摘要
針對(duì)國內(nèi)高鐵客站供暖空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及研究情況進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，重點(diǎn)關(guān)注了室內(nèi)熱濕環(huán)境狀況、影響空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的滲透風(fēng)及室內(nèi)末端方式等因素。從車站室內(nèi)熱濕環(huán)境狀況來看，仍需結(jié)合高鐵客站人員活動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)一步研究適宜的熱舒適需求參數(shù)；從滲透風(fēng)影響情況來看，仍需對(duì)高鐵客站的滲透風(fēng)量與人員需求新風(fēng)量之間的關(guān)系及調(diào)控方法等進(jìn)行研究；從室內(nèi)末端方式來看，噴口送風(fēng)方式仍存在一定局限性，可借助輻射末端等改善高大空間的室內(nèi)冬夏環(huán)境控制。
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0 引言
鐵路客站是重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施和交通樞紐建筑，對(duì)城市發(fā)展、城鎮(zhèn)化建設(shè)等具有重要的戰(zhàn)略意義。經(jīng)過十余年的飛速發(fā)展，我國高鐵運(yùn)營里程已超過2.5萬km。“十三五”規(guī)劃和《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》指出，到2020年我國高速鐵路里程將達(dá)到3萬km。與此同時(shí)，高鐵客站建筑也快速發(fā)展，目前己經(jīng)開通運(yùn)行的高鐵客站已超過500座。
如何有效降低高鐵客站供暖空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗是亟需研究的重要問題，也是進(jìn)一步促進(jìn)我國高鐵建設(shè)、運(yùn)行事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必備環(huán)節(jié)。本文對(duì)國內(nèi)高鐵或鐵路客站供暖空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行情況進(jìn)行綜述分析，以便對(duì)其系統(tǒng)實(shí)際性能及關(guān)鍵影響因素形成清晰認(rèn)識(shí)，并對(duì)需要進(jìn)一步深入研究的問題提出展望，從而為提出降低其運(yùn)行能耗的合理措施提供切實(shí)指導(dǎo)。
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1 高鐵客站建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行現(xiàn)狀
1.1 車站基本功能與布局
當(dāng)前各類高鐵客站站房通常為典型的高大空間建筑（如圖1所示），室內(nèi)凈空間高達(dá)十幾m甚至幾十m，而人員一般僅在地上2m以內(nèi)的高度范圍內(nèi)活動(dòng)；同時(shí)建筑單體體量大，一些大型、特大型高鐵客站候車廳的跨度可達(dá)幾十m甚至上百m，單個(gè)候車大廳的面積也可達(dá)幾千m 甚至數(shù)萬m2。車站建筑體形系數(shù)小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響較?。怀鲇谝曇昂筒晒庖?，車站頂部通常設(shè)置一定比例的天窗或側(cè)窗，使得太陽輻射等成為影響室內(nèi)環(huán)境的重要因素；人員、設(shè)備等集中在底部，是最重要的室內(nèi)熱源；而照明密度相對(duì)較低，影響較小。
圖1 典型鐵路客站空間環(huán)境
特大型、大型高鐵車站候車廳過于高大，豎直方向空間利用率較低，對(duì)如何營造底部人員活動(dòng)區(qū)的熱濕環(huán)境提出了較高要求。圖2顯示了典型高鐵客站候車大廳的功能布局及室內(nèi)末端方式。通常底部大廳為旅客候車、進(jìn)站檢票口及部分商業(yè)區(qū)域，空間高大、開敞；兩側(cè)夾層主要為餐飲等區(qū)域。目前該類建筑多采用噴口送風(fēng)、散流器送風(fēng)等對(duì)流方式滿足室內(nèi)熱濕環(huán)境營造需求，噴口通常與檢票口等有效結(jié)合并設(shè)置在檢票口頂部（高度約3m），對(duì)大廳兩側(cè)的區(qū)域進(jìn)行調(diào)控。
圖2 高鐵客站候車廳典型布局與室內(nèi)末端方式
1.2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀
表1整理匯總了我國部分主要高鐵客站供暖空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)信息，主要為大型、特大型高鐵客站。
表１ 國內(nèi)部分高鐵客站供暖空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)信息
