雄安站首層候車廳空調(diào)系統(tǒng)氣流組織優(yōu)化設(shè)計*

中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 李桂萍 王天成 孫兆軍中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司 董永衛(wèi) 郭學(xué)會

1 工程概況

雄安站整體結(jié)構(gòu)為橋式站，車站以地面層進(jìn)站為主、高架層進(jìn)站為輔，采用地面夾層出站的方式。其中鐵路用房總建筑面積約150 000 m2，最高聚集人數(shù)約為5 000人。其中，高架候車廳建筑面積約12 000 m2，地面候車廳約34 000 m2。雄安站首層候車廳屬于典型高大空間建筑形式，具有人流量大、人員密度高、密閉性較差、設(shè)備散熱量大、空間形式復(fù)雜等特點，其擁有5個直接對外的進(jìn)站口，22個進(jìn)入站臺的入口。雄安站首層候車廳公共空間區(qū)域大小為280 m×130 m，高度約為13.85 m，首層候車廳平面及效果圖分別見圖1和圖2。

圖1 首層候車廳平面圖

圖2 首層候車廳效果圖

雄安站首層候車廳的裝修風(fēng)格采用清水混凝土的方式，其梁、板、柱均裸露在外，因此在吊頂及柱子等區(qū)域均不能設(shè)置管道。這種空間形式及裝修風(fēng)格下，夏季采用空調(diào)制冷，站房中傳統(tǒng)的借助輔助用房及進(jìn)站樓梯口進(jìn)行噴口側(cè)送風(fēng)的形式已經(jīng)不能滿足設(shè)計要求，故空調(diào)設(shè)計采用了在候車區(qū)域設(shè)置分散式送風(fēng)單元為主的送風(fēng)方式，輔助用房側(cè)送風(fēng)為補充；冬季采用地板輻射+送風(fēng)單元下送風(fēng)輔助的方式供暖；過渡季采用排煙兼排風(fēng)的風(fēng)機進(jìn)行排風(fēng)，自然補風(fēng)。本文重點介紹候車廳的空調(diào)系統(tǒng)氣流組織設(shè)計。

2 候車廳空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及氣流組織選擇

高鐵站候車廳屬于典型的高大空間建筑，常用的送風(fēng)方式包括分層空調(diào)、置換通風(fēng)及地板送風(fēng)等[1]，見圖3。分層空調(diào)系統(tǒng)作為高大空間常用的空調(diào)系統(tǒng)[2]，在建筑兩側(cè)或單側(cè)中間位置設(shè)置送風(fēng)口，將高大空間分為空調(diào)區(qū)和非空調(diào)區(qū)，僅高大空間下部區(qū)域維持一定的溫濕度，而對于非空調(diào)區(qū)溫濕度不作要求。與全室均為空調(diào)區(qū)域相比，可實現(xiàn)一定的節(jié)能效果[3]。置換通風(fēng)則借助空氣浮力作用，以低風(fēng)速(0.25 m/s左右)將空氣送入活動區(qū)下部[4]，適用于冷負(fù)荷指標(biāo)較小且對室內(nèi)空氣品質(zhì)要求較高的場所。地板送風(fēng)在地板均勻布置風(fēng)口，起到類似的置換作用[5]，通常需要抬升地板布置風(fēng)口。基于雄安站首層候車廳兩端跨度較大的特點，采用置換和地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，存在無法滿足射程及地板抬升成本較大的問題，因此在候車區(qū)域設(shè)置分散式送風(fēng)單元，同時輔助用房進(jìn)行側(cè)送風(fēng)。冬季采用地板輻射供暖的方式，送風(fēng)單元下送風(fēng)的方式輔助供暖。

圖3 常見的送風(fēng)方式示意圖

對于送風(fēng)單元氣流組織設(shè)計，常見方式為頂部噴口側(cè)送風(fēng)。送風(fēng)單元靠近人員候車區(qū)域，為提升該區(qū)域人員舒適度，將新鮮空氣優(yōu)先送至人員活動區(qū)，送風(fēng)單元擬采用柱面貼附通風(fēng)氣流組織方式。

