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高铁站房高大空间空调系统气流组织研究

发表时间：2020/12/18 来源：《基层建设》2020年第24期作者：李盛超

[导读] 摘要：本文以某高铁站房作为研究对象，对高铁站房空调系统的设计边界条件进行分析，对高铁站房的气流组织进行研究，通过不同送风条件下房间内的气流特征、空气温湿度及送风风速进行数据对比分析，得出满足人体舒适要求的设计方案。

        中铁第六勘察设计院集团有限公司天津 300000
        摘要：本文以某高铁站房作为研究对象，对高铁站房空调系统的设计边界条件进行分析，对高铁站房的气流组织进行研究，通过不同送风条件下房间内的气流特征、空气温湿度及送风风速进行数据对比分析，得出满足人体舒适要求的设计方案。
        关键词：高铁站房；大空间；空调送风；气流组织
        1.引言
        随着我国经济的发展，高铁孕育而生，特别是京沪高铁通车后，巨大经济效益的显现，各地将建设高铁站房作为重要的经济助推器及政府工程。由于要满足人员密集、流动性大及市政典型工程的需要，一般高铁站房空间较大（大于10000m³），空间较高（大于10m），而且高铁站房一般通透性高，窗墙比高，灯光密集，空调负荷较大，热舒适环境较难控制。要保证旅客的舒适性要求，又要满足国家相关规范的节能要求，合理的气流组织必不可少。
        2.分层空调系统
        候车大厅作为旅客停留及上车的中转区域，是旅客重要的活动区域，因此为旅客创造一个舒适健康的候车环境，是暖通设计者努力的方向。旅客大厅作为高铁车站的高大空间，其空气调节系统有着特殊性的特点，气流分层现象明显，垂直梯度大，因此要在保证乘客舒适度的前提下实现节能，合理的气流组织很有必要。
        对于高大空间，一般采用分层空调形式，分层空调一般定义为：在大空间两侧或一侧设置送风喷口，下侧设置回风口，运用多股平行非等温射流将空间分割成上下两部分，仅对下部供应空调，形成“空调区”，对上部通风形成“非空调区”。
        分层空调为达到分层的目的，必须侧送多股平行气流互相搭接，以便对空调区进行全面覆盖。双侧对送射流末端不需要搭接，按照喷口中点距离的90%计算射程。
        实践证明，对于高度大于10m，体积大于10000m³的高大空间，当旅客大厅面宽大于45m时，采用双侧对送，下部回风的气流组织是合适的，当面宽小于45m时，采用单侧送风也可满足要求。由于在设计计算时仅对空调区进行负荷计算，负荷减少明显，分层空调一般可以节约冷负荷30%左右。
        3.气流组织设计
        气流组织对于分层空调的实现影响较大，合理的气流组织不但能够满足工作区的温度分布均匀，能够得到合理的速度场，还能保证分层空调效果和节能的运营。因此，合理的气流组织设计对送入旅客大厅的空气充分发挥作用至关重要，既能满足工作区空调要求，又能降低分层空调区高度，还能减小空调负荷和设备容量，最终达到节省运营目的。因此有必要对旅客大厅区的分层空调气流组织进行分析研究。如前所述，快速准确的预测室内空气分布情况是站房气流组织设计的关键和难点[1]。目前比较理想的室内空气分布预测方法是CFD（computational fluid dynamics）。
        由于旅客大厅气流流型主要取决于送风射流，送风口形式对气流组织和温度分布影响较大，回风口位置对气流组织和温度分布影响较小。因此重点研究空调送风方式[2]。分别从送风角度、送风温度、送风速度、送风高度四个方面对分层空调气流组织进行研究分析。
        1送风角度分析
        就夏季制冷空调来说，在保证其他数据不变的情况下，对送风的角度进行分析，分别有水平方向上的0°、侧面偏上方向15°和30°，这3种送风情况。通过这3种情况对研究区域的气流组织和温度分布进行分析，并总结出相应的气流组织特点。
        在水平方向0°的送风，会呈现向下流动趋势，气流会进入到人员活动区域，速度超过1m/s，导致室内人员易产生吹风的感觉，出现冷意，不能满足人员对舒适度的要求。
        在水平方向15°的送风，人员活动区较为适宜，温度在26~27℃浮动，满足人员对室内温度的需求，而且人员在检票进站区的短暂停留不会因温度较低产生不适。
        在水平方向30°的送风，送风角度较高，不能使近地面区的空气及时流通，对流不充分，导致非空调区温度较低，分层空调区温度较高，会使候车人员出现闷热等不适状况，造成较差的候车体验，而且空调送风的意义不大，造成资源浪费。
        2.2 送风温度分析
        进过研究分析可发现，送风角度对站房空气分布情况有一定影响，同时，送风温度也影响空气分布情况，所以要合理的调节送风温度，来保证室内人员舒适度需求，也达到节约资源的效果。本工程在避免送风结露的条件下，按照9℃温差进行送风。
        2.3 送风速度分析
        送风速度对空气分布及送风的气流组织有重要的影响，当送风速度较小时（小于4m/s），气流射程较短，导致距离风口较远区域温度较高，热舒适性较差，送风的速度过大（大于10m/s），则会产生极大的噪音，而且对距离风口较近的人员会产生不适感。工程中一般将风速控制在4~10m/s内。为了保证送风速度达到理想效果，让送风速度在到达人员聚集区开始减弱，可以适当提高送风速度，使工作区的平均风速先减小后增大，速度场均匀性变好，送风适宜，候车区域温度起伏不大，各个区域温度较平均，达到人员对室内舒适度要求。
        2.4送风高度分析
        送风高度在空调送风方式中占据一定地位，而且送风高度对气流组织的影响也较大，送风的高度一般会被成为“分层高度”，即上层非空调区域与下层空调区域的过渡段，所以空调在满足人员对候车厅温度适宜的条件下，对于分层高度越低越好，有利于节约能源。
        4.案例介绍及优化设计
        新建高铁燕郊站位于北方，紧邻首都北京，采用冬季供暖，夏季空调，其旅客大厅分地上两层，一层层高7.5m，吊顶高度5m，吊顶内设置百叶送风口，下部集中回风，气流组织采用上送下回；二层高度14.5m，采用分层空调形式，是本次研究的重点区域。
        设计条件：旅客大厅夏季空调27℃，相对湿度≤65%，新风量10m³/h•人，人员密度0.67人/㎡。二层旅客大厅采用分层空调形式，利用组合式空调机组+喷口送风+同侧下集中回风。旅客大厅长度83.4m，宽度37.4m，旅客大厅区域的球形喷口高度经与装修配合，中心标高3.85m。
        如何实现远距离送风，保证送风效果，是本次设计的关键点。由于旅客大厅面积较大，风口设置较多，难以模拟整体效果，但是，旅客大厅左右对称，因此仅对单侧进行分析计算，其他区域等气流组织与计算区域情况基本相同。
        图1为旅客大厅空调送风平面图。
        图2为旅客大厅喷口送风效果图。