從供暖空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷組成情況來看，室內(nèi)熱源、新風(fēng)（或滲透風(fēng)）負(fù)荷是空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的重要組成部分，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的負(fù)荷通常較小。從供暖空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷或設(shè)備裝機(jī)容量來看，不同氣候區(qū)、不同車站的取值存在一定差異，夏季設(shè)計(jì)冷負(fù)荷大致在100w/m2以上。對(duì)于各類高鐵客站，目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)中尚缺少較為詳細(xì)的實(shí)際供暖空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試性能分析，還不足以說明是否同樣存在這種實(shí)際運(yùn)行冷量與設(shè)計(jì)負(fù)荷之間有顯著差異的狀況，這也是需要進(jìn)一步開展研究或分析的問題。
除了特大型、大型車站外，還有眾多的中型、小型高鐵車站，其主要功能區(qū)域與大型車站相似，僅車站規(guī)模較??；室內(nèi)末端方式與大型車站相近，也較多采用噴口送風(fēng)方式，系統(tǒng)冷熱源多為小容量的冷熱水機(jī)組或市政熱網(wǎng)。
1.3 室內(nèi)熱濕環(huán)境營造效果
鐵路客站屬于旅客短期停留的場(chǎng)所，其室內(nèi)熱舒適需求及環(huán)境狀況與普通辦公建筑等人員可能長期停留的區(qū)域是否存在顯著差異，此類場(chǎng)所的冬夏室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)如何選取，是需要深入研究的基礎(chǔ)問題。
新風(fēng)量或co2濃度是系統(tǒng)設(shè)計(jì)或運(yùn)行中的另一重要指標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中通常根據(jù)人員數(shù)量來設(shè)計(jì)選取機(jī)械新風(fēng)量。當(dāng)前客站設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦的人均新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)通常為10～20m3/h，人員數(shù)量多按照客站最高聚集人數(shù)或最高小時(shí)發(fā)送量來選取。最高聚集人數(shù)是鐵路客站設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的重要指標(biāo)，與列車開行方案、車站旅客組織等諸多因素有關(guān)，在客站設(shè)計(jì)過程中通過全面考慮車站的旅客運(yùn)輸組織過程，利用動(dòng)態(tài)仿真等方法可以計(jì)算得出車站最高聚集人數(shù)，為車站各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)提供合理的人數(shù)基礎(chǔ)，也為供暖空調(diào)系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行提供重要參考。
圖3 室內(nèi)co2體積分?jǐn)?shù)與人均新風(fēng)量之間的關(guān)系
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2 鐵路客站供暖空調(diào)系統(tǒng)影響因素
從現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果來看，對(duì)高鐵客站供暖空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行性能的測(cè)試分析相對(duì)較少，仍需要大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來支撐或指導(dǎo)降低此類場(chǎng)所供暖空調(diào)系統(tǒng)能耗的工作。除了對(duì)實(shí)際客站中人員密度、人員停留時(shí)間及熱舒適需求等基本指標(biāo)缺少明確指標(biāo)外，對(duì)影響車站供暖空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的滲透風(fēng)影響規(guī)律、室內(nèi)空調(diào)末端方式等方面也還需要開展進(jìn)一步的研究，以便更好地滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行需求。
2.1 滲透風(fēng)影響
高鐵客站是一類典型的高大空間類交通樞紐建筑，由于功能特點(diǎn)使得其出入口開啟頻繁，進(jìn)站口、檢票口等成為室外空氣影響室內(nèi)的直接通道。
滲透風(fēng)是影響高鐵客站室內(nèi)環(huán)境的重要因素，不少研究者對(duì)高鐵客站的滲透風(fēng)狀況開展了理論和實(shí)測(cè)研究。從滲透風(fēng)全年影響情況來看，不同季節(jié)的滲透風(fēng)驅(qū)動(dòng)力、變化規(guī)律及可采取的措施等如表2所示，各季節(jié)間的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
表2 高鐵客站全年滲透風(fēng)變化及應(yīng)對(duì)措施