柱面貼附送風(fēng)是西安建筑科技大學(xué)李安桂教授團(tuán)隊提出的結(jié)合混合通風(fēng)和置換通風(fēng)優(yōu)勢的一種氣流組織形式[6]。氣流運動原理是空氣由位于柱上部的回形條縫送風(fēng)口射出后，由于康達(dá)效應(yīng)而與豎直柱面形成貼附射流，此后射流主體將沿壁面豎直向下流動，當(dāng)流動到接近地面高度時，在地面逆壓梯度的作用下射流主體與柱面分離，撞擊地面后流動方向由豎直變?yōu)樗?。此后氣流貼附地面流動，在活動區(qū)形成以矩形柱為中心的擴散流動分布。送風(fēng)進(jìn)入活動區(qū)前類似于傳統(tǒng)混合式通風(fēng)，但由于豎直壁面的“扶持”效應(yīng)，通過合理地控制射流物理參數(shù)，延長其射程，能夠?qū)⒗錈峥諝庾畲笙薅鹊叵滤椭寥藛T活動區(qū)，然后射流以輻射流動方式沿地板向前延伸擴散，在活動區(qū)形成類似于置換通風(fēng)的空氣湖，有效提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)和通風(fēng)效率[7-11]。柱面貼附通風(fēng)是一種利用射流對柱面貼附效應(yīng)的送風(fēng)模式，根據(jù)對豎壁貼附射流的研究，可以把柱面貼附射流的流場劃分為3個區(qū)域：豎向柱面貼附區(qū)、射流沖擊偏轉(zhuǎn)區(qū)和水平向空氣湖區(qū)[12-13]，如圖4所示。貼附通風(fēng)房間高度方向有明顯的流場分層現(xiàn)象，提高了氣流組織通風(fēng)效率和人員活動區(qū)空氣品質(zhì)。同時，貼附通風(fēng)模式只需處理下部空間的熱濕負(fù)荷，減少實際送風(fēng)量，因此可達(dá)到節(jié)約能源的目的。

圖4 貼附通風(fēng)氣流組織分區(qū)

3 空調(diào)系統(tǒng)氣流組織模擬計算及結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模型建立及模型驗證

基于候車廳工程概況，為了準(zhǔn)確模擬候車廳氣流組織情況，同時考慮到候車廳為對稱結(jié)構(gòu)，確定數(shù)值模型大小為63 m×44 m×13.85 m(長×寬×高)。本研究以候車廳通風(fēng)穩(wěn)態(tài)過程為主，綜合考慮精確度和收斂速度，收斂準(zhǔn)則設(shè)置為湍流項殘差值小于10-3，能量項殘差值小于10-6。

通過提取貼附通風(fēng)模式下的空氣湖區(qū)氣流軸線速度，與文獻(xiàn)實驗進(jìn)行對比，驗證計算模型的有效性。通過圖5可以看出，模擬風(fēng)速衰減與實驗結(jié)果趨勢一致。模擬數(shù)據(jù)略大于實驗數(shù)據(jù)，這是因為實驗過程中柱面和地面可能產(chǎn)生不同程度的摩擦阻力，加速了風(fēng)速的衰減。整體而言，采用本模型進(jìn)行模擬計算可以體現(xiàn)氣流組織分布，比較不同空調(diào)方案的運行效果。

圖5 貼附通風(fēng)空氣湖區(qū)氣流軸線速度實驗測試與送風(fēng)單元模擬對比

3.2 夏季工況模擬結(jié)果分析

為了得到較優(yōu)設(shè)計方案，通過Fluent軟件對末端送風(fēng)方式分別進(jìn)行模擬計算，對比風(fēng)柱3種不同送風(fēng)形式(貼附送風(fēng)、頂部側(cè)送風(fēng)、貼附+頂部側(cè)送風(fēng))氣流組織效果，其設(shè)定條件見表1，各個方案的氣流組織示意圖見圖6。

