雄安站首层候车厅空调系统气流组织优化设计*

中国铁路设计集团有限公司 李桂萍 王天成 孙兆军中铁十二局集团建筑安装工程有限公司 董永卫 郭学会

1 工程概况

雄安站整体结构为桥式站，车站以地面层进站为主、高架层进站为辅，采用地面夹层出站的方式。其中铁路用房总建筑面积约150 000 m2，最高聚集人数约为5 000人。其中，高架候车厅建筑面积约12 000 m2，地面候车厅约34 000 m2。雄安站首层候车厅属于典型高大空间建筑形式，具有人流量大、人员密度高、密闭性较差、设备散热量大、空间形式复杂等特点，其拥有5个直接对外的进站口，22个进入站台的入口。雄安站首层候车厅公共空间区域大小为280 m×130 m，高度约为13.85 m，首层候车厅平面及效果图分别见图1和图2。

图1 首层候车厅平面图

图2 首层候车厅效果图

雄安站首层候车厅的装修风格采用清水混凝土的方式，其梁、板、柱均裸露在外，因此在吊顶及柱子等区域均不能设置管道。这种空间形式及装修风格下，夏季采用空调制冷，站房中传统的借助辅助用房及进站楼梯口进行喷口侧送风的形式已经不能满足设计要求，故空调设计采用了在候车区域设置分散式送风单元为主的送风方式，辅助用房侧送风为补充；冬季采用地板辐射+送风单元下送风辅助的方式供暖；过渡季采用排烟兼排风的风机进行排风，自然补风。本文重点介绍候车厅的空调系统气流组织设计。

2 候车厅空调系统设计及气流组织选择

高铁站候车厅属于典型的高大空间建筑，常用的送风方式包括分层空调、置换通风及地板送风等[1]，见图3。分层空调系统作为高大空间常用的空调系统[2]，在建筑两侧或单侧中间位置设置送风口，将高大空间分为空调区和非空调区，仅高大空间下部区域维持一定的温湿度，而对于非空调区温湿度不作要求。与全室均为空调区域相比，可实现一定的节能效果[3]。置换通风则借助空气浮力作用，以低风速(0.25 m/s左右)将空气送入活动区下部[4]，适用于冷负荷指标较小且对室内空气品质要求较高的场所。地板送风在地板均匀布置风口，起到类似的置换作用[5]，通常需要抬升地板布置风口。基于雄安站首层候车厅两端跨度较大的特点，采用置换和地板送风空调系统，存在无法满足射程及地板抬升成本较大的问题，因此在候车区域设置分散式送风单元，同时辅助用房进行侧送风。冬季采用地板辐射供暖的方式，送风单元下送风的方式辅助供暖。

图3 常见的送风方式示意图

对于送风单元气流组织设计，常见方式为顶部喷口侧送风。送风单元靠近人员候车区域，为提升该区域人员舒适度，将新鲜空气优先送至人员活动区，送风单元拟采用柱面贴附通风气流组织方式。

柱面贴附送风是西安建筑科技大学李安桂教授团队提出的结合混合通风和置换通风优势的一种气流组织形式[6]。气流运动原理是空气由位于柱上部的回形条缝送风口射出后，由于康达效应而与竖直柱面形成贴附射流，此后射流主体将沿壁面竖直向下流动，当流动到接近地面高度时，在地面逆压梯度的作用下射流主体与柱面分离，撞击地面后流动方向由竖直变为水平。此后气流贴附地面流动，在活动区形成以矩形柱为中心的扩散流动分布。送风进入活动区前类似于传统混合式通风，但由于竖直壁面的“扶持”效应，通过合理地控制射流物理参数，延长其射程，能够将冷热空气最大限度地下送至人员活动区，然后射流以辐射流动方式沿地板向前延伸扩散，在活动区形成类似于置换通风的空气湖，有效提高了室内空气品质和通风效率[7-11]。柱面贴附通风是一种利用射流对柱面贴附效应的送风模式，根据对竖壁贴附射流的研究，可以把柱面贴附射流的流场划分为3个区域：竖向柱面贴附区、射流冲击偏转区和水平向空气湖区[12-13]，如图4所示。贴附通风房间高度方向有明显的流场分层现象，提高了气流组织通风效率和人员活动区空气品质。同时，贴附通风模式只需处理下部空间的热湿负荷，减少实际送风量，因此可达到节约能源的目的。

图4 贴附通风气流组织分区

3 空调系统气流组织模拟计算及结果分析

3.1 数值模型建立及模型验证

基于候车厅工程概况，为了准确模拟候车厅气流组织情况，同时考虑到候车厅为对称结构，确定数值模型大小为63 m×44 m×13.85 m(长×宽×高)。本研究以候车厅通风稳态过程为主，综合考虑精确度和收敛速度，收敛准则设置为湍流项残差值小于10-3，能量项残差值小于10-6。

