高鐵站房候車廳空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

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摘要:新時(shí)期的鐵路客站不僅需要滿足旅客安全、便捷出行的基本要求，還要給旅客提供溫馨舒適的室內(nèi)候車環(huán)境。從空調(diào)冷熱負(fù)荷計(jì)算、空調(diào)設(shè)備選型與布置、室內(nèi)氣流組織、空調(diào)機(jī)房設(shè)置、空調(diào)末端配置、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)角度分析了高鐵站候車大廳空調(diào)效果影響因素及存在的問題，并就問題提出了改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞:高鐵站房;候車大廳;空調(diào)設(shè)計(jì)

近十年來鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，掀起了鐵路客運(yùn)站房建設(shè)的高潮。高鐵站作為鐵路樞紐，承擔(dān)著旅客集散的重要作用，新時(shí)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(yùn)營中出現(xiàn)了不少高鐵站候車大廳空調(diào)效果不理想的現(xiàn)象，主要體現(xiàn)在溫濕度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、冷熱不均及悶熱等方面，已無法滿足新時(shí)代“暢通融合、綠色溫馨、經(jīng)濟(jì)藝術(shù)、智能便捷“的高鐵建設(shè)理念［1］。

1候車大廳空調(diào)效果的影響因素及存在的問題

候車廳的空調(diào)效果主要取決于空調(diào)設(shè)計(jì)，其中空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算、空調(diào)設(shè)備設(shè)計(jì)、室內(nèi)氣流組織、空調(diào)機(jī)房設(shè)置、空調(diào)末端、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是空調(diào)設(shè)計(jì)包含的主要內(nèi)容。

1．1空調(diào)冷熱負(fù)荷計(jì)算

空調(diào)設(shè)計(jì)首先是進(jìn)行空調(diào)負(fù)荷的逐時(shí)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果的取值將直接影響到系統(tǒng)設(shè)備選型與配置，進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行效果［2］。影響空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果因素很多，其中人員密度取值與滲透風(fēng)量是影響計(jì)算準(zhǔn)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(diào)負(fù)荷呈線性關(guān)系，隨著候車區(qū)人不斷增加，空調(diào)負(fù)荷會(huì)相應(yīng)增大。據(jù)最新的國家鐵路相關(guān)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(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大與完善，旅客發(fā)送量會(huì)與日俱增。若按照當(dāng)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(diào)設(shè)計(jì)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3300m2高鐵站候車廳為例，僅當(dāng)人員密度取值產(chǎn)生變化時(shí)，對(duì)比分析兩者夏季空調(diào)冷負(fù)荷的變化(見表1)。當(dāng)人員密度變大時(shí)導(dǎo)致總冷負(fù)荷增幅約34%，新風(fēng)和人體冷負(fù)荷增幅約47%。經(jīng)計(jì)算，采用一次回風(fēng)的方式送風(fēng)量分別是85000m3/h和125000m3/h，送風(fēng)量增幅約47%。可見，人員密度取值不同，對(duì)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果影響十分大。此外，如果設(shè)計(jì)階段人員密度考慮偏小，運(yùn)營后且無根據(jù)CO2濃度調(diào)節(jié)新風(fēng)量的措施，隨著客流量增大導(dǎo)致人員密度遠(yuǎn)超原設(shè)計(jì)，新風(fēng)量無法根據(jù)實(shí)際室內(nèi)CO2濃度調(diào)節(jié)，會(huì)帶來室內(nèi)悶熱、頭暈等不良感覺。2)未考慮滲透風(fēng)。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(nèi)外空氣對(duì)流，產(chǎn)生滲透風(fēng)、穿堂風(fēng)。而穿堂風(fēng)會(huì)使空調(diào)負(fù)荷猛增、空調(diào)效果急劇下降，增加建筑能耗。3)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)a．缺少遮陽設(shè)計(jì)。當(dāng)太陽直接輻射于人體時(shí)，對(duì)候車舒適性影響非常大。高鐵候車大廳垂直于水平圍護(hù)結(jié)構(gòu)多采用透明玻璃幕墻以及天窗等形式，缺少內(nèi)外遮陽設(shè)施設(shè)計(jì)，室內(nèi)受太陽直射輻射和散射輻射時(shí)，白天舒適性變差。b．主要出入口門斗影響。進(jìn)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(fēng)，大大降低了室內(nèi)空調(diào)效果(如圖2，圖3所示)，合理設(shè)置門斗可以避免形成穿堂風(fēng)。c．圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲漏風(fēng)是降低空調(diào)能耗的又一隱患。外窗的選型不當(dāng)、門窗幕墻密封材料選擇不合理、圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙及穿墻孔洞等封堵不嚴(yán)等都會(huì)產(chǎn)生滲漏風(fēng)，降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性。

