田利伟1，于靖华2，郭辉1，郭旭晖1，庄炜茜1
1中铁第四勘察设计院集团有限公司；2华中科技大学
【摘 要】本文以武汉某铁路旅客站房高架候车厅为例，基于候车厅高大空间渗透风和温度梯度测试结果，综合采用ContamW多区域网络法通风模拟软件和CFD三维数值模拟软件进行测试工况模拟计算，以验证模型的准确性；进一步针对设计工况下的渗透风量、温度梯度进行模拟计算，将计算结果作为DeST能耗模拟软件边界条件，进行高大空间冬季空调热负荷模拟计算。结果表明，设计工况冬季供暖时段高架候车厅渗透风量达到1.3次/h，高大空间存在较大的温度梯度，底部与顶部温差为6.0℃，考虑温度梯度后的热负荷则达到162.3 W/m2，相较于不考虑温度梯度时的热负荷增加了25.1%，研究结果旨在为高大空间空调系统设计提供参考依据。
【关键词】铁路站房；高大空间；分层空调；温度梯度；热负荷
0 引言
铁路旅客车站候车厅作为典型的高大空间，具有层高较高、人员密度及波动大、商业和旅服设施发热量大、与室外连通的开口多等特征，导致空调负荷大且热环境复杂[1]。目前铁路站房大空间普遍采用分层空调系统[2-6]，与全室空调相比，在夏季可实现节能26.5%[7]。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[8-11]，但部分站房特别是跨线高架站房运营过程反映，冬季候车厅人员活动区温度偏低，无法满足热舒适要求[12]。调研发现，冬季采用侧送喷口送热风时，由于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，空调热风上浮至高大空间顶部，造成底部人员活动区域温度偏低，热量聚集到高大空间顶部，候车厅高度方向温度梯度大，热舒适性较差，无法在下部空间形成有效的“空调区”。为保证底部人员活动区的温度设计要求，势必要进一步增大空调系统供热量，但会导致高大空间顶部温度进一步升高，候车厅热负荷增大。
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，获得铁路站房候车区冬季供暖时段的渗透风量和温度梯度特性，进而通过数值模拟的方法，针对设计工况下的渗透风量、温度梯度和空调热负荷进行模拟计算，获得铁路站房高大空间基于温度梯度的冬季设计热负荷，为站房运营和高大空间空调系统设计提供数据参考。
1 候车厅热环境调研测试
1.1 测点的布置
采用TSI多功能热球风速仪对一层进站广厅和二层高架候车厅各开口的温度和风速分布进行测试，同时记录各开口的开启面积。测点布置如图1所示。
同时，针对二层高架候车厅高大空间温度梯度分层问题，采用ZDR温度记录仪和Swema温度传感器HC2-s进行连续测量，每米高度1m设置一个温度记录仪，对候车区不同高度处的温度分布进行测量，数据采集时间间隔设置为1min。
1.2 渗透风进风面积与渗透风测试结果与分析
站房对外开口位置主要包括地下进站口、南站房进站口、北站房进站口、高架检票口、高侧窗及未知缝隙。其中地下进站口、南站房进站口、高架检票口为渗透风进风口且面积可以获得；北站房仍处于施工状态，其渗透风开口位置较多，在此采用高架通道（北）代替由北站房引起的渗透风进风口；高侧窗及未知缝隙主要为出风口，无法准确获得，在此不做统计。因此，最终统计获得站房渗透风主要进风口相关参数如表1所示。
测试结果表明，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；高架候车厅渗透风量为54.7万m3/h，折合换气次数为2.0次/h。
1.3 二层高架候车厅温度分布特性
由于冬季时段采用分层空调，喷口送出的热风在热浮力和底部渗透风的综合影响下，聚集到站房顶部，仅部分热量能够送达旅客活动区域。对二层高架候车厅高大空间的温度梯度测试结果如图2所示。
测试结果表明，站房底部人员活动区温度基本保持在15.0~15.5℃之间，无法满足《铁路旅客车站建筑设计规范》GB 50226-2007（2011年版）中规定的18~20℃的设计要求；顶部区域的温度则达到了20℃左右，顶部的热量最终会通过幕墙渗透或屋顶散失到室外，造成能源的浪费。
2 候车厅气流组织数值模拟
根据站房底图建立ContamW模型，根据渗透风测试结果，并对模型进行验证并确定各区域开口面积；进一步结合高大空间温度梯度测试结果和各区域开口面积计算结果，建立CFD模型模拟计算设计工况下高大空间的气流组织和温度梯度，用于基于温度分层的高大空间建筑热负荷DeST模拟计算。
2.1 基于ContamW模型的站房各区域开口面积计算分析
（1）ContamW模型的建立
按照站房实测底部门洞开口尺寸以及CFD软件模拟的建筑外表面风压系数作为边界条件，建立站房ContamW模型，模型如图 3所示。
（2）实测工况的ContamW模型渗透风量和开口面积计算结果
由于南站房底部开口面积、二层高架候车厅东西两侧检票口面积均可知，这些开口均为进风口，高侧窗的出风口面积则无法准确测得。因此ContamW模型模拟过程通过调整南站房高侧窗、二层高架候车厅东西两侧窗户开启面积，最终使得模拟工况各开口风量与实测风量保持一致；北站房则通过调整底部开口面积使得进风量与高架通道（北）风量保持一致。此时站房各开口的风量模拟结果与实测结果对比如表2所示。
注：高架层进风量为高架通道（南）、高架通道（北）、高架东检票口与高架西检票口四部分进风量之和；站房总进风量为除高架通道（南）和高架通道（北）之外的其它外部开口进风量之和。
