中铁第四勘察设计院集团有限公司 田利伟 郭 辉 郭旭晖 庄炜茜
华中科技大学 于靖华
摘 要：针对夏热冬冷地区铁路旅客站房冬季室内的热环境问题，以武汉某铁路站房为调研对象，
进行候车区高大空间开口尺寸、渗透风量和温度分布进行实地调研。结果表明，调研时段站房总渗透风量达到61.2万m3/h，折合换气次数为2.1次/h，其中高架候车室渗透风量为54.7万m3/h，折合换气次数为2.0次/h，整个站房单位空调面积渗透风热负荷为68.5W/m2，高大空间下部候车区温度为15.0℃，顶部温度为20.0℃，上下温差为5℃，调研结果为站房运行节能提供了技术参考。
关键词：高大空间；分层空调；热负荷；温度梯度；测试
0 引言
目前铁路站房、航站楼、会展中心等高大空间普遍采用分层空调系统[1~5]，从运行效果来看，该送风方式通常可以满足站房的空调采暖需求[6~9]。但部分站房特别是跨线高架站房运营过程反映，冬季室内人员活动区局部区域温度偏低，无法满足室内的热舒适性要求[10,11]。调研发现，冬季采用喷口侧送热风时，由于送风距离较大，且候车厅底部存在多处与室外连通的通道，导致大量室外无组织渗风进入室内，加之热浮力的影响，室内竖向温度梯度加剧，造成高大空间底部人员活动区域温度偏低，热舒适性较差。
针对这一问题，本文以武汉某一特大型铁路旅客站房为例，进行现场调研测试，获得铁路站房候车厅冬季供暖时段的渗透风量与高大空间热环境特性，为站房运营和高大空间空调系统设计提供数据参考。
1 工程概况
选取武汉某特大型铁路旅客站房作为调研对象，其高架候车厅属于典型的高大空间。根据建筑图纸统计得到各楼层高度、面积及功能，具体见表 1。火车站具体布局如图 2所示，该火车站采取地上候车，上进下出的方式，站房为南北朝向，地下1层为地下进站集散厅（4184m2）；1层除售票厅外设有南站房进站集散厅（1913m2）、普通候车室（1880m2）、1楼贵宾候车室（3120m2）和北站房进站集散厅（4712m2）；2层设有母婴候车室（808m2），高架候车室（18216m2）等。
高架候车室长198m，宽92m，屋顶为拱形，最高端距离地面为18.0m，最低端距离地面13m，是典型的高大空间。高大空间上部宽度为92m，面积为198m×92m=18216m2；高度4m以下，两端各有进深为13m的商铺。
图1 站房平面示意
表 1 建筑各楼层高度、面积及功能
2 冬季室内热环境调研测试
2.1 调研测试内容及测点布置
测试时间为2016年12月25日，调研测试的主要内容包括以下几方面：
（1）高架候车室高大空间顶部温度分布；
（2）送风口温度及风速；
（3）室内空气温度，包括：① 地下进站广厅；② 南站房进站广厅；③ 中央通道；④ 高架候车室；⑤ 北站房进站广厅。
（4）无组织渗透风量，包括：① 高架候车厅检票口；② 南站房进站广厅主进站口；③ 地下1层通往南站房进站广厅楼梯口；④ 中央通道至高架候车室通道口；⑤ 北站房进站广厅至高架候车室通道口。
（5）室外风速和温度；
（6）围护结构类型及开窗情况。
2.2 测试仪器及校核
测试过程采用12台ZDR温度记录仪，2台Swema温度传感器HC2-s，4台TSI多功能风速仪，各仪器的技术参数如表2所示。
表2 测量仪器技术参数
测试前对各仪器进行校核和标定，首先将所有仪器进行编号，并将国际Swema 公司标定的温度传感器HC2-s之一作为对比仪器，所有仪器测量同一位置同一段时间内的空气温度变化，采用稳定时段的数据，绘制其它仪器与对比仪器之间的关系曲线，得到拟合公式，作为测试结果的修正公式，将其它仪器的测试结果进行修正。
3 调研测试结果与分析
3.1 渗透风量测量结果
采用TSI多功能热球风速仪测试室外及各开口的风速，室外及各区域温度，测得不同开口处室外温度在7.3~7.8℃之间。
站房对外开口位置主要包括地下进站口、南北进站口、高架检票口、高侧窗及未知缝隙。对于站房底部的进风开口，可以通过测试准确获得；对于高处的开口及未知缝隙，无法准确获知，因此表3仅对底部进风口的测试结果进行统计。
表3 各进风开口测试结果统计
注：1排风主要是由于高侧窗开启，风压和热压引起；排风温度为所能测得的开口的排风温度平均值。
测试结果表明，整个站房的渗透风路径为：地下进站厅和南站房进站口进来的渗透风被空调系统加热后一部分由南站房高侧窗流出，一部分进入到1层高架候车室；由北站房进站口进入的渗透风经由北侧通道进入高架候车室；高架候车室还存在通过东、西两侧检票口进入的渗透风；三部分渗透风最终被加热到17.9℃，并由东、西高侧窗及缝隙渗透至室外。