1．2空調(diào)設(shè)備選型與布置

空調(diào)設(shè)備選型時(shí)往往會(huì)由于空調(diào)負(fù)荷計(jì)算不準(zhǔn)確、滲透風(fēng)量考慮不足等因素，直接導(dǎo)致空調(diào)冷熱源設(shè)備、末端設(shè)備選擇容量不足。空調(diào)系統(tǒng)啟動(dòng)后，風(fēng)冷型設(shè)備需要與周邊的空氣進(jìn)行循環(huán)換熱。散熱才能冷卻，進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)條件至關(guān)重要。實(shí)際工程中設(shè)備布置距建筑墻體或者屋面過近時(shí)就會(huì)造成氣流短路、不暢，熱氣回流等問題，設(shè)備實(shí)際進(jìn)出風(fēng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定值，如果不對(duì)設(shè)備出風(fēng)力進(jìn)行修正，最終空調(diào)系統(tǒng)將無法滿足實(shí)際空調(diào)負(fù)荷需求(如圖4所示)。

1．3室內(nèi)氣流組織

對(duì)于候車大廳這類開敞、高大空間而言，空調(diào)氣流組織形式對(duì)空調(diào)效果至關(guān)重要。不合理的氣流組織形式，不僅會(huì)導(dǎo)致氣流無法送達(dá)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(diào)的能耗。1)送風(fēng)距離及回風(fēng)口布置。設(shè)計(jì)中為了候車空間的美觀整潔，當(dāng)采取單側(cè)側(cè)送風(fēng)時(shí)，如送風(fēng)距離較長，將導(dǎo)致遠(yuǎn)端旅客空間空調(diào)效果不理想。側(cè)送風(fēng)的送風(fēng)范圍受風(fēng)口角度限制，而回風(fēng)又大多采取集中回風(fēng)，如回風(fēng)口設(shè)置不合理時(shí)，則會(huì)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(fēng)距離過大。候車大廳層高一般在10m以上，此時(shí)選擇頂送的氣流組織方式，空調(diào)回風(fēng)口設(shè)置不合理(如圖6所示)，可能導(dǎo)致冬季暖風(fēng)無法送抵空調(diào)區(qū)域。3)空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)水力計(jì)算。由于噴口等風(fēng)口的局部阻力比普通百葉風(fēng)口阻力高很多，空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)水力計(jì)算中應(yīng)充分考慮此部分阻力。若忽視風(fēng)口阻力，風(fēng)口入口風(fēng)壓不足，會(huì)造成風(fēng)口送風(fēng)量與送風(fēng)距離均無法滿足實(shí)際需求。以400型噴口選型為例，若設(shè)計(jì)風(fēng)量為2000m3/h，風(fēng)口入口靜壓要求為100Pa，實(shí)際空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)水力計(jì)算不足，導(dǎo)致風(fēng)口入口靜壓只有60Pa，則實(shí)際送風(fēng)量減少至1350m3/h，風(fēng)量衰減32．5%。

1．4空調(diào)機(jī)房設(shè)置

空調(diào)機(jī)房遠(yuǎn)離服務(wù)區(qū)，空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)距離及服務(wù)面積過大，造成空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)水力平衡調(diào)整困難，局部風(fēng)口風(fēng)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。機(jī)房內(nèi)設(shè)備檢修維護(hù)困難，后期使用中設(shè)備發(fā)生故障無法處理，空調(diào)效果同樣受影響。

