高鐵站房候車廳空調系統(tǒng)設計研究

周彥華

(中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100000)

近十年來鐵路建設的高速發(fā)展，掀起了鐵路客運站房建設的高潮。高鐵站作為鐵路樞紐，承擔著旅客集散的重要作用，新時期的高鐵站不僅要滿足旅客安全、便捷出行的需求，更要以人為本為旅客提供溫馨舒適的候車環(huán)境。高鐵運營中出現(xiàn)了不少高鐵站候車大廳空調效果不理想的現(xiàn)象，主要體現(xiàn)在溫濕度達不到設計要求、冷熱不均及悶熱等方面，已無法滿足新時代“暢通融合、綠色溫馨、經濟藝術、智能便捷“的高鐵建設理念[1]。

1 候車大廳空調效果的影響因素及存在的問題

候車廳的空調效果主要取決于空調設計，其中空調負荷的計算、空調設備設計、室內氣流組織、空調機房設置、空調末端、外圍護結構設計是空調設計包含的主要內容。

1.1 空調冷熱負荷計算

空調設計首先是進行空調負荷的逐時計算，計算結果的取值將直接影響到系統(tǒng)設備選型與配置，進而影響系統(tǒng)運行效果[2]。影響空調負荷計算結果因素很多，其中人員密度取值與滲透風量是影響計算準確性的主要因素。

1)人員密度取值偏低。

候車區(qū)域的人員密度與空調負荷呈線性關系，隨著候車區(qū)人不斷增加，空調負荷會相應增大。據(jù)最新的國家鐵路相關數(shù)據(jù)顯示(見圖1)，2010年至2018年的8年間全國鐵路旅客發(fā)送量以每年10%的速度增長，未來隨著鐵路路網規(guī)模不斷擴大與完善，旅客發(fā)送量會與日俱增。若按照當前0.67人/m2的上限取值，無法滿足后期發(fā)展需求，因此，高鐵站房空調設計中，人員密度的取值須考慮階段性的發(fā)展余量，才能滿足旅客美好出行的需求。

以面積為3 300 m2高鐵站候車廳為例，僅當人員密度取值產生變化時，對比分析兩者夏季空調冷負荷的變化(見表1)。當人員密度變大時導致總冷負荷增幅約34%，新風和人體冷負荷增幅約47%。經計算，采用一次回風的方式送風量分別是85 000 m3/h和125 000 m3/h，送風量增幅約47%?？梢?，人員密度取值不同，對空調負荷計算結果影響十分大。此外，如果設計階段人員密度考慮偏小，運營后且無根據(jù)CO2濃度調節(jié)新風量的措施，隨著客流量增大導致人員密度遠超原設計，新風量無法根據(jù)實際室內CO2濃度調節(jié)，會帶來室內悶熱、頭暈等不良感覺。

表1 候車廳不同人員密度空調負荷對比

2)未考慮滲透風。

候車大廳空間高大、通透、連貫，且出入口數(shù)量較多，多處出入口為常開狀態(tài)，極易形成內外空氣對流，產生滲透風、穿堂風。而穿堂風會使空調負荷猛增、空調效果急劇下降，增加建筑能耗。

3)外圍護結構

a.缺少遮陽設計。當太陽直接輻射于人體時，對候車舒適性影響非常大。高鐵候車大廳垂直于水平圍護結構多采用透明玻璃幕墻以及天窗等形式，缺少內外遮陽設施設計，室內受太陽直射輻射和散射輻射時，白天舒適性變差。

b.主要出入口門斗影響。進站大廳出入口、售票廳出入口處于常開狀態(tài)，與其他出入口極易形成穿堂風，大大降低了室內空調效果(如圖2，圖3所示)，合理設置門斗可以避免形成穿堂風。

c.圍護結構氣密性。圍護結構的滲漏風是降低空調能耗的又一隱患。外窗的選型不當、門窗幕墻密封材料選擇不合理、圍護結構縫隙及穿墻孔洞等封堵不嚴等都會產生滲漏風，降低圍護結構氣密性。

1.2 空調設備選型與布置

空調設備選型時往往會由于空調負荷計算不準確、滲透風量考慮不足等因素，直接導致空調冷熱源設備、末端設備選擇容量不足?？照{系統(tǒng)啟動后，風冷型設備需要與周邊的空氣進行循環(huán)換熱。散熱才能冷卻，進風、排風條件至關重要。實際工程中設備布置距建筑墻體或者屋面過近時就會造成氣流短路、不暢，熱氣回流等問題，設備實際進出風力遠遠低于額定值，如果不對設備出風力進行修正，最終空調系統(tǒng)將無法滿足實際空調負荷需求(如圖4所示)。

