田利偉¹，于靖華²，郭輝¹，郭旭暉¹，莊煒茜¹
1中鐵第四勘察設計院集團有限公司；2華中科技大學

【摘  要】本文以武漢某鐵路旅客站房高架候車廳為例，基于候車廳高大空間滲透風和溫度梯度測試結果，綜合采用ContamW多區域網絡法通風模擬軟件和CFD三維數值模擬軟件進行測試工況模擬計算，以驗證模型的準確性；進一步針對設計工況下的滲透風量、溫度梯度進行模擬計算，將計算結果作為DeST能耗模擬軟件邊界條件，進行高大空間冬季空調熱負荷模擬計算。結果表明，設計工況冬季供暖時段高架候車廳滲透風量達到1.3次/h，高大空間存在較大的溫度梯度，底部與頂部溫差為6.0℃，考慮溫度梯度后的熱負荷則達到162.3 W/m2，相較于不考慮溫度梯度時的熱負荷增加了25.1%，研究結果旨在為高大空間空調系統設計提供參考依據。

【關鍵詞】鐵路站房；高大空間；分層空調；溫度梯度；熱負荷

0 引言

       鐵路旅客車站候車廳作為典型的高大空間，具有層高較高、人員密度及波動大、商業和旅服設施發熱量大、與室外連通的開口多等特征，導致空調負荷大且熱環境復雜^[1]。目前鐵路站房大空間普遍采用分層空調系統^[2-6]，與全室空調相比，在夏季可實現節能26.5%^[7]。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^[8-11]，但部分站房特別是跨線高架站房運營過程反映，冬季候車廳人員活動區溫度偏低，無法滿足熱舒適要求^[12]。調研發現，冬季采用側送噴口送熱風時，由于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，空調熱風上浮至高大空間頂部，造成底部人員活動區域溫度偏低，熱量聚集到高大空間頂部，候車廳高度方向溫度梯度大，熱舒適性較差，無法在下部空間形成有效的“空調區”。為保證底部人員活動區的溫度設計要求，勢必要進一步增大空調系統供熱量，但會導致高大空間頂部溫度進一步升高，候車廳熱負荷增大。

       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，獲得鐵路站房候車區冬季供暖時段的滲透風量和溫度梯度特性，進而通過數值模擬的方法，針對設計工況下的滲透風量、溫度梯度和空調熱負荷進行模擬計算，獲得鐵路站房高大空間基于溫度梯度的冬季設計熱負荷，為站房運營和高大空間空調系統設計提供數據參考。

1 候車廳熱環境調研測試

       1.1 測點的布置

       采用TSI多功能熱球風速儀對一層進站廣廳和二層高架候車廳各開口的溫度和風速分布進行測試，同時記錄各開口的開啟面積。測點布置如圖1所示。

       同時，針對二層高架候車廳高大空間溫度梯度分層問題，采用ZDR溫度記錄儀和Swema溫度傳感器HC2-s進行連續測量，每米高度1m設置一個溫度記錄儀，對候車區不同高度處的溫度分布進行測量，數據采集時間間隔設置為1min。

       1.2 滲透風進風面積與滲透風測試結果與分析

       站房對外開口位置主要包括地下進站口、南站房進站口、北站房進站口、高架檢票口、高側窗及未知縫隙。其中地下進站口、南站房進站口、高架檢票口為滲透風進風口且面積可以獲得；北站房仍處于施工狀態，其滲透風開口位置較多，在此采用高架通道（北）代替由北站房引起的滲透風進風口；高側窗及未知縫隙主要為出風口，無法準確獲得，在此不做統計。因此，最終統計獲得站房滲透風主要進風口相關參數如表1所示。

       測試結果表明，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；高架候車廳滲透風量為54.7萬m³/h，折合換氣次數為2.0次/h。

       1.3 二層高架候車廳溫度分布特性

       由于冬季時段采用分層空調，噴口送出的熱風在熱浮力和底部滲透風的綜合影響下，聚集到站房頂部，僅部分熱量能夠送達旅客活動區域。對二層高架候車廳高大空間的溫度梯度測試結果如圖2所示。