1．5空調(diào)末端配置

候車大廳人員密度、滲透風(fēng)等因素會(huì)導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷峰值很大，空調(diào)末端選型時(shí)應(yīng)充分考慮這一特點(diǎn)，末端設(shè)計(jì)需要預(yù)留一定的余量，以緩沖峰值負(fù)荷對(duì)候車大廳空調(diào)效果的影響。風(fēng)口選型:根據(jù)候車大廳高大空間的特點(diǎn)，其空調(diào)送風(fēng)口一般選用噴口、旋流風(fēng)口等形式，其型號(hào)變化對(duì)送風(fēng)量、送風(fēng)距離影響很大。實(shí)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(fēng)口尺寸的現(xiàn)象。以單個(gè)球型噴口為例，設(shè)計(jì)風(fēng)量為1300m3/h，送風(fēng)距離為35m，應(yīng)選擇400球噴。若因安裝空間受限，最終選擇315球噴，則實(shí)際送風(fēng)量與送風(fēng)距離均無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致空調(diào)效果不佳，局部形成氣流死角(見表2)。

2空調(diào)系統(tǒng)增效建議

2．1空調(diào)冷熱負(fù)荷計(jì)算

計(jì)算負(fù)荷時(shí)應(yīng)結(jié)合氣流模擬確定，人員密度取值須結(jié)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(shí)考慮滲透風(fēng)量對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響。

2．2冷熱源設(shè)備安裝距離

設(shè)計(jì)、安裝風(fēng)冷設(shè)備時(shí)要保證其進(jìn)、排風(fēng)條件，設(shè)備邊緣與外墻的距離須大于1．5倍設(shè)備高度。避免遮擋設(shè)備頂部，如設(shè)備頂部有屋檐，設(shè)備與屋檐的距離須大于2．5倍設(shè)備高度，并在屋面設(shè)導(dǎo)流設(shè)施，防止雨水直接排到設(shè)備上。

2．3完善空調(diào)氣流組織

空調(diào)氣流組織設(shè)計(jì)需要從送風(fēng)方式、風(fēng)口選型、水力計(jì)算、設(shè)備布局等方面綜合考慮。結(jié)合鐵路客站工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及分析。1)合理選擇送風(fēng)方式。候車大廳風(fēng)口應(yīng)通過風(fēng)量、風(fēng)速計(jì)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(fēng)口與構(gòu)筑物之間的安裝距離需要保證，確保送風(fēng)面積與條件。2)控制送風(fēng)距離。風(fēng)口安裝高度應(yīng)按照送風(fēng)距離、角度以及送風(fēng)范圍確定，送風(fēng)距離小于18m可采用單側(cè)送或雙側(cè)對(duì)送。送風(fēng)距離18m～36m時(shí)，采用單側(cè)送風(fēng)時(shí)，送風(fēng)口宜配備雙層遠(yuǎn)近風(fēng)口。側(cè)送風(fēng)回風(fēng)口宜設(shè)在送風(fēng)口同側(cè)下方。送風(fēng)距離大于36m時(shí)，應(yīng)采用雙側(cè)對(duì)送射流，當(dāng)距離過大時(shí)，應(yīng)在中間區(qū)域增加中間送風(fēng)口或風(fēng)柱。3)送風(fēng)系統(tǒng)水力計(jì)算。風(fēng)系統(tǒng)水力計(jì)算應(yīng)充分考慮風(fēng)口局部阻力，根據(jù)設(shè)備選型圖表確定局部阻力。4)風(fēng)口角度。側(cè)送噴口風(fēng)口送風(fēng)角度對(duì)送風(fēng)效果影響很大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果明確不同送風(fēng)工況下設(shè)計(jì)角度。

2．4空調(diào)機(jī)房及空調(diào)機(jī)組配置

設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理均勻布置空調(diào)機(jī)房，保證空調(diào)機(jī)房臨近空調(diào)服務(wù)區(qū)域，合理控制空調(diào)機(jī)房服務(wù)半徑，充分考慮空調(diào)機(jī)房的安裝、檢修空間需求，保證施工、運(yùn)維等后續(xù)工作順利進(jìn)行?？照{(diào)末端設(shè)備(空調(diào)處理機(jī)組)應(yīng)考慮一定的發(fā)展余量及峰值負(fù)荷緩沖能力［3］。

