折合成整個站房單位空調(diào)面積滲透風(fēng)熱負(fù)荷為136.2W/m2。

表4 各開口參數(shù)

注：*高架通道（南）為內(nèi)部通道，其風(fēng)量由地下集散廳進站口和南站房引起進站口引起，僅用于統(tǒng)計高架候車廳的滲透風(fēng)熱負(fù)荷，計算站房滲透風(fēng)總熱負(fù)荷時無需再計入。

3.4 站房運營過程存在的問題

調(diào)研過程發(fā)現(xiàn)站房運營時存在一定的不合理現(xiàn)象，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）兩側(cè)商業(yè)夾層處的高側(cè)窗全年處于開啟狀態(tài)，對于空調(diào)期和過渡季節(jié)，高側(cè)窗的開啟，可以將候車廳上部的熱量排至室外，提高候車區(qū)的熱舒適性，而冬季則會加大風(fēng)壓和熱壓的作用，空調(diào)噴口送出的熱風(fēng)無法達到人員活動區(qū)。

圖4 高側(cè)窗開啟

（2）空調(diào)機組新風(fēng)閥未完全關(guān)閉。對于一般民用建筑，空調(diào)系統(tǒng)需滿足室內(nèi)人員的新風(fēng)要求，而對于鐵路旅客站房，由于進站口、檢票口等長時間處于開啟狀態(tài)，無組織滲透風(fēng)能夠滿足新風(fēng)要求，因此空調(diào)系統(tǒng)不需要設(shè)置新風(fēng)。

（3）空調(diào)系統(tǒng)運行維護有待提高，如檢票口處的風(fēng)幕機處于關(guān)閉狀態(tài)、部分空調(diào)機組的送風(fēng)參數(shù)沒有達到設(shè)計要求、回風(fēng)口被商業(yè)用房設(shè)備遮擋等現(xiàn)象較為明顯。

4 結(jié)論

分層空調(diào)是夏熱冬冷地區(qū)鐵路站房普遍采用的空調(diào)系統(tǒng)形式，該空調(diào)系統(tǒng)形式在冬季供暖時段存在一定弊端，部分站房旅客反映冬季空調(diào)效果較差，因此本文針對武漢某特大型鐵路旅客站房進行了冬季熱環(huán)境調(diào)研測試，結(jié)果表明：

（1）由于鐵路站房的功能特征，進站口和檢票口長期處于開啟狀態(tài)，導(dǎo)致冬季滲透風(fēng)量較大，滲透風(fēng)換氣次數(shù)可達2次/h以上，測試階段滲透風(fēng)引起的單位面積熱負(fù)荷達到68.5W/m2，折算成冬季空調(diào)室外計算溫度時則達到136.2W/m2，該部分熱負(fù)荷應(yīng)引起足夠重視。

（2）冬季采用分層空調(diào)進行供暖時，受底部滲透風(fēng)的影響，噴口熱風(fēng)在風(fēng)壓和熱壓作用下，熱量上浮至站房頂部，底部溫度在15℃左右，頂部溫度可達到20℃，頂部熱量最終通過高側(cè)窗和屋頂散失到室外，造成熱量的損失。

（3）空調(diào)機組冬季供熱時段新風(fēng)閥應(yīng)關(guān)閉，以減少新風(fēng)負(fù)荷；同時站房應(yīng)提高密閉性，如開啟檢票口處的風(fēng)幕機，關(guān)閉站房高側(cè)窗等，達到降低滲透風(fēng)負(fù)荷的目的，提高站房候車區(qū)的熱舒適性。

[1] 彭建斌,張從麗,王疆.新疆國際會展中心分層空調(diào)設(shè)計與模擬[J].暖通空調(diào),2017,47(4):73-77.

[2] 張玲玲,劉紫辰,辛玉富,等. 高大空間空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計[J].暖通空調(diào),2013,(S1):234-237.

[3] 吳明洋,劉曉華,趙康,等.西安咸陽國際機場T2和T3航站樓高大空間室內(nèi)環(huán)境測試[J].暖通空調(diào),2014,44(5):135-139,96.

[4] 司董濤,劉覽,楊子學(xué),等.南京國際博覽中心展廳空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運行實測[J].暖通空調(diào),2011,41(7):7-13.

[5] 張翔.某高大廠房分層空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計[J].暖通空調(diào),2005,35(2):98-99.

[6] 鄭文國.深圳北站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計[J].暖通空調(diào),2010,40(3):50-53.

[7] 肖應(yīng)潮.綜合節(jié)能技術(shù)在特大型旅客車站中的應(yīng)用研究[J].暖通空調(diào),2009,39(11):133-136.

[8] 蔡珊瑜.福州南站分層空調(diào)數(shù)值模擬分析與負(fù)荷節(jié)能率優(yōu)化[J].發(fā)電與空調(diào),2014,35(2):68-73.

[9] 賈學(xué)斌,張雷,陳敬文.高鐵站房大空間空調(diào)送風(fēng)的氣流組織分析與研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2015,12(4):762-768.

[10] 喻李葵,余雷模,馬衛(wèi)武,等.鐵路客運站候車廳冬季供暖系統(tǒng)優(yōu)化分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,48(5):1900-1908.

[11] 何列波,喻李葵,王曉宗,等.候車廳冬季分層空調(diào)CFD模擬研究與實驗驗證[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2012,(3):56-59.

Test and Analysis of the Thermal Environment in the Large Space of Railway Passenger Station Room in Winter

Yu Jinghua1Yang Qingchen1Tian Liwei2Guo Hui2Guo Xuhui2Zhuang Weiqia2

( 1.School of Environmental Science & Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074; 2. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan, 430074 )

For the indoor thermal environment of railway passenger station in hot summer and cold winter area, taking a railway station in Wuhan as study object, conducts field investigation on the opening size, infiltration air volume and temperature distribution of the large space in the waiting room. The results show that the total infiltration air volume of the station during the investigation period reached 612,000m3/h, and the air change rate was 2.1 times/h. The infiltration air volume of the elevated waiting room is 547,000m3/h, and the air change rate was 2.0 times/h. The infiltration wind heat load per unit air conditioning area of this station was 68.5 W/m2, the temperature in the waiting room where lower zone of the high space was 15.0℃, the temperature of the top zone was 20.0℃, so the upper and lower temperature difference was 5℃. The investigation results provide technical reference for the energy saving of the station room.

large space; stratified air-conditioning; heat load; temperature gradient; investigation

TU831

A

1671-6612（2019）04-405-05

于靖華（1981-），女，博士研究生，副教授，E-mail：yujinghua@hust.edu.cn

2018-08-13