DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.044
铁路客运站候车厅冬季供暖系统优化分析
喻李葵1，余雷模1，马卫武1，何列波2，李立清1，张翼1，张泠3
(1. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 深圳市建筑设计研究总院有限公司，广东 深圳，518031；
3. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410082)
摘要：建立铁路客运站候车厅的数学物理模型，并采用实测数据对物理模型进行验证；运用数值模拟的方法，对比分析候车厅冬季最不利工况下，采用分层空调、地板辐射结合喷口送风和地板辐射结合通风柱送风共3种供暖方案下候车厅的室内热舒适性和空气品质。研究结果表明：单独使用分层空调系统时，候车厅室内出现了严重的“热气上浮”现象，非空调区域囤积有大量热量，难以满足室内舒适性要求，并造成能源的大量浪费；采用辐射地板与送风相结合的供暖系统，能得到较均匀的温度场分布，人员活动区垂直方向温差较小，有利于改善冬季空调“头暖脚凉”的不舒适感，并且大大减少了因对流换热造成的热损失，其供暖能耗可降低20%左右。
关键词：铁路客运站；热舒适性；地板供暖；分层空调；室内空气品质
中图分类号：TU832.5+2 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)05-1900-09
Optimization of radiation floor system and stratified air conditioning system in winter heating mode at passenger railway station
YU Likui1, YU Leimu1, MA Weiwu1, HE Liebo2, LI Liqing1, ZHANG Yi1, ZHANG Ling3
(1. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Shenzhen General Institute of Architectural Design and Research Co. Ltd., Shenzhen 518031, China;
3. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)
Abstract: A mathematical physics model of a railway waiting room was established, which was confirmed by experimental data later. Numerical simulation was used to analyze indoor thermal comfort and air quality of the waiting room in the worst operating condition in winter. Three different heating systems i.e., stratified air conditioning system, radiation floor heating system combined with ejector nozzle air supply and radiation floor heating system with artificial pillar air supply were researched. The results show that relatively hot air goes upward in stratified air conditioning system, which results in heat accumulation, uncomforting and enormous loss of energy. Combined with stratified air conditioning system, radiation floor heating system contributes to more uniform temperature field and less temperature difference in perpendicular direction of occupied zone, which is beneficial to ameliorating the feeling of “warm feet and cool head”. Moreover, it can reduce the heat loss of heat convection and decrease energy consumption of heating by 20 percent.
