中鐵第四勘察設計院集團有限公司      田利偉   郭    輝   郭旭暉   莊煒茜

華中科技大學      于靖華

摘   要：針對夏熱冬冷地區鐵路旅客站房冬季室內的熱環境問題，以武漢某鐵路站房為調研對象，
進行候車區高大空間開口尺寸、滲透風量和溫度分布進行實地調研。結果表明，調研時段站房總滲透風量達到61.2萬m³/h，折合換氣次數為2.1次/h，其中高架候車室滲透風量為54.7萬m³/h，折合換氣次數為2.0次/h，整個站房單位空調面積滲透風熱負荷為68.5W/m²，高大空間下部候車區溫度為15.0℃，頂部溫度為20.0℃，上下溫差為5℃，調研結果為站房運行節能提供了技術參考。
關鍵詞：高大空間；分層空調；熱負荷；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系統[1~5]，從運行效果來看，該送風方式通常可以滿足站房的空調采暖需求[6~9]。但部分站房特別是跨線高架站房運營過程反映，冬季室內人員活動區局部區域溫度偏低，無法滿足室內的熱舒適性要求[10,11]。調研發現，冬季采用噴口側送熱風時，由于送風距離較大，且候車廳底部存在多處與室外連通的通道，導致大量室外無組織滲風進入室內，加之熱浮力的影響，室內豎向溫度梯度加劇，造成高大空間底部人員活動區域溫度偏低，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，進行現場調研測試，獲得鐵路站房候車廳冬季供暖時段的滲透風量與高大空間熱環境特性，為站房運營和高大空間空調系統設計提供數據參考。

       1   工程概況

       選取武漢某特大型鐵路旅客站房作為調研對象，其高架候車廳屬于典型的高大空間。根據建筑圖紙統計得到各樓層高度、面積及功能，具體見表 1。火車站具體布局如圖 2所示，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1層為地下進站集散廳（4184m²）；1層除售票廳外設有南站房進站集散廳（1913m²）、普通候車室（1880m²）、1樓貴賓候車室（3120m²）和北站房進站集散廳（4712m²）；2層設有母嬰候車室（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18.0m，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   冬季室內熱環境調研測試

       2.1   調研測試內容及測點布置

       測試時間為2016年12月25日，調研測試的主要內容包括以下幾方面：

     （1）高架候車室高大空間頂部溫度分布；

     （2）送風口溫度及風速；

     （3）室內空氣溫度，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1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）室外風速和溫度；

     （6）圍護結構類型及開窗情況。

       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多功能風速儀，各儀器的技術參數如表2所示。

表2   測量儀器技術參數

       測試前對各儀器進行校核和標定，首先將所有儀器進行編號，并將國際Swema 公司標定的溫度傳感器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的空氣溫度變化，采用穩定時段的數據，繪制其它儀器與對比儀器之間的關系曲線，得到擬合公式，作為測試結果的修正公式，將其它儀器的測試結果進行修正。

       3   調研測試結果與分析

       3.1   滲透風量測量結果

       采用TSI多功能熱球風速儀測試室外及各開口的風速，室外及各區域溫度，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、高側窗及未知縫隙。對于站房底部的進風開口，可以通過測試準確獲得；對于高處的開口及未知縫隙，無法準確獲知，因此表3僅對底部進風口的測試結果進行統計。

表3   各進風開口測試結果統計

注：1排風主要是由于高側窗開啟，風壓和熱壓引起；排風溫度為所能測得的開口的排風溫度平均值。

       測試結果表明，整個站房的滲透風路徑為：地下進站廳和南站房進站口進來的滲透風被空調系統加熱后一部分由南站房高側窗流出，一部分進入到1層高架候車室；由北站房進站口進入的滲透風經由北側通道進入高架候車室；高架候車室還存在通過東、西兩側檢票口進入的滲透風；三部分滲透風最終被加熱到17.9℃，并由東、西高側窗及縫隙滲透至室外。

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

       3.2   高大空間溫度分布測量結果

       高大空間溫度主要包括檢票口滲透風溫度、噴口送風溫度、候車區不同高度的溫度梯度。其中噴口設置于高架候車室兩側商業夾層，采用熱線風速儀對216個噴口的送風溫度和送風速度進行測試，結果表明送風口的平均溫度為40.4℃，平均速度為7.32m/s；東、西兩側檢票口處的滲透風溫度分別為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設置一處監測點，下部6m高度以內采用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之間的數據進行分析，測試結果如圖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

        結果表明，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，該部分區域主要受滲透風影響；6~12m高度之間溫度緩慢增加，由18.5℃增加到20℃左右；當高度達到12m以上時，溫度趨于一致，16m高度處的溫最高，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   滲透風負荷特性分析
       根據測試的滲透風量、滲透風溫度，及各區域溫度，計算滲透風熱負荷，計算結果如表4所示。

表4   各開口參數

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

       3.4   站房運營過程存在的問題

       調研過程發現站房運營時存在一定的不合理現象，主要體現在以下幾個方面：

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

圖4   高側窗開啟

     （2）空調機組新風閥未完全關閉。對于一般民用建筑，空調系統需滿足室內人員的新風要求，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，無組織滲風能夠滿足新風要求，因此空調系統不需要設置新風。

     （3）空調系統運行維護有待提高，如檢票口處的風幕機處于關閉狀態、部分空調機組的送風參數沒有達到設計要求、回風口被商業用房設備遮擋等現象較為明顯。

       4   結論

       分層空調是夏熱冬冷地區鐵路站房普遍采用的空調系統形式，該空調系統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境調研測試，結果表明：
     （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，導致冬季滲透風量較大，滲透風換氣次數可達2次/h以上，測試階段滲透風引起的單位面積熱負荷達到68.5W/m²，折算成冬季空調室外計算溫度時則達到136.2W/m²，該部分熱負荷應引起足夠重視。
     （2）冬季采用分層空調進行供暖時，受底部滲透風的影響，噴口熱風在風壓和熱壓作用下，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窗和屋頂散失到室外，造成熱量的損失。
     （3）空調機組冬季供熱時段新風閥應關閉，以減少新風負荷；同時站房應提高密閉性，如開啟檢票口處的風幕機，關閉站房高側窗等，達到降低滲透風負荷的目的，提高站房候車區的熱舒適性。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年6月刊總第22期。
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