2．5外圍護(hù)結(jié)構(gòu)

1)設(shè)計(jì)階段應(yīng)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(yīng)根據(jù)站房的進(jìn)深確定是否設(shè)置，天窗面積應(yīng)予以控制。當(dāng)側(cè)式站房進(jìn)深小于50m時(shí)，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(jìn)深較大時(shí)，可同時(shí)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(dǎo)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?yàn)榧?，盡量避免東西朝向。如采用水平天窗，應(yīng)設(shè)計(jì)遮陽設(shè)施。對(duì)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(gòu)件形成自遮陽，或采用遮陽百葉、遮陽幕、遮光膜等室內(nèi)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(shù)措施，減少陽光輻射，降低候車大廳空調(diào)負(fù)荷。夏熱冬暖地區(qū)的站房，重點(diǎn)關(guān)注遮陽設(shè)計(jì)，通過挑板等建筑造型形成自遮陽系統(tǒng)，或設(shè)置遮陽簾等內(nèi)遮陽設(shè)施。寒冷地區(qū)的站房，盡量避免大面積玻璃幕墻構(gòu)造，選用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)盡量小。圖7室內(nèi)遮陽措施（遮陽簾）圖8挑檐自遮陽3)候車大廳進(jìn)站與檢票口、售票廳入口處應(yīng)考慮增設(shè)門斗。應(yīng)合理設(shè)置安檢設(shè)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(fēng)(如圖9，圖10所示)。4)合理設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。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(duì)流會(huì)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(duì)流，熱損失要小的多。因此，在寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)外墻應(yīng)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(jìn)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(yīng)根據(jù)溫度的適用范圍及選用原則進(jìn)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(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)上的施工縫隙、管道或風(fēng)口等穿孔縫隙要封堵嚴(yán)實(shí)。站房屋面桁架四周做好保溫并密封。

2．6空調(diào)智能化設(shè)計(jì)

由于高鐵站的運(yùn)營時(shí)間長，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間較普通公共建筑長，其可靠性應(yīng)在設(shè)計(jì)中特別關(guān)注?？照{(diào)智能化設(shè)計(jì)能為空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行提供實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，并提供更為節(jié)能的運(yùn)行策略，提高空調(diào)系統(tǒng)智能化水平，對(duì)系統(tǒng)可靠、節(jié)能運(yùn)行具有十分重要的作用。1)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在易發(fā)生堵塞部位(如空氣過濾器)設(shè)置壓差監(jiān)測及自動(dòng)報(bào)警，電動(dòng)風(fēng)閥設(shè)置風(fēng)閥開度監(jiān)測及異常報(bào)警。2)空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在易發(fā)生堵塞部位(如過濾器、主機(jī)冷凝器)設(shè)置壓差檢測、自動(dòng)報(bào)警，有條件的設(shè)計(jì)帶自動(dòng)清洗功能的過濾器、冷凝器等自動(dòng)清洗設(shè)備。盡量選用自動(dòng)化程度較高的主機(jī)，避免人工調(diào)整主機(jī)運(yùn)行參數(shù)帶來的誤操作。

3結(jié)語

合理的空調(diào)設(shè)計(jì)不僅可提供美好的出行和候車環(huán)境，更是當(dāng)前能源形勢的迫切需要，空調(diào)設(shè)計(jì)需要充分考慮發(fā)展余量，準(zhǔn)確計(jì)算空調(diào)負(fù)荷，并結(jié)合實(shí)際空間特點(diǎn)，合理排布空調(diào)氣流組織形式。同時(shí)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)采取節(jié)能措施，降低空調(diào)負(fù)荷。充分應(yīng)用空調(diào)智能化技術(shù)，使空調(diào)系統(tǒng)可靠、節(jié)能。

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作者:周彥華 單位:中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心