Key words: railway station; thermal comfort; radiation floor heating; stratified air conditioning; indoor air quality
铁路客运站作为一类特殊的大型公共建筑，是一个国家交通运输能力的标志，其候车厅客流量大，散热量大，变化频繁，并且旅客对舒适性的要求愈加严格[1-2]。据有关资料显示，空调/供暖能耗占铁路客运站总能耗的60%~80%[3-4]。目前分层空调[5-8]技术广泛应用于各类高大空间建筑中，然而，在实际冬季供暖时，由于室内外温差大，受浮升力影响容易出现“热气上浮，冷气下坠”[9]现象，空调送风未能充分发展到人员活动区就已上浮到上部非空调区，不仅难以满足室内舒适性要求，而且造成巨大的能源浪费。铁路客运站候车厅通常为高大空间[10](空间体积≥10 000 m3，层高≥10 m)，由于其顶棚高、空间体积大、使用区域在整个空间所占比例小以及外墙所占比例大等特点[10]，在其内部空间对流、辐射、传导等传热现象耦合而形成复杂流场和温度场。高大空间不同的区域对气流组织要求不同，对铁路客运站候车厅气流组织设计而言，其难点就在于如何确定合理的气流组织形式从而快速、准确地预测室内的空气分布情况。本文作者采用计算流体动力学(CFD)方法对分层空调、地板辐射结合喷口送风和地板辐射结合通风柱送风3种供暖系统下的高铁站候车厅室内热舒适环境进行研究，以期得到合理的气流组织，使整个工作区的满足冬季人体热舒适要求，并降低冬季供暖系统的能耗。
1 模型的建立与验证
选取已投入运行的某高铁站候车厅为研究对象，并且在火车站工作人员的帮助下，通过实地测量获得了该候车厅尺寸参数以及空调系统运行参数。该高铁站是一座集候车、售票、餐饮、办公于一体的现代化大型铁路客运站，主体部分包括位于2楼的候车厅和上下楼层贯通的进站大厅。该候车厅长190.0 m，宽137.5 m，属于典型的高大空间建筑。由于候车厅屋顶为拱形，为了方便建模计算，根据等体积转换原则，将拱形屋顶简化为平面屋顶，其高度约18.0 m。运用CFD仿真软件建立物理模型时仅选取该候车厅的1/4为研究对象，旨在细化模型网格提高模拟结果精度，相关模型参数见表1。图1所示为火车站候车厅平面图，图2所示为候车厅物理模型。
2012-02-27和2012-03-01 T9:15—12:00对候车厅距地面0.5和1.5 m水平面测试点的空气温度、速度进行测量。测点布置沿Z方向距离分别为2，5，10，13，18，23，28，33，38，43，48，53，58，63和68m，沿X方向为20，41，67和90 m。实验仪器选取通风与气流专用测试仪(型号为SwemaAir300，环境操作温度范围为0~50 ℃，温度测试范围为-20~60 ℃，精度为-0.3~0.3 ℃)。在测试过程中，为了提高实验测试的准确度，对同一测试点取5次测量的平均值。利用所得的数据得到CFD模型的边界条件，然后将实测结果与CFD模拟结果对比来确定CFD模型的合理性。图3所示为实验测试温度与模拟温度对比。
表1 物理模型参数条件相关数据
Table 1 Parameters of physics model
图1 火车站候车厅平面图
Fig. 1 Schematic of railway waiting room
图2 候车厅物理模型
Fig. 2 Physics model of railway waiting room
从现场测试结果和CFD计算结果对比分析可以看出：除个别测点存在较大的误差外，其余部分的CFD模拟值与测试值吻合度较高，从而证明了CFD方法模拟室内气流分布的准确性。在测试过程中，由于通风与气流专用测试仪风速测量精度较高(-0.03~0.03 m/s)，且受实验测试条件的限制，人为操作时容易造成较大误差，另外候车厅旅客流动性大，形成的风速扰动非常明显，因此，在实验中所测得的风速仅供参考，本文不进行对比分析。
图3 实验测试温度与模拟温度对比
Fig. 3 Comparison of experimental temperature and simulation temperature