1.3 室內氣流組織

對于候車大廳這類開敞、高大空間而言，空調氣流組織形式對空調效果至關重要。不合理的氣流組織形式，不僅會導致氣流無法送達制冷區(qū)、出現(xiàn)冷熱不均衡等現(xiàn)象，而且大大增加了空調的能耗。

1)送風距離及回風口布置。設計中為了候車空間的美觀整潔，當采取單側側送風時，如送風距離較長，將導致遠端旅客空間空調效果不理想。側送風的送風范圍受風口角度限制，而回風又大多采取集中回風，如回風口設置不合理時，則會出現(xiàn)氣流回流區(qū)沒覆蓋的區(qū)域(如圖5所示)。

2)頂送風距離過大。候車大廳層高一般在10 m以上，此時選擇頂送的氣流組織方式，空調回風口設置不合理(如圖6所示)，可能導致冬季暖風無法送抵空調區(qū)域。

3)空調送風系統(tǒng)水力計算。由于噴口等風口的局部阻力比普通百葉風口阻力高很多，空調風系統(tǒng)水力計算中應充分考慮此部分阻力。若忽視風口阻力，風口入口風壓不足，會造成風口送風量與送風距離均無法滿足實際需求。以φ400型噴口選型為例，若設計風量為2 000 m3/h，風口入口靜壓要求為100 Pa，實際空調送風系統(tǒng)水力計算不足，導致風口入口靜壓只有60 Pa，則實際送風量減少至1 350 m3/h，風量衰減32.5%。

1.4 空調機房設置

空調機房遠離服務區(qū)，空調系統(tǒng)送風距離及服務面積過大，造成空調風系統(tǒng)水力平衡調整困難，局部風口風量達不到設計要求。機房內設備檢修維護困難，后期使用中設備發(fā)生故障無法處理，空調效果同樣受影響。

1.5 空調末端配置

候車大廳人員密度、滲透風等因素會導致空調負荷峰值很大，空調末端選型時應充分考慮這一特點，末端設計需要預留一定的余量，以緩沖峰值負荷對候車大廳空調效果的影響。

風口選型:

根據(jù)候車大廳高大空間的特點，其空調送風口一般選用噴口、旋流風口等形式，其型號變化對送風量、送風距離影響很大。實際工程中常因與裝飾專業(yè)配合不到位，安裝空間不足而出現(xiàn)減小風口尺寸的現(xiàn)象。以單個球型噴口為例，設計風量為1 300 m3/h，送風距離為35 m，應選擇φ 400球噴。若因安裝空間受限，最終選擇φ 315球噴，則實際送風量與送風距離均無法達到設計要求，導致空調效果不佳，局部形成氣流死角(見表2)。

表2 某球型噴口選型表

2 空調系統(tǒng)增效建議

2.1 空調冷熱負荷計算

計算負荷時應結合氣流模擬確定，人員密度取值須結合鐵路及地方發(fā)展規(guī)劃充分考慮余量，建議取值范圍在0.8人/m2～1.0人/m2，同時考慮滲透風量對空調負荷的影響。

2.2 冷熱源設備安裝距離

設計、安裝風冷設備時要保證其進、排風條件，設備邊緣與外墻的距離須大于1.5倍設備高度。避免遮擋設備頂部，如設備頂部有屋檐，設備與屋檐的距離須大于2.5倍設備高度，并在屋面設導流設施，防止雨水直接排到設備上。

2.3 完善空調氣流組織

空調氣流組織設計需要從送風方式、風口選型、水力計算、設備布局等方面綜合考慮。結合鐵路客站工程實際經驗及分析。

1)合理選擇送風方式。候車大廳風口應通過風量、風速計算確定選型及角度。安裝前需要與裝飾專業(yè)溝通協(xié)作，風口與構筑物之間的安裝距離需要保證，確保送風面積與條件。

2)控制送風距離。風口安裝高度應按照送風距離、角度以及送風范圍確定，送風距離小于18 m可采用單側送或雙側對送。送風距離18 m～36 m時，采用單側送風時，送風口宜配備雙層遠近風口。側送風回風口宜設在送風口同側下方。送風距離大于36 m時，應采用雙側對送射流，當距離過大時，應在中間區(qū)域增加中間送風口或風柱。

3)送風系統(tǒng)水力計算。風系統(tǒng)水力計算應充分考慮風口局部阻力，根據(jù)設備選型圖表確定局部阻力。

4)風口角度。側送噴口風口送風角度對送風效果影響很大，在設計中應根據(jù)計算結果明確不同送風工況下設計角度。

2.4 空調機房及空調機組配置

設計中，應合理均勻布置空調機房，保證空調機房臨近空調服務區(qū)域，合理控制空調機房服務半徑，充分考慮空調機房的安裝、檢修空間需求，保證施工、運維等后續(xù)工作順利進行?？照{末端設備(空調處理機組)應考慮一定的發(fā)展余量及峰值負荷緩沖能力[3]。