表1 夏季不同空調(diào)方案設(shè)計工況

圖6 雄安站首層候車廳優(yōu)化設(shè)計方案氣流組織示意

對于分層空調(diào)系統(tǒng)，工作區(qū)(人員活動區(qū))為高大建筑物必須保證溫濕度參數(shù)的區(qū)域，一般取距地面2 m[3]。對于貼附通風(fēng)，工作區(qū)(人員活動區(qū))邊界定為：距送風(fēng)口所在墻壁或柱面1.0 m；距外墻、門及窗1.0 m；距內(nèi)墻0.5 m；地面以上0.1～2.0 m[7]。

根據(jù)以上模擬工況，可以得到夏季候車廳的速度及溫度分布情況?；诓煌惋L(fēng)方式對活動區(qū)的定義，計算活動區(qū)的平均速度和溫度，分析對比相同風(fēng)量下風(fēng)柱3種不同送風(fēng)形式的氣流組織效果，從而得出較優(yōu)的空調(diào)設(shè)計方案。

3.2.1夏季工況候車廳速度分布

為了清晰地觀察候車廳不同位置處的速度分布情況，分別截取候車廳模型x(長)=27 m、z(寬)=11 m、y(高)=1.7 m等截面進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 雄安站首層候車廳z=11 m截面速度云圖

由圖7可以看出，方案1和方案2中兩側(cè)貼附送風(fēng)風(fēng)口高度以下的空氣分布比較均勻，靠近柱下部位置風(fēng)速在0.8 m/s左右。活動區(qū)地面附近區(qū)域整體風(fēng)速分布呈現(xiàn)貼附現(xiàn)象，可以在該區(qū)域內(nèi)形成一定厚度的空氣湖。方案2中上部噴口射程較遠(yuǎn)，可以處理距離通風(fēng)柱較遠(yuǎn)區(qū)域的負(fù)荷，配合貼附送風(fēng)及兩側(cè)墻壁噴口送風(fēng)，覆蓋整個人員活動區(qū)。方案3單一采用上部噴口送風(fēng)方式，容易造成通風(fēng)柱遠(yuǎn)近不同區(qū)域的風(fēng)速不均勻，而且容易使人員頭部區(qū)域風(fēng)速較大。

圖8顯示了3種方案在y=1.7 m高度處截面的速度分布。可以看出：在人員頭部位置(y=1.7 m)，方案1和方案2的風(fēng)速分布均勻且風(fēng)速較小；方案3由于單一采用上部噴口送風(fēng)，風(fēng)量較大導(dǎo)致射流末端位置風(fēng)速較大，位于該區(qū)域的人員頭部會有明顯的吹風(fēng)感。

圖8 雄安站首層候車廳y=1.7 m截面速度云圖

圖9給出了3種方案下相鄰2個通風(fēng)柱之間的速度分布情況。方案1和方案2采用了貼附送風(fēng)，射流可以通過康達(dá)效應(yīng)在地面形成空氣湖，保障通風(fēng)柱之間的活動區(qū)環(huán)境。方案3完全利用上部風(fēng)口送風(fēng)，而在通風(fēng)柱的兩側(cè)噴口數(shù)量較少，造成該截面區(qū)域風(fēng)速較小。

圖9 雄安站首層候車廳x=27 m截面速度云圖

3.2.2夏季工況候車廳溫度分布

夏季工況3種送風(fēng)方式在z=11 m處的溫度分布如圖10所示，可以看出方案1和方案2兩側(cè)貼附送風(fēng)風(fēng)口高度以下的溫度分布比較均勻，活動區(qū)地面附近區(qū)域形成一定厚度的空氣湖。方案2上部噴口射程較遠(yuǎn)，可以處理距離通風(fēng)柱較遠(yuǎn)區(qū)域的負(fù)荷，配合貼附送風(fēng)及兩側(cè)墻壁噴口送風(fēng)，人員活動區(qū)的溫度在26 ℃左右。方案3單一采用上部噴口送風(fēng)方式，可能造成通風(fēng)柱遠(yuǎn)近不同區(qū)域的溫度不均勻，除去射流末端位置的溫度滿足要求外，大部分人員活動區(qū)溫度較高。