       測試結果表明，站房底部人員活動區溫度基本保持在15.0~15.5℃之間，無法滿足《鐵路旅客車站建筑設計規范》GB 50226-2007（2011年版）中規定的18~20℃的設計要求；頂部區域的溫度則達到了20℃左右，頂部的熱量最終會通過幕墻滲透或屋頂散失到室外，造成能源的浪費。

2 候車廳氣流組織數值模擬

       根據站房底圖建立ContamW模型，根據滲透風測試結果，并對模型進行驗證并確定各區域開口面積；進一步結合高大空間溫度梯度測試結果和各區域開口面積計算結果，建立CFD模型模擬計算設計工況下高大空間的氣流組織和溫度梯度，用于基于溫度分層的高大空間建筑熱負荷DeST模擬計算。

       2.1 基于ContamW模型的站房各區域開口面積計算分析

       （1）ContamW模型的建立

       按照站房實測底部門洞開口尺寸以及CFD軟件模擬的建筑外表面風壓系數作為邊界條件，建立站房ContamW模型，模型如圖 3所示。

       （2）實測工況的ContamW模型滲透風量和開口面積計算結果

       由于南站房底部開口面積、二層高架候車廳東西兩側檢票口面積均可知，這些開口均為進風口，高側窗的出風口面積則無法準確測得。因此ContamW模型模擬過程通過調整南站房高側窗、二層高架候車廳東西兩側窗戶開啟面積，最終使得模擬工況各開口風量與實測風量保持一致；北站房則通過調整底部開口面積使得進風量與高架通道（北）風量保持一致。此時站房各開口的風量模擬結果與實測結果對比如表2所示。

       注：高架層進風量為高架通道（南）、高架通道（北）、高架東檢票口與高架西檢票口四部分進風量之和；站房總進風量為除高架通道（南）和高架通道（北）之外的其它外部開口進風量之和。

       結果表明，通過調整ContamW模型中高側窗和北站房的開口面積，ContamW模型風量計算結果與實測結果與實測結果誤差在1.4%以內，模擬結果是可信的。此時無組織滲風進風口面積為83.1m²，出風口面積為99.9m²；其中南站房高側窗開啟面積為11m²，高架東、西兩側高側窗面積分別為54.45 m²和34.45m²。將該數值作為站房實測時未知開口的面積。

       （3）設計工況站房滲透風量分析

       實測工況時，由于二層高架候車廳部分高側窗處于開啟狀態，且外門的空氣幕均為開啟。冬季空調供暖時不合理的開窗面積合計為50.4m²，進行設計工況計算時，應將該部分面積扣除；同時考慮南站房進站口和二層高架候車廳東、西檢票口空氣幕阻隔效率分別為57.4%和30%（兩個數值通過滲透風模擬計算獲得），以此阻隔效率修正開口面積，進行設計工況滲透風量的計算。

       ContamW模型的開口面積進行上述修正并重新計算，即可得到設計工況下站房的滲透風量，計算結果表明，設計工況站房總進風量為42.2萬m³/h，折合換氣次數為1.45次/h；二層高架候車廳進風量為37.3萬m³/h，折合換氣次數為1.36次/h。

       2.2 基于CFD模型的高架候車廳溫度梯度模擬分析

       （1）CFD模型的建立

       根據建筑底圖建立二層高架候車廳的CFD三維模型，如圖4所示。將實測工況的ContamW模型滲透風量和開口面積計算結果作為邊界條件，進行高大空間氣流組織和溫度梯度模擬計算。

       （2）實測工況CFD模擬結果及分析

       經模擬計算，候車廳不同高度的溫度分布模擬結果與實際測試結果對比如圖5所示。

       由圖可知，近地面處兩者相差1.7℃，其余高度數據模擬結果與實測結果的吻合度很好。這是由于CFD模型中各檢票口均勻分布滲透風，近地面處受滲透風影響較大；而實測過程，僅在檢票口開啟時段近地面才受檢票口處滲透風的影響。對比結果表明，模型模擬結果的準確性較高，CFD模擬結果是可信的。