单位：mm 图1 旅客大厅空调送风平面图

        图2 旅客大厅喷口送风效果图
        结合本工程的特点，笔者对喷口设置的气流效果进行了校核，在喷口直径为Ф400，风量1280m³/h，送风温差9℃，风口间距1600mm的条件下，

根据公式：
        当喷口角度为水平方向上3°，气流射程可达到16.5m，基本满足气流搭接，并满足喷口中点距离的90%计算射程。
        经过对气流组织的分析，考虑到其对气流组织的影响，从送风角度、送风温度、送风速度及送风高度这4个角度进行分析，通过研究，对各方面存在的问题进行优化，给出相应解决方案，使候车厅的气流组织适宜，温度达到人员满意水平，满足换气次数要求，使空间的舒适度达到最佳。
        图3为喷口送风示意图。
        图4为多股非等温自由射流轨迹。

图3 喷口送风示意图

        图4 多股非等温自由射流轨迹
        5.结论
        1）二层旅客大厅采用分层空调，两侧利用组合式空调机组+喷口送风+同侧下集中回风。两侧对称向旅客大厅送风，并在中间设置补强喷口，送喷口送风的单侧送风可达16.5m，既能满足旅客大厅的温度要求，又能起到节能运营的效果。
        2）由于旅客大厅气流形式主要取决于喷口送风，喷口形式对气流组织影响较大，回风口位置对气流组织和温度分布影响较小。
        3）二层旅客大厅送风角度对舒适性有一定影响，而对温度场、速度场的均匀性影响幅度不大。
        4）送风温差取9℃，可以保证旅客大厅区域的人员舒适，又能起到节能效果。
        5）送风速度的提高，对旅客大厅内平均速度的先减小后增加，速度场和温度场都较为均匀。
        6）在满足旅客大厅人员活动区的问题奥参数的前提下，分层高度越低越节能，喷口送风高度结合装修形式，中心标高控制在3.8m，可以满足送风距离和回流区位于人员活动区的较为理想位置。
        7）对于高大空间的空调送风方式，此种送风方式为同类高铁站房的空调设计提供了参考。
        8）对高铁站房大空间空调气流组织的不断优化，以促进高铁的进一步发展。
        参考文献：
        [1]贾学斌，张雷，陈敬文.高铁站房大空间空调送风的气流组织分析与研究[J].铁道科学与工程学报，2015，12（04）：762-768.
        [2]王全，刘燕敏，万嘉凤，等．某大空间阅览室送风方式的研究［J］．建筑节能，2011，11（39）：19 －23．