某铁路站房空调系统运行现状及冷负荷特性分析

2018-09-27罗焰华

建筑热能通风空调 2018年8期

罗焰华

中国铁路广州局集团有限公司职工住房建设指挥部

高速铁路作为我们国家重要的一张名片，近年来得到了飞速的发展。中国高铁营业里程超过2.2万公里，超过其他国家总和，高铁累计运送旅客超过70亿人次，相当于全世界每个人坐过一次中国高铁。高铁，已成为我们国家最重要的一种交通工具。站房，铁路最重要的配套房屋，也已经从单一的雨棚站台发展成为集铁路、公交、地铁等交通为一体的大型交通枢纽。随着人民生活水平的提高，人们对铁路站房室内舒适度的要求也越来越高，做好铁路站房的配套设施，夏季为旅客送去清凉，不仅是旅客的要求，也是铁路各相关单位的心愿。

该站投入运营已有8年的时间，近两年空调系统运行效果不佳，夏季候车室室内温度偏高，无法满足旅客舒适性要求。针对这一问题，对站房候车区集中空调系统展开调研，包括冷冻站和输配系统运行及维护现状，以及候车区冷负荷特性，从而为空调系统改造提供基础数据支撑。

1 工程概况

1.1 建筑概况

该工程位于广州市，是集铁路、城市地铁、公交、出租等多种运输方式为一体的大型现代化综合交通枢纽。站房共有五层，地上三层，地下两层。地上三层是高架候车层（含商业夹层），为主要的旅客候车区域；地上二层为站台层；地面首层主要为站厅层，设旅客出站厅、城际旅客候车室、售票厅、设备用房、地面停车场以及出租车上客区；地下一层中央为地铁站厅层，两侧为车站停车场和空调机房；地下二层为地铁2号线、7号线站台层，站房于2010年开通运营。

1.2 集中空调冷冻站设备参数

车站地面层出站厅、售票厅、车站办公区及高架候车层（含商业夹层）候车室、商业区域、售票办公区等区域采用集中空调系统，冷源采用水冷冷水机组，以站房8轴为中心划分为南、北2套独立的空调水系统，南、北两侧地面出站层分别设置冷冻站1座。每座冷冻站均设有4台水冷式冷水机组，整个站房集中空调水系统总装机容量26.95 MW，冷冻水系统采用一次泵变流量系统。单侧冷冻站主要设备参数如表1所示。

表1 单侧冷冻站主要设备规格表

1.3 高架候车室空调末端形式

高架候车室平面面积较大，层高较高，而人员相对集中，密度大，空调负荷较大，空调系统采用一次回风空调机组。采用分层空调设计，划分多个送风区域，在候车大厅中间区域靠近结构柱设置多个“设备单元”，“设备单元”3侧送风1侧回风，候车大厅两侧采用远程喷口送风，集中回风，有效的控制距地面2 m高的范围，使人员的活动空间的温度达到要求。在27 m标高的商业夹层采用小送风单元（高条机），为循环送冷风空调方式；高架候车层及商业夹层的商业、办公用房、卫生间设置风机盘管送风。

为充分利用高大空间通风的优势，候车层幕墙上部设置有电动调节外窗，根据室外的温度、风速、风向，统一控制外窗的开启时间和开启角度，必要时可以联动空调机组的送风机，实现新风置换，排除大厅内区余热和污浊空气。在候车层东西侧进出站口、通向站台层入口均设有贯流式风幕机。

2 高架候车区空调系统运行现状

夏季该站投入运营已有8年的时间，据旅客反馈，夏季候车室室内温度较高。针对这一问题，对候车区空调系统的运行进行了调研。测试时间为2017年8月，室外天气晴朗。测试时段候车室人员活动区域平均温度为31.5℃，超过设计温度为27℃，无法满足旅客的热舒适要求。由于为候车区服务的空调机组安装于站台层上方吊顶内，下部为列车轨行区，无法获取相关运行数据，因此本次分别对候车区空调末端送、回风参数及冷冻站空调机组运行参数进行调研测试。

2.1 空调末端送、回风参数

1）测量仪器

调研过程涉及到的测量仪器包括ZDR温度记录仪、TSI多功能风速仪和红外测温仪，各仪器的技术参数如表2所示。

表2 测量仪器技术参数

2）高架候车室设备单元及两侧侧送喷口送回风参数

对候车室设备单元及两侧侧送喷口的空调送风温度、回风温度、回风风速进行测试，结果如表3所示。

表3 高架候车层送、回风口温度

设备单元及侧送喷口平均送风温度25.5℃，与设计送风温度19℃、相对湿度95%相比，温度偏高，不能有效带走室内余热。根据回风口尺寸计算回风量，并与机组设计风量进行对比，得出空调末端机组实际风量约为设计风量70%～105%，部分设备实际风量小于设计值。

3）商业夹层高条机送回风参数

候车室及商业夹层两侧商业区域均采用高条机循环送风，对商业夹层区域高条机送、回风温度、风速进行测试，测试结果如表4所示。

表4 商业夹层小送风单元送、回风参数

商业夹层区域的高条机平均送风温度20.2℃，与候车室送风单元及侧送喷口相比，送风温度明显降低，但仍未达到设计送风温度。根据测得的风口风速和风口尺寸，计算得高条机的实际送风量为3773 m3/h，设计值为3750 m3/h，测试值与设计值基本吻合。