1）冬季室內(nèi)外熱壓顯著、滲透風(fēng)量通常較大，導(dǎo)致熱負(fù)荷大，如何減少滲透風(fēng)的影響、改善室內(nèi)熱環(huán)境，是鐵路客站冬季運(yùn)行中需要考慮的重要問題。
2）過渡季盡管室內(nèi)外熱壓較小，但仍期望通過滲透風(fēng)形成有效的自然通風(fēng)，利用其滿足室內(nèi)排熱需求，開啟車站內(nèi)的天窗、側(cè)窗等成為此季節(jié)的重要通風(fēng)措施。
3）夏季開啟空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，滲透風(fēng)仍會(huì)對(duì)室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生一定影響，對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)機(jī)械新風(fēng)、滲透風(fēng)等之間的相互關(guān)系仍需進(jìn)一步分析。
2.2 空調(diào)末端方式
鐵路客站候車廳是典型的高大空間，目前多采用全空氣射流噴口送風(fēng)方式（如圖2a所示），并與站內(nèi)檢票口等進(jìn)行了有效結(jié)合。從改善室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)控效果、大幅減少風(fēng)機(jī)能耗等目標(biāo)出發(fā)，輻射末端方式是高鐵客站供暖空調(diào)系統(tǒng)的最適宜末端方式。
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3 與其他交通場(chǎng)站類建筑的對(duì)比
機(jī)場(chǎng)航站樓、高鐵客站、地鐵車站等是常見的公共交通場(chǎng)站建筑，供暖空調(diào)系統(tǒng)通常是其運(yùn)行能耗的最重要組成部分。三類交通場(chǎng)站建筑的供暖空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行性能如何，仍需要更多進(jìn)一步的測(cè)試分析。從其系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行現(xiàn)狀分析來看，存在的一些共性問題或亟需深入研究闡明的關(guān)鍵點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
1）人員活動(dòng)特點(diǎn)與停留狀況。
2）基本熱環(huán)境需求與熱舒適狀況。
3）滲透風(fēng)影響及機(jī)械新風(fēng)供給。
4）室內(nèi)末端方式與高效系統(tǒng)。
此外，除了滿足旅客的適宜環(huán)境需求外，如何兼顧交通場(chǎng)站中工作人員的熱環(huán)境營造需求，也是需要進(jìn)一步考慮的問題。有別于旅客短暫通過或停留的時(shí)間特征，安檢等工作人員對(duì)環(huán)境參數(shù)的要求可能更高，實(shí)際運(yùn)行狀況也反映出工作人員等對(duì)周圍熱環(huán)境的不滿意率高或改善需求更顯著、更迫切。對(duì)工作人員固定活動(dòng)的區(qū)域，如安檢區(qū)、人工票務(wù)區(qū)等，采用局部的處理方式是滿足人員需求最直接、最有效的途徑。增加末端風(fēng)口設(shè)置數(shù)量或密度是改善機(jī)場(chǎng)航站樓安檢區(qū)域環(huán)境的重要手段，而高鐵客站、地鐵車站的安檢區(qū)域如何實(shí)現(xiàn)有效的局環(huán)境調(diào)節(jié)，仍需進(jìn)一步的深入研究。
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4 結(jié)論
1）現(xiàn)有高鐵客站建筑體量巨大，為典型高大空間類建筑，供暖空調(diào)系統(tǒng)主要服務(wù)于底部人員活動(dòng)區(qū)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中室內(nèi)人員、設(shè)備、新風(fēng)（或滲透風(fēng)）為其主要負(fù)荷來源，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷所占比例較小，對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行性能仍需深入測(cè)試分析。
2）從車站內(nèi)實(shí)際co2濃度水平、滲透風(fēng)量的理論分析或?qū)崪y(cè)結(jié)果來看，高鐵客站內(nèi)的滲透風(fēng)影響非常顯著，甚至遠(yuǎn)高于車站內(nèi)人員需求的新風(fēng)量水平，造成不必要的冷熱負(fù)荷。根據(jù)不同季節(jié)的滲透風(fēng)變化規(guī)律，可以選取適宜的手段來降低滲透風(fēng)的不利影響。
3）現(xiàn)有高鐵客站多采用噴口送風(fēng)等對(duì)流末端方式，通過調(diào)節(jié)不同季節(jié)噴口角度、加強(qiáng)上下層間氣流交換等方式可在一定程度上改善冬季“上熱下冷”的局限性。從大幅降低風(fēng)機(jī)輸送能耗、改善室內(nèi)熱環(huán)境控制效果的目標(biāo)出發(fā)，將輻射地板末端方式應(yīng)用于高鐵客站具有重要意義，是全面提高其供暖空調(diào)系統(tǒng)性能、大幅降低運(yùn)行能耗的重要技術(shù)途徑。