圖10 雄安站首層候車廳z=11 m截面溫度云圖

圖11顯示了3種方案在y=1.7 m高度處截面的溫度分布，可以看出在人員頭部位置(y=1.7 m)，方案1和方案2的溫度分布均勻，溫度在26 ℃左右；方案3中由于單一采用上部噴口送風(fēng)，射流末端位置溫度較低，達(dá)到了27 ℃，其他區(qū)域的溫度較高。

圖11 雄安站首層候車廳y=1.7 m截面溫度云圖

圖12顯示了3種方案下相鄰2個通風(fēng)柱之間的溫度分布情況。方案1和方案2采用了貼附送風(fēng)，射流可以通過康達(dá)效應(yīng)在地面形成空氣湖，通風(fēng)柱之間的活動區(qū)環(huán)境溫度為27 ℃左右，滿足設(shè)計要求。方案3完全利用上部風(fēng)口送風(fēng)，而在通風(fēng)柱的兩側(cè)噴口數(shù)量較少，造成該截面區(qū)域溫度較高。

圖12 雄安站首層候車廳x=27 m截面溫度云圖

3.2.3候車廳活動區(qū)的平均風(fēng)速及溫度

通過模擬計算結(jié)果，截取了不同地面高度的平均速度場和平均溫度場的變化，如圖13所示。

通過圖13a可以看出3種空調(diào)方案下候車廳活動區(qū)不同高度截面平均速度分布情況。方案1由于貼附效應(yīng)，靠近地面位置的速度較大；方案2靠近地面位置風(fēng)速較方案1低，上部噴口高度高于人員活動區(qū)，因此活動區(qū)內(nèi)平均風(fēng)速較小。方案3活動區(qū)內(nèi)風(fēng)速變化不大，這是由于噴口高度為4.5 m，其高速射流對活動區(qū)內(nèi)的影響較小。夏季3種方案候車廳活動區(qū)平均速度分別為0.55、0.35、0.27 m/s。

通過圖13b可以看出3種空調(diào)方案下候車廳活動區(qū)不同高度截面平均溫度分布情況。方案1和方案2由于貼附效應(yīng)，將新鮮的冷空氣優(yōu)先送至人員活動區(qū)，隨著高度增大，截面平均溫度上升，整體滿足溫度要求。方案3活動區(qū)內(nèi)溫度變化不大，溫度在28～29 ℃。這是由于噴口高度為4.5 m，其高速射流對活動區(qū)內(nèi)的影響較小，活動區(qū)溫度較高。3種方案候車廳活動區(qū)平均溫度分別為26.95、26.84、28.30 ℃。

由于風(fēng)柱布置是結(jié)合柱子考慮的，其橫向間距為60 m左右，縱向間距約為20 m。通過對溫度場和速度場的模擬，風(fēng)柱設(shè)計采用方案2進(jìn)行末端送風(fēng)效果較好。故風(fēng)柱橫向布置頂部噴口和貼附射流風(fēng)口，縱向只布置貼附射流風(fēng)口。

3.3 冬季工況模擬結(jié)果分析

此候車廳冬季采用地板輻射供暖系統(tǒng)，同時可開啟熱風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行輔助?？照{(diào)熱風(fēng)優(yōu)先開啟風(fēng)柱下送風(fēng)，該工程設(shè)置的方案如表2所示。