通过提取贴附通风模式下的空气湖区气流轴线速度，与文献实验进行对比，验证计算模型的有效性。通过图5可以看出，模拟风速衰减与实验结果趋势一致。模拟数据略大于实验数据，这是因为实验过程中柱面和地面可能产生不同程度的摩擦阻力，加速了风速的衰减。整体而言，采用本模型进行模拟计算可以体现气流组织分布，比较不同空调方案的运行效果。

图5 贴附通风空气湖区气流轴线速度实验测试与送风单元模拟对比

3.2 夏季工况模拟结果分析

为了得到较优设计方案，通过Fluent软件对末端送风方式分别进行模拟计算，对比风柱3种不同送风形式(贴附送风、顶部侧送风、贴附+顶部侧送风)气流组织效果，其设定条件见表1，各个方案的气流组织示意图见图6。

表1 夏季不同空调方案设计工况

图6 雄安站首层候车厅优化设计方案气流组织示意

对于分层空调系统，工作区(人员活动区)为高大建筑物必须保证温湿度参数的区域，一般取距地面2 m[3]。对于贴附通风，工作区(人员活动区)边界定为：距送风口所在墙壁或柱面1.0 m；距外墙、门及窗1.0 m；距内墙0.5 m；地面以上0.1～2.0 m[7]。

根据以上模拟工况，可以得到夏季候车厅的速度及温度分布情况。基于不同送风方式对活动区的定义，计算活动区的平均速度和温度，分析对比相同风量下风柱3种不同送风形式的气流组织效果，从而得出较优的空调设计方案。

3.2.1夏季工况候车厅速度分布

为了清晰地观察候车厅不同位置处的速度分布情况，分别截取候车厅模型x(长)=27 m、z(宽)=11 m、y(高)=1.7 m等截面进行分析，结果如图7所示。

图7 雄安站首层候车厅z=11 m截面速度云图

由图7可以看出，方案1和方案2中两侧贴附送风风口高度以下的空气分布比较均匀，靠近柱下部位置风速在0.8 m/s左右。活动区地面附近区域整体风速分布呈现贴附现象，可以在该区域内形成一定厚度的空气湖。方案2中上部喷口射程较远，可以处理距离通风柱较远区域的负荷，配合贴附送风及两侧墙壁喷口送风，覆盖整个人员活动区。方案3单一采用上部喷口送风方式，容易造成通风柱远近不同区域的风速不均匀，而且容易使人员头部区域风速较大。

图8显示了3种方案在y=1.7 m高度处截面的速度分布。可以看出：在人员头部位置(y=1.7 m)，方案1和方案2的风速分布均匀且风速较小；方案3由于单一采用上部喷口送风，风量较大导致射流末端位置风速较大，位于该区域的人员头部会有明显的吹风感。

图8 雄安站首层候车厅y=1.7 m截面速度云图

图9给出了3种方案下相邻2个通风柱之间的速度分布情况。方案1和方案2采用了贴附送风，射流可以通过康达效应在地面形成空气湖，保障通风柱之间的活动区环境。方案3完全利用上部风口送风，而在通风柱的两侧喷口数量较少，造成该截面区域风速较小。

图9 雄安站首层候车厅x=27 m截面速度云图

3.2.2夏季工况候车厅温度分布

夏季工况3种送风方式在z=11 m处的温度分布如图10所示，可以看出方案1和方案2两侧贴附送风风口高度以下的温度分布比较均匀，活动区地面附近区域形成一定厚度的空气湖。方案2上部喷口射程较远，可以处理距离通风柱较远区域的负荷，配合贴附送风及两侧墙壁喷口送风，人员活动区的温度在26 ℃左右。方案3单一采用上部喷口送风方式，可能造成通风柱远近不同区域的温度不均匀，除去射流末端位置的温度满足要求外，大部分人员活动区温度较高。

图10 雄安站首层候车厅z=11 m截面温度云图

图11显示了3种方案在y=1.7 m高度处截面的温度分布，可以看出在人员头部位置(y=1.7 m)，方案1和方案2的温度分布均匀，温度在26 ℃左右；方案3中由于单一采用上部喷口送风，射流末端位置温度较低，达到了27 ℃，其他区域的温度较高。

图11 雄安站首层候车厅y=1.7 m截面温度云图

图12显示了3种方案下相邻2个通风柱之间的温度分布情况。方案1和方案2采用了贴附送风，射流可以通过康达效应在地面形成空气湖，通风柱之间的活动区环境温度为27 ℃左右，满足设计要求。方案3完全利用上部风口送风，而在通风柱的两侧喷口数量较少，造成该截面区域温度较高。