2.5 外圍護結構

1)設計階段應與土建專業(yè)配合，合理考慮屋頂天窗的比例。各熱工分區(qū)的建筑全年綜合能耗隨著采光天窗面積增加而增加，窗地面積比超過0.1后增加趨勢加劇。因此，屋面采光天窗應根據(jù)站房的進深確定是否設置，天窗面積應予以控制。當側式站房進深小于50 m時，宜采用外墻直接開窗采光，盡量不在屋面開天窗。高架站房進深較大時，可同時采用外墻開窗和屋面天窗采光。從節(jié)能的角度出發(fā)，各朝向外墻上外窗的窗墻比不宜超過0.3，屋面天窗窗地面積比不宜超過0.1。在陰天占主導的地區(qū)，宜考慮水平布置天窗。晴天較多的地區(qū)，從降低建筑能耗的角度來看，在相同采光效果的情況下，垂直布置天窗優(yōu)于水平布置天窗，在朝向的選擇上以南、北向為佳，盡量避免東西朝向。如采用水平天窗，應設計遮陽設施。對于水平天窗，天窗分散布置優(yōu)于天窗集中布置。

2)考慮合理的遮陽措施，可利用建筑自身的形體及構件形成自遮陽，或采用遮陽百葉、遮陽幕、遮光膜等室內遮陽措施(如圖7，圖8所示)。在不同氣候區(qū)選用合適的遮陽技術措施，減少陽光輻射，降低候車大廳空調負荷。夏熱冬暖地區(qū)的站房，重點關注遮陽設計，通過挑板等建筑造型形成自遮陽系統(tǒng)，或設置遮陽簾等內遮陽設施。寒冷地區(qū)的站房，盡量避免大面積玻璃幕墻構造，選用的圍護結構的傳熱系數(shù)盡量小。

3)候車大廳進站與檢票口、售票廳入口處應考慮增設門斗。應合理設置安檢設備與大門的距離，避免主要入口處于常開狀態(tài)形成穿堂風(如圖9，圖10所示)。

4)合理設計圍護結構。

首先,窗型優(yōu)先選用平開窗。推拉窗因窗框上下的間隙較大，形成的冷熱空氣對流會造成熱損失。而平開窗橡膠密封壓條壓緊后，很難形成空氣對流，熱損失要小的多。因此，在寒冷及嚴寒地區(qū)外墻應選用平開窗。

其次，墻體與窗框之間采用發(fā)泡聚氨酯完整填充進行密封，再采用硅酮密封膠在外面封堵。玻璃和窗框間的密封膠條應根據(jù)溫度的適用范圍及選用原則進行選擇。幕墻可選擇耐候性、耐熱性、密封性較好的氯丁橡或三元乙丙橡膠條進行密封，再使用發(fā)泡棒或發(fā)泡膠在收口處填滿，然后采用硅酮密封膠在外部封堵。

最后，圍護結構上的施工縫隙、管道或風口等穿孔縫隙要封堵嚴實。站房屋面桁架四周做好保溫并密封。

2.6 空調智能化設計

由于高鐵站的運營時間長，空調系統(tǒng)的運行時間較普通公共建筑長，其可靠性應在設計中特別關注。空調智能化設計能為空調系統(tǒng)運行提供實時運行狀態(tài)監(jiān)控，并提供更為節(jié)能的運行策略，提高空調系統(tǒng)智能化水平，對系統(tǒng)可靠、節(jié)能運行具有十分重要的作用。

1)空調風系統(tǒng)設計中，在易發(fā)生堵塞部位(如空氣過濾器)設置壓差監(jiān)測及自動報警，電動風閥設置風閥開度監(jiān)測及異常報警。2)空調水系統(tǒng)設計中，在易發(fā)生堵塞部位(如過濾器、主機冷凝器)設置壓差檢測、自動報警，有條件的設計帶自動清洗功能的過濾器、冷凝器等自動清洗設備。盡量選用自動化程度較高的主機，避免人工調整主機運行參數(shù)帶來的誤操作。

3 結語

合理的空調設計不僅可提供美好的出行和候車環(huán)境，更是當前能源形勢的迫切需要，空調設計需要充分考慮發(fā)展余量，準確計算空調負荷，并結合實際空間特點，合理排布空調氣流組織形式。同時外圍護結構應采取節(jié)能措施，降低空調負荷。充分應用空調智能化技術，使空調系統(tǒng)可靠、節(jié)能。