2 数值模拟研究
首先对候车厅原有的分层空调系统在冬季供暖工况最不利情况进行CFD模拟研究，得到该工况下分层空调系统气流组织特点，并对该空调方案舒适性与能耗性进行分析。然后以改善室内热舒适性和降低空调能耗为出发点，在分层空调系统的基础上，对候车厅供暖系统进行改进，增加地板辐射供暖系统，并对分层空调送风参数进行适当修改。具体参数设置如表2所示。
本文所提出的2种改进方案主要是为了在冬季室外气候条件恶劣时改善候车室热环境以及降低空调能耗。上述2种供暖改进方案都是辐射地板供暖系统引入喷口送风系统，旨在克服辐射地板供暖常出现的室内空气品质不佳现象和分层空调供暖容易出现的“热气上浮”现象。这2种改进方案通过辐射地板供热降低喷口送风与人员活动区之间的温差，以减小空调送风热气上浮速度[11-12]，改善室内空气质量及克服辐射地板预热时间长[13]等问题。在改善方案中辐射地板承担室内大部分热负荷，通风柱与喷口送风只承担室内小部分空调热负荷以及室内人员的全部新风负荷。
2.1 温度场分析
分层空调冬季供暖工况沿Z方向温度曲线如图4所示。从图4可以看出：在同一高度沿水平方向存在较大的温度波动，对比2种不同高度与温度的关系曲线可以发现，由于冷热气流温差较大，靠近地面附近形成明显的温度波动，同一方向最大温差将近9 ℃。受喷口与通风柱送风影响，在10~30 m与45~55 m之间温度相对较高，其他区域无热源及送风影响，容易出现温度低谷。Y=0.1 m高度处温度主要分布在9~16 ℃之间，Y=1.1 m高度处温度主要分布在14~17.6 ℃之间，平均温差为3.5 ℃，超过规范中温差≤3.0 ℃的舒适性要求，说明分层空调系统在冬季最不利情况运行时人员活动区垂直方向存在较大的温差，容易使人产生“头暖脚凉”的不舒适感。
表2 不同供暖系统参数设置
Table 2 Parameters of different heating systems
图4 分层空调冬季供暖工况沿Z方向温度曲线
Fig. 4 Temperature curves of Z-coordinate during stratified air conditioning system operating in winter heating mode
地板辐射系统冬季供暖工况沿Z方向温度曲线如图5所示。从图5(a)和5(b)可以看出：在同一水平面沿Z轴方向温度变化平缓，受人体散热及喷口送风影响，在旅客候车区温度高于其他区域的温度，但最大温差不超过1 ℃，温度范围在17.2~17.8 ℃之间，说明整个候车室的室内温度分布均匀，在此温度范围内，也是人体感觉热舒适的理想值。在垂直方向上，2个不同水平面平均温差也不超过0.4 ℃，满足规范温差≤3.0 ℃的舒适性要求。从图5(c)和5(d)可以看出：地板辐射结合通风柱送风系统中同一位置垂直方向上平均温差均不超过0.7 ℃，不会产生“头暖脚凉”的不舒适感。在同一水平面沿Z轴方向温度变化比地板辐射结合喷口送风系统明显，最大温差将近3 ℃，主要表现在旅客休息区和排队候车区。这主要是因为地板辐射结合通风柱送风系统中，通风柱送风风速相对较低，影响范围较小，结合冷空气沿排队候车区外墙壁面下坠至人员活动区的影响，排队候车区温度低于其他区域的温度。
地板辐射系统冬季供暖工况沿Y方向温度曲线如图6所示。从图6(a)和6(b)可以看出：在垂直方向上，随着高度的增加温度逐渐降低，最大温差将近2 ℃，说明地板辐射结合喷口送风系统在垂直方向上存在一定的温度分层。沿喷口送风方向，温度变化趋势在不同高度处存在差别。在靠近喷口处垂直方向温差较小，这主要是由于喷口送风卷吸周围空气所形成的扰动，使得喷口射程范围内上部非空调区不断与空调区进行热交换，导致该区域垂直方向上温度变化较小。因此，图6(a)中温度分布曲线Z=44 m温度变化要大于Z=24 m的温度变化，而图6(b)中由于喷口影响较小两曲线偏差较小。从图6(c)和6(d)可以看出：在地板辐射结合通风柱送风系统中，高度不同的沿Z坐标的温度变化曲线出现明显不同。地板辐射结合喷口送风系统在垂直方向没有形成很好的分层效果，由于通风柱送风风速相对较低，气流隔断效果不理想，加上送风的卷吸作用，使得非空调区与空调区存在较大的热交换，从而导致垂直方向无明显温度分层。从图6(c)可见：坐标为X=52 m，Y=3 m和Z=44 m的点在通风柱的送风口附近，因此，该处温度明显偏高。在X=52 m垂直平面上不同Z的温度也存在较大偏差，说明在地板辐射结合通风柱送风系统中，候车厅室内温度波动较地板辐射结合喷口送风系统的温度波动明显。
图5 地板辐射系统冬季供暖工况沿Z方向温度曲线