站房公共区总渗透风量为61.2万m3/h，折合换气次数为2.1次/h；高架候车室渗透风量为54.7万m3/h，折合换气次数为2.0次/h。测试时段站房的主导风向为北向，主要渗透风口为北站房进风量最大（即通过高架北侧通道进入的风量），占总渗透风量的43.3%，其次是南站房，占总渗透风量的37.6%，高架层的东、西检票口虽然位于候车厅两侧，但两部分渗透风量之和占比仅为19.1%。
3.2 高大空间温度分布测量结果
高大空间温度主要包括检票口渗透风温度、喷口送风温度、候车区不同高度的温度梯度。其中喷口设置于高架候车室两侧商业夹层，采用热线风速仪对216个喷口的送风温度和送风速度进行测试，结果表明送风口的平均温度为40.4℃，平均速度为7.32m/s；东、西两侧检票口处的渗透风温度分别为7.8℃和7.7℃。
候车室高大空间高度为18m，从屋顶马道向下悬挂温度记录仪，高度上每隔1m设置一处监测点，下部6m高度以内采用Swema温度传感器固定在伸缩杆上的方法进行实时测量，高大空间温度梯度布点如图2所示。取20:00~21:00之间的数据进行分析，测试结果如图3所示。
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| 图2 高大空间温度梯度测试 | 图3 高大空间温度梯度分布 |
结果表明，高大空间底部空气温度为15.0℃，近地面处温升随高度变化较快，在6m以下近似线性增加，该部分区域主要受渗透风影响；6~12m高度之间温度缓慢增加，由18.5℃增加到20℃左右；当高度达到12m以上时，温度趋于一致，16m高度处的温最高，达到20.0℃，在17~18m处温度稍低，这是因为吊顶上部的马道夹层温度偏低，存在通过吊顶缝隙的冷热交换；整个高架候车厅底部和顶部之间温差为5℃。
3.3 渗透风负荷特性分析
根据测试的渗透风量、渗透风温度，及各区域温度，计算渗透风热负荷，计算结果如表4所示。
表4 各开口参数
统计结果表明，测试阶段站房渗透风引起的总热负荷为2122kW，折合成整个站房单位空调面积渗透风热负荷为68.5W/m2，其中高架候车厅单位空调面积渗透风热负荷为56.1W/m2。此时对应的室外温度为7.3~7.8℃；如果室外温度降低至武汉地区空调室外计算温度-2.6℃，则渗透风引起的总热负荷将达到4220kW，折合成整个站房单位空调面积渗透风热负荷为136.2W/m2。
3.4 站房运营过程存在的问题
调研过程发现站房运营时存在一定的不合理现象，主要体现在以下几个方面：
（1）两侧商业夹层处的高侧窗全年处于开启状态，对于空调期和过渡季节，高侧窗的开启，可以将候车厅上部的热量排至室外，提高候车区的热舒适性，而冬季则会加大风压和热压的作用，空调喷口送出的热风无法达到人员活动区。
图4 高侧窗开启
（2）空调机组新风阀未完全关闭。对于一般民用建筑，空调系统需满足室内人员的新风要求，而对于铁路旅客站房，由于进站口、检票口等长时间处于开启状态，无组织渗风能够满足新风要求，因此空调系统不需要设置新风。
（3）空调系统运行维护有待提高，如检票口处的风幕机处于关闭状态、部分空调机组的送风参数没有达到设计要求、回风口被商业用房设备遮挡等现象较为明显。
4 结论
分层空调是夏热冬冷地区铁路站房普遍采用的空调系统形式，该空调系统形式在冬季供暖时段存在一定弊端，部分站房旅客反映冬季空调效果较差，因此本文针对武汉某特大型铁路旅客站房进行了冬季热环境调研测试，结果表明：
（1）由于铁路站房的功能特征，进站口和检票口长期处于开启状态，导致冬季渗透风量较大，渗透风换气次数可达2次/h以上，测试阶段渗透风引起的单位面积热负荷达到68.5W/m2，折算成冬季空调室外计算温度时则达到136.2W/m2，该部分热负荷应引起足够重视。
（2）冬季采用分层空调进行供暖时，受底部渗透风的影响，喷口热风在风压和热压作用下，热量上浮至站房顶部，底部温度在15℃左右，顶部温度可达到20℃，顶部热量最终通过高侧窗和屋顶散失到室外，造成热量的损失。
（3）空调机组冬季供热时段新风阀应关闭，以减少新风负荷；同时站房应提高密闭性，如开启检票口处的风幕机，关闭站房高侧窗等，达到降低渗透风负荷的目的，提高站房候车区的热舒适性。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年6月刊总第22期。
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