图12 雄安站首层候车厅x=27 m截面温度云图

3.2.3候车厅活动区的平均风速及温度

通过模拟计算结果，截取了不同地面高度的平均速度场和平均温度场的变化，如图13所示。

通过图13a可以看出3种空调方案下候车厅活动区不同高度截面平均速度分布情况。方案1由于贴附效应，靠近地面位置的速度较大；方案2靠近地面位置风速较方案1低，上部喷口高度高于人员活动区，因此活动区内平均风速较小。方案3活动区内风速变化不大，这是由于喷口高度为4.5 m，其高速射流对活动区内的影响较小。夏季3种方案候车厅活动区平均速度分别为0.55、0.35、0.27 m/s。

通过图13b可以看出3种空调方案下候车厅活动区不同高度截面平均温度分布情况。方案1和方案2由于贴附效应，将新鲜的冷空气优先送至人员活动区，随着高度增大，截面平均温度上升，整体满足温度要求。方案3活动区内温度变化不大，温度在28～29 ℃。这是由于喷口高度为4.5 m，其高速射流对活动区内的影响较小，活动区温度较高。3种方案候车厅活动区平均温度分别为26.95、26.84、28.30 ℃。

由于风柱布置是结合柱子考虑的，其横向间距为60 m左右，纵向间距约为20 m。通过对温度场和速度场的模拟，风柱设计采用方案2进行末端送风效果较好。故风柱横向布置顶部喷口和贴附射流风口，纵向只布置贴附射流风口。

3.3 冬季工况模拟结果分析

此候车厅冬季采用地板辐射供暖系统，同时可开启热风系统进行辅助。空调热风优先开启风柱下送风，该工程设置的方案如表2所示。

表2 冬季方案设计条件

优化方案采用贴附送风，射流可以通过康达效应在地面形成空气湖，通风柱之间的活动区环境温度满足设计要求。由于进站口冷风侵入，所以2个通风柱之间的温度低于其他区域，温度为17 ℃左右。人员活动区平均温度为19.96 ℃，不同高度温度分布如图14所示。

图14 冬季工况下候车厅活动区不同高度截面平均温度

此外，地板辐射供暖辅助下送风的空调方式，其室内的温度场比较均匀，温度梯度较小，有利于减小室内外温差，对于车站这种高大通透且开口较多的空间来说，有利于减少热压引起的渗透风，进而降低了冬季的负荷。

3.4 分散式空调与集中空调系统的简单节能分析

假设系统所承担的空调负荷均相同，水系统的扬程取决于最不利用水点，由于水的比热容大，水的输送能耗远低于空气输送能耗，故忽略水系统的能耗变化。对于过宽的候车厅，仅辅助用房设置空调机房，其送风半径比较大，对于该工程，如果仅在两侧设置空调机房，其输送距离约为110 m，而中间的大部分区域采用分散式送风单元的送风方式，其风系统的输送距离仅为30 m，组合式空调箱的压头减少近300 Pa，其风系统输送能耗降低30%左右。其原理如图15所示。

图15 集中空调与分散空调的原理图

4 结论

1) 和集中式空调系统相比，分散式空调方式输送距离短，空调风机的空气输配能耗降低。该项目若采用全空气系统，其输送距离约为110 m，现采用分散式风柱，其输送距离为30 m，组合式空调箱的压头减少近300 Pa。风系统的输送能耗降低了30%左右。对于一些大中型车站，候车厅较宽，由于某些功能布局或者其他原因，甚至只在一侧设置空调机房，风系统的输送距离特别长，不利于节能。

2) 对比分析3种送风方式(贴附送风、顶部侧送风、贴附送风+顶部侧送风)，方案2(贴附送风+上部喷口侧送风)送风方式为较优方案，其温度场和速度场均满足设计要求。同时，风量方面，若采用方案3(顶部侧送风)，其风柱的送风量约50 000 m3/h，故采用贴附射流+侧喷的方式，比只用侧喷的方式夏季降低了15%的能耗。

3) 对于车站这种高大通透且开口较多的空间来说，增加冬季防止冷风渗透的措施来减少负荷是最基本的节能方式。冬季通过采用地板辐射供暖辅助下送风的空调方式有利于减少渗透风的负荷。

4) 本文提出的分散式空调系统具有节能、调节方便及布置灵活的特点，针对人体对冷热的感觉不同，在实际的运行中可根据每台空调控制的区域分成低冷区和高冷区，实现更为人性化的服务。