Fig. 5 Temperature curves of Z-axis during radiation floor heating system operating in winter heating mode
2.2 速度场分析
分层空调冬季供暖工况水平面速度云图如图7所示。从图7(a)可以看出：在人员休息区风速基本分布在0.05~0.35 m/s之间。喷口与通风柱附近由于送风风速较高，部分人员活动区风速略大于规范值0.3 m/s，使得休息区的旅客有明显的吹风感。从图7(b)可见：在排队候车区域，受喷口送风的影响，局部区域风速达到1 m/s左右，具有较强的吹风感，难以满足人体舒适度的要求；在Y=1.1 m平面，候车厅风速明显高于Y=0.1 m平面风速，部分区域的风速甚至达到了1.2 m/s，这也说明受热气上浮影响，在地面附近风速明显偏低。
地板辐射冬季供暖工况水平面速度云图如图8所示。从图8(a)可看出：在Y=1.1 m平面上喷口送风到达的地方以及回风口附近，气流速度将近1.2 m/s，由于喷口送风气流衰减速度较快，在旅客休息区气流速度在0.03~0.2 m/s之间，地板辐射结合喷口送风系统符合冬季室内设计风速要求。从图8(b)可看出：受通风柱送风影响，在候车厅中部与通风柱之间旅客休息区风速稍微偏高，局部区域达到了1.2 m/s。在排队候车区与通风柱之间旅客休息区风速适宜，基本维持在0.15 m/s左右；在排队候车区出现气流旋涡，旋涡区最高风速为0.4 m/s，这些气流旋涡是受外壁面冷气下坠与通风柱送风共同影响形成的。旋涡可以加速冷热气流热交换，这也是引起排队候车区温度偏低的原因。
图6 地板辐射系统冬季供暖工况沿Y方向温度曲线
Fig. 6 Temperature curves of Y-axis during radiation floor heating system operating in winter heating mode
图7 分层空调冬季供暖工况水平面速度云图
Fig. 7 Speed distributions on horizontal plane during stratified air conditioning system operating in winter heating mode
图8 地板辐射冬季供暖工况水平面速度云图
Fig. 8 Speed distributions of velocity on Y=1.1 m horizontal plane during radiation floor heating system operating in winter heating mode
2.3 舒适性分析
为了更好地分析候车厅的舒适性，选取1个典型水平截面(Y=1.1 m)，对比分析分层空调系统以及2种改进供暖方案的热舒适的评价指标(PMV-PPD)。不同供暖工况Y=1.1 m水平面预测平均投票数(VP)和预测不满意百分数(PD)云图如图9所示。
从图9(a)和9(d)可看出：在分层空调供暖系统中候车厅大部分区域都偏冷。Y=1.1 m平面VP在-2.8~-0.2之间，平均值为-1.32，PD在5%~64%之间，平均值为36.7%，与舒适标准-0.5≤VP≤0.5、PD≤10%[14-15]相比存在较大偏差，只有部分区域达到了舒适性要求。由于喷口送风风速较高，排队候车区具有明显吹风感，该区域VP和PD严重偏离舒适性标准。从图9(b)和9(e)可看出：在地板辐射结合喷口送风系统中，整个候车厅基本能达到室内舒适性要求。在人员活动区VP的范围是-0.9~-0.2，平均值为-0.413，PD在6.2%~25.4%之间，平均值为10.3%。在靠近喷口侧的人员休息区VP较低，PD较高，主要是由于喷口送风与水平面夹角为-15°，且送风风速较高，使得人体活动区有明显吹风感，导致2个评价指标稍微偏离舒适标准，但是可以通过改变送风角度和风速来克服这种不舒适感。从图9(c)和9(f)可看出：整个候车厅也基本能达到室内舒适性要求。在人员活动区VP的范围为-0.85~-0.25，平均值为-0.55；PD基本维持在5.3%~22.7%之间，平均值为12.6%。在靠近喷口侧的人员休息区VP较低，PD较高，主要是由于通风柱送风风速较低，垂直方向未能形成良好的气流隔断效果，且受排队候车区外壁面影响，非空调区冷气流沿壁面下坠至空调区，导致2个评价指标略偏离舒适标准。从上述3种空调方案的VP和PD云图来看，分层空调系统在冬季最不利情况难以达到室内舒适性要求，大部分区域偏冷；而在2种改善方案中，除排队候车区外，人员活动区基本能满足室内舒适性要求。
2.4 能耗分析