       （3）設計工況模擬結果及分析

       與ContamW模型中的設計工況邊界條件保持一致，即關閉不合理的開窗、東/西檢票口空氣幕開啟后，重新進行候車廳氣流組織模擬分析，模擬結果如圖6所示。

       模擬結果表明，主導風風速為3m/s時，高架候車廳0~1m高度平均溫度為18.7℃，1~2m高度平均溫度為21.7℃，2~4m高度平均溫度為23.7℃，4~14m高度平均溫度為24.3℃，14~18m高度溫度趨于一致，為24.7℃，整個高大空間上下溫差為6.0℃。

3 候車廳冬季熱負荷模擬計算

       3.1模型的建立

       采用DeST逐時能耗模擬軟件建立站房的能耗模型，如圖7所示。

       根據實際情況和經驗，在DeST輸入中對模型進行如下簡化處理：

       （1）按照高架層的容積將弧形屋頂折算成平屋頂；

       （2）冬季的熱負荷不考慮人員、照明與設備負荷，主要因素是圍護結構和滲透風；

       （3）高架候車廳高度方向溫度分層較為明顯，為精確模擬高架候車室的熱負荷，人為將高架候車廳根據溫度分層設置成多層。

       3.2 邊界條件及模擬工況的確定

       （1）室外計算參數設置 

       采用《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》中武漢市典型氣象年氣象數據。

       （2）圍護結構熱工性能設置

       按照站房圍護結構實際熱工性能邊界條件進行設置。

       （3）室內溫度設置

       本節的研究目的是獲得溫度分層對熱負荷的影響，因此只對高架候車廳在有溫度分層和無溫度分層時的熱負荷進行統計，溫度分層工況采用CFD模型計算得到的設計工況溫度梯度分布；無溫度分層工況冬季空調室內設計溫度采用溫度分層工況的底部溫度，即18.7℃。

       （4）滲透風量設置

       滲透風量采用ContamW模型計算得到的設計工況下的滲透風量。

       （5）供暖期的選取

       按照《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736-2012中規定的日平均溫度≤+8℃的起止日期確定為供暖季，即11月27日至次年3月4日

       3.3 模擬結果及分析

       根據上述邊界條件進行高架候車廳空調熱負荷模擬計算，統計結果如表3所示。

       統計結果表明，該站房不保證1天熱負荷指標為129.7 W/m²，考慮溫度分層后的熱負荷指標增大至162.3W/m²，熱負荷指標增加了25.1%；峰值熱負荷指標則增大了約24.6%。

4 結論

       本文針對武漢某鐵路旅客站房高架候車廳，采用實測和多種數值模擬相結合的方法，進行高大空間熱負荷特性分析，獲得如下結論：

       （1）鐵路旅客站房的運營特征導致存在多處經常開啟的開口，如外門、檢票口等，此外還存在一些不合理的開窗等現象，使得大量無組織滲風進入公共區，滲透風引起的換氣次數達到2.0次/h以上；取消不合理開窗后，公共區無組織滲風引起的換氣次數仍然達到1.3次/h以上。

       （2）高大空間實測底部溫度為15.0℃，頂部溫度則達到20.0℃，人員活動區域溫度偏低，無法滿足溫度要求；關閉不合理的高側窗并開啟空氣幕系統后，設計工況模擬結果底部溫度可升高至18.7℃，能夠達到設計要求。

       （3）由于鐵路站房存在大量的無組織滲風和溫度分層，導致冬季熱負荷遠遠高于一般公共建筑，不考慮高大空間溫度分層時，熱負荷指標為129.7W/m²；考慮溫度分層后，熱負荷指標則增加至162.3 W/m²，增加了25.1%，進行冬季熱負荷計算時，應充分考慮這一因素。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。