表2 冬季方案設(shè)計條件

優(yōu)化方案采用貼附送風(fēng)，射流可以通過康達(dá)效應(yīng)在地面形成空氣湖，通風(fēng)柱之間的活動區(qū)環(huán)境溫度滿足設(shè)計要求。由于進(jìn)站口冷風(fēng)侵入，所以2個通風(fēng)柱之間的溫度低于其他區(qū)域，溫度為17 ℃左右。人員活動區(qū)平均溫度為19.96 ℃，不同高度溫度分布如圖14所示。

圖14 冬季工況下候車廳活動區(qū)不同高度截面平均溫度

此外，地板輻射供暖輔助下送風(fēng)的空調(diào)方式，其室內(nèi)的溫度場比較均勻，溫度梯度較小，有利于減小室內(nèi)外溫差，對于車站這種高大通透且開口較多的空間來說，有利于減少熱壓引起的滲透風(fēng)，進(jìn)而降低了冬季的負(fù)荷。

3.4 分散式空調(diào)與集中空調(diào)系統(tǒng)的簡單節(jié)能分析

假設(shè)系統(tǒng)所承擔(dān)的空調(diào)負(fù)荷均相同，水系統(tǒng)的揚程取決于最不利用水點，由于水的比熱容大，水的輸送能耗遠(yuǎn)低于空氣輸送能耗，故忽略水系統(tǒng)的能耗變化。對于過寬的候車廳，僅輔助用房設(shè)置空調(diào)機房，其送風(fēng)半徑比較大，對于該工程，如果僅在兩側(cè)設(shè)置空調(diào)機房，其輸送距離約為110 m，而中間的大部分區(qū)域采用分散式送風(fēng)單元的送風(fēng)方式，其風(fēng)系統(tǒng)的輸送距離僅為30 m，組合式空調(diào)箱的壓頭減少近300 Pa，其風(fēng)系統(tǒng)輸送能耗降低30%左右。其原理如圖15所示。

圖15 集中空調(diào)與分散空調(diào)的原理圖

4 結(jié)論

1) 和集中式空調(diào)系統(tǒng)相比，分散式空調(diào)方式輸送距離短，空調(diào)風(fēng)機的空氣輸配能耗降低。該項目若采用全空氣系統(tǒng)，其輸送距離約為110 m，現(xiàn)采用分散式風(fēng)柱，其輸送距離為30 m，組合式空調(diào)箱的壓頭減少近300 Pa。風(fēng)系統(tǒng)的輸送能耗降低了30%左右。對于一些大中型車站，候車廳較寬，由于某些功能布局或者其他原因，甚至只在一側(cè)設(shè)置空調(diào)機房，風(fēng)系統(tǒng)的輸送距離特別長，不利于節(jié)能。

2) 對比分析3種送風(fēng)方式(貼附送風(fēng)、頂部側(cè)送風(fēng)、貼附送風(fēng)+頂部側(cè)送風(fēng))，方案2(貼附送風(fēng)+上部噴口側(cè)送風(fēng))送風(fēng)方式為較優(yōu)方案，其溫度場和速度場均滿足設(shè)計要求。同時，風(fēng)量方面，若采用方案3(頂部側(cè)送風(fēng))，其風(fēng)柱的送風(fēng)量約50 000 m3/h，故采用貼附射流+側(cè)噴的方式，比只用側(cè)噴的方式夏季降低了15%的能耗。

3) 對于車站這種高大通透且開口較多的空間來說，增加冬季防止冷風(fēng)滲透的措施來減少負(fù)荷是最基本的節(jié)能方式。冬季通過采用地板輻射供暖輔助下送風(fēng)的空調(diào)方式有利于減少滲透風(fēng)的負(fù)荷。

4) 本文提出的分散式空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能、調(diào)節(jié)方便及布置靈活的特點，針對人體對冷熱的感覺不同，在實際的運行中可根據(jù)每臺空調(diào)控制的區(qū)域分成低冷區(qū)和高冷區(qū)，實現(xiàn)更為人性化的服務(wù)。