2.4.1 空调热负荷对比分析
辐射地板综合传热量[16]的计算公式如下：
(1)
式中：q为综合传热量，W/m2；qf为辐射传热量，W/m2；qd为对流传热量，W/m2；
为辐射地板表面平均温 度，K；
为室内温度，K；
为非辐射表面平均温度，K。
喷口送入一定经处理的空气，消除室内负荷后经回风口排出室内，回风状态变化到室内状态，且假设房间内温湿度均匀，排出房间的空气参数即为室内空气参数。即送入的热量Q可按下式计算：
(2)
式中：Ms为送入房间的风量，kg/s；cp为空气比定压热容，kJ/(kg·℃)；
为室内设计温度，℃；
为送风温度，℃。
采用数值模拟计算边界条件，结合式(1)和(2)，得出分层空调系统与改善方案的空调热负荷如表3所示。
图9 不同供暖工况Y=1.1 m水平面VP和PD云图
Fig. 9 VP and PD distribution on Y=1.1 m horizontal plane in different heating systems
表3 不同供暖系统传热量对比
Table 3 Comparison of heat transfer quantity in different heating systems kW
2.4.2空调风机能耗
风机能耗计算以GB 50189—2005“公共建筑节能设计标准”为依据，风机单位风量耗功率Ws计算标准按商业、旅馆建筑不大于0.62 W/(m3·h)考虑，可由下式计算：
(3)
式中：P为风机全压值，Pa；
为包含风机、电机及传动效率在内的总效率，%。
结合式(3)，分析不同空调系统方案，得出分层空调与改善方案的风机能耗，如表4所示。
由表3可看出：2种改善方案的空调热负荷均比分层空调系统的低。假设上述3种供暖方案的性能系数(COP)相等，2种改善空调方案分别可降低空调能耗20.5%和17.5%。由表3和表4可以看出：2种改善方案不仅能降低空调系统能耗，而且能获得更好的室内热环境。2种改善方案由于只开启喷口或通风柱，空调风机能耗均小于分层空调系统能源，其中地板辐射结合喷口送风系统空调风机能耗比地板辐射结合通风柱送风系统的低。
表4 不同供暖系统的风机能耗对比
Table 4 Comparison of energy consumption of fans in different heating systems kW
3 结论
1) 候车厅采用单一的分层空调系统进行供暖，在冬季最不利气候条件运行时，喷口送风与通风柱送风出现严重“热气上浮”现象，没有形成良好的气流隔断效果。人员活动区温度偏低，难以满足室内舒适性要求，且上部非空调区域囤积有大量热量。
2) 采用辐射地板结合喷口送风或通风柱送风，其空调能耗可降低20%左右，这2种改善方案均能获得更好的热舒适环境。采用辐射地板与送风系统相结合的供暖系统，在水平面上能得到较均匀的温度场分布。人员活动区垂直方向温差较小，这有利于克服冬季空调“头暖脚凉”的不舒适感，并结合降低空调送风温度和加大送风速度，能使喷口和通风柱送风形成良好的气流隔断效果，大大减少了因对流换热造成的热损失。
3) 辐射地板结合通风柱送风供暖系统，能有效改善候车厅旅客休息区热舒适性。由于送风范围有限，排队候车区热环境难以达到热舒适性要求；辐射地板结合喷口送风供暖系统，在垂直方向能形成更好的气流隔断效果，有利于垂直方向的温度分层，但应用在大跨度的高大空间时，由于喷口送风范围有限，在空间中部热环境难以达到热舒适性要求。
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(编辑 罗金花)
收稿日期：2014-07-16；修回日期：2014-09-25
基金项目(Foundation item)：铁道部科技研究开发重点项目(2007Z011)；国家自然科学基金资助项目(51178170)；中国博士后科学基金资助项目(2012M521557) (Project(2007Z011) supported by the Science and Technology Research and Development of Key Projects of Railway Ministry; Project(51178170) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2012M521557) supported by China Postdoctoral Science Foundation)
通信作者：马卫武，博士，副教授，从事建筑节能研究；E-mail: maweiwu@csu.edu.cn