结果表明，通过调整ContamW模型中高侧窗和北站房的开口面积，ContamW模型风量计算结果与实测结果与实测结果误差在1.4%以内，模拟结果是可信的。此时无组织渗风进风口面积为83.1m2，出风口面积为99.9m2；其中南站房高侧窗开启面积为11m2，高架东、西两侧高侧窗面积分别为54.45 m2和34.45m2。将该数值作为站房实测时未知开口的面积。
（3）设计工况站房渗透风量分析
实测工况时，由于二层高架候车厅部分高侧窗处于开启状态，且外门的空气幕均为开启。冬季空调供暖时不合理的开窗面积合计为50.4m2，进行设计工况计算时，应将该部分面积扣除；同时考虑南站房进站口和二层高架候车厅东、西检票口空气幕阻隔效率分别为57.4%和30%（两个数值通过渗透风模拟计算获得），以此阻隔效率修正开口面积，进行设计工况渗透风量的计算。
ContamW模型的开口面积进行上述修正并重新计算，即可得到设计工况下站房的渗透风量，计算结果表明，设计工况站房总进风量为42.2万m3/h，折合换气次数为1.45次/h；二层高架候车厅进风量为37.3万m3/h，折合换气次数为1.36次/h。
2.2 基于CFD模型的高架候车厅温度梯度模拟分析
（1）CFD模型的建立
根据建筑底图建立二层高架候车厅的CFD三维模型，如图4所示。将实测工况的ContamW模型渗透风量和开口面积计算结果作为边界条件，进行高大空间气流组织和温度梯度模拟计算。
（2）实测工况CFD模拟结果及分析
经模拟计算，候车厅不同高度的温度分布模拟结果与实际测试结果对比如图5所示。
由图可知，近地面处两者相差1.7℃，其余高度数据模拟结果与实测结果的吻合度很好。这是由于CFD模型中各检票口均匀分布渗透风，近地面处受渗透风影响较大；而实测过程，仅在检票口开启时段近地面才受检票口处渗透风的影响。对比结果表明，模型模拟结果的准确性较高，CFD模拟结果是可信的。
（3）设计工况模拟结果及分析
与ContamW模型中的设计工况边界条件保持一致，即关闭不合理的开窗、东/西检票口空气幕开启后，重新进行候车厅气流组织模拟分析，模拟结果如图6所示。
模拟结果表明，主导风风速为3m/s时，高架候车厅0~1m高度平均温度为18.7℃，1~2m高度平均温度为21.7℃，2~4m高度平均温度为23.7℃，4~14m高度平均温度为24.3℃，14~18m高度温度趋于一致，为24.7℃，整个高大空间上下温差为6.0℃。
3 候车厅冬季热负荷模拟计算
3.1模型的建立
采用DeST逐时能耗模拟软件建立站房的能耗模型，如图7所示。
根据实际情况和经验，在DeST输入中对模型进行如下简化处理：
（1）按照高架层的容积将弧形屋顶折算成平屋顶；
（2）冬季的热负荷不考虑人员、照明与设备负荷，主要因素是围护结构和渗透风；
（3）高架候车厅高度方向温度分层较为明显，为精确模拟高架候车室的热负荷，人为将高架候车厅根据温度分层设置成多层。
3.2 边界条件及模拟工况的确定
（1）室外计算参数设置
采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中武汉市典型气象年气象数据。
（2）围护结构热工性能设置
按照站房围护结构实际热工性能边界条件进行设置。
（3）室内温度设置
本节的研究目的是获得温度分层对热负荷的影响，因此只对高架候车厅在有温度分层和无温度分层时的热负荷进行统计，温度分层工况采用CFD模型计算得到的设计工况温度梯度分布；无温度分层工况冬季空调室内设计温度采用温度分层工况的底部温度，即18.7℃。
（4）渗透风量设置
渗透风量采用ContamW模型计算得到的设计工况下的渗透风量。
（5）供暖期的选取
按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012中规定的日平均温度≤+8℃的起止日期确定为供暖季，即11月27日至次年3月4日
3.3 模拟结果及分析
根据上述边界条件进行高架候车厅空调热负荷模拟计算，统计结果如表3所示。
统计结果表明，该站房不保证1天热负荷指标为129.7 W/m2，考虑温度分层后的热负荷指标增大至162.3W/m2，热负荷指标增加了25.1%；峰值热负荷指标则增大了约24.6%。
4 结论
本文针对武汉某铁路旅客站房高架候车厅，采用实测和多种数值模拟相结合的方法，进行高大空间热负荷特性分析，获得如下结论：
（1）铁路旅客站房的运营特征导致存在多处经常开启的开口，如外门、检票口等，此外还存在一些不合理的开窗等现象，使得大量无组织渗风进入公共区，渗透风引起的换气次数达到2.0次/h以上；取消不合理开窗后，公共区无组织渗风引起的换气次数仍然达到1.3次/h以上。
（2）高大空间实测底部温度为15.0℃，顶部温度则达到20.0℃，人员活动区域温度偏低，无法满足温度要求；关闭不合理的高侧窗并开启空气幕系统后，设计工况模拟结果底部温度可升高至18.7℃，能够达到设计要求。
（3）由于铁路站房存在大量的无组织渗风和温度分层，导致冬季热负荷远远高于一般公共建筑，不考虑高大空间温度分层时，热负荷指标为129.7W/m2；考虑温度分层后，热负荷指标则增加至162.3 W/m2，增加了25.1%，进行冬季热负荷计算时，应充分考虑这一因素。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
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