2.2 冷水机组

针对冷冻站冷水机组的运行参数和运行状况进行调研测试，其中冷水机组的运行参数如表5所示。

表5 冷冻站冷水机组运行参数

每个冷冻站均有2大1小共3台冷水机组在满负荷运行，另外一台小机组暂未开启。北侧冷水机组冷冻水供水温度高出设计值5.8～6.6℃，回水温度高出设计值5.2～5.4℃；冷却供回水温度与设计值基本一致。南侧冷水机组冷冻水温度高出设计值3.5℃～3.7℃，回水温度高出设计值3.5～3.6℃；冷却水供回水温度与设计值基本一致。目前冷水机组已满负荷运行，室内负荷过大，超出冷水机组制冷能力。

3 候车区温度升高原因分析

根据站房原空调系统设计参数，结合高架候车区调研结果，初步分析导致候车区室内温度偏高的原因主要是空调冷负荷发生较大变化，包括以下几方面：

1）候车区发热量增多

①车站投入使用后，候车室内增设了大量的广告设施。根据车站管理单位提供数据，广告灯箱的发热量约为800 kW，这部分热量直接散发至候车室，增加候车室的空调负荷。

②候车室两侧商业区域、商业夹层商业区域虽预留了空调水系统，但受商业布局影响，目前均采用多联机、分体空调等独立空调系统，其空调室外机直接设置于室内，室外机散热直接排至室内公共区，增大了候车区的空调负荷。实地调研表明，高架候车层+21.00 m和+27.00 m标高两侧商业区域新增空调设备导致的空调负荷增量约为497 kW。

2）冷风渗透

对于铁路旅客站房，出于旅客进站需求考虑，候车室主要出入口全天处于开启状态，虽然门洞上方设置了风幕机，但是冷风渗透依然严重，采用热线风速仪对候车室西侧出入口的渗透风量进行了测试，结果如表6所示。

表6 候车室西侧出入口渗透风测试参数

统计结果表明，西出入口总的渗透风量达68.77万m3/h，与原设计渗透风量4.33万m3/h存在很大差异。室内冷空气由候车室渗透至室外，进一步考虑商业餐饮和公共卫生间的排风，势必造成了空调区域大量冷量的散失，该部分风量最终由未经处理的室外新风作为补充，如此大的渗透风量，使得候车区很难保证舒适性要求。

3）客流量

客运站的设计客流量是影响其空调负荷的一个至关重要的因素[1]。该站为华南地区最大的铁路交通枢纽之一，目前日发送客流量为20万人左右，由于日逐时客流分布数据难以获取，参考国内大型铁路旅客站房的调研结果，取高峰小时客流系数为日客流量的13%～14%左右，保守起见，按照取14%取值，计算得高峰小时旅客发送量为2.8万人/小时，客发送高峰期高架候车区内人员聚集密度及对应的人员负荷超出原设计工况。

4）气流组织

铁路站房候车室为高大空间，合理的气流组织对空调制冷效果的保证非常重要[2]。现场调研发现，候车室在通车后增设商务候车区，实体围挡遮挡设备单元气流组织，空调风无法有效送到候车区域；候车室两侧商业区域高条机则被商铺遮挡，部分甚至被密闭在商铺的储藏室内；商业夹层部分高条机则位于商铺墙体后方，无法向公共区送风，导致候车室总送风量无法达到设计要求，严重影响既有空调设备充分发挥其制冷能力。

5）采光屋面遮阳及高侧窗

候车区中央通廊上方为ETFE膜采光屋面，ETFE膜屋面实际透光率为49%，导热系数2.5～3.5 W/(m2K)，与原透光率设计值23%也存在很大出入。设定透过ETFE膜的太阳辐射得热有70%分配在候车室人员活动区[3]，形成瞬时冷负荷，该部分冷负荷相对原设计增大1.13倍。调研时对该区域的地面温度，+1.5 m高度室内温度和天窗附近温度进行测试。结果表明天窗下部地面温度为40.5℃，+1.5 m高度的室内温度为33.5℃，天窗附近温度则达到43.0℃以上。

夏季开启高大空间上部天窗或高侧窗可以有效利用热压作用促进自然通风，带走室内余热[4]。高架候车层幕墙上部设置有电动调节外窗，设计阶段考虑可根据室外气象条件开启通风，排除候车室上部的余热和污浊空气。实际运行时，由于电动窗下方为车站轨行区，窗户如果频繁开启，存在玻璃脱落、破碎等隐患，直接影响列车的运营安全，风险较大，因此电动窗未实现通风功能。候车室顶部聚集的热量无法排至室外，导致热空气不断向候车室人员活动区传递热量，加大人员活动区空调负荷，影响旅客的舒适感。

6）空调设备运营维护

空调系统能否长久的发挥其良好的制冷效果，不仅与设计、施工、设备有关，还与系统日常的运营维护息息相关。为高架候车区服务的空调末端位于高架层候车室楼板下，站台上方吊顶内，设备检修、维护比较困难，导致部分设备不能充分发挥其功效，风量偏小，制冷效果较差，部分机组甚至故障无法开启。候车区设备单元内环境较差，灰尘、杂物较多，造成空调机组过滤器堵塞、降低换热器效率。影响了候车区空调末端的制冷能力。