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高铁站房候车厅空调系统设计研究

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2021-11-17 09:26 热度:

   近十年来铁路建设的高速发展,掀起了铁路客运站房建设的高潮。高铁站作为铁路枢纽,承担着旅客集散的重要作用,新时期的高铁站不仅要满足旅客安全、便捷出行的需求,更要以人为本为旅客提供温馨舒适的候车环境。高铁运营中出现了不少高铁站候车大厅空调效果不理想的现象,主要体现在温湿度达不到设计要求、冷热不均及闷热等方面,已无法满足新时代“畅通融合、绿色温馨、经济艺术、智能便捷“的高铁建设理念[1]。

高铁站房候车厅空调系统设计研究

  1候车大厅空调效果的影响因素及存在的问题

  候车厅的空调效果主要取决于空调设计,其中空调负荷的计算、空调设备设计、室内气流组织、空调机房设置、空调末端、外围护结构设计是空调设计包含的主要内容。

  1.1空调冷热负荷计算

  空调设计首先是进行空调负荷的逐时计算,计算结果的取值将直接影响到系统设备选型与配置,进而影响系统运行效果[2]。影响空调负荷计算结果因素很多,其中人员密度取值与渗透风量是影响计算准确性的主要因素。1)人员密度取值偏低。候车区域的人员密度与空调负荷呈线性关系,随着候车区人不断增加,空调负荷会相应增大。据最新的国家铁路相关数据显示(见图1),2010年至2018年的8年间全国铁路旅客发送量以每年10%的速度增长,未来随着铁路路网规模不断扩大与完善,旅客发送量会与日俱增。若按照当前0.67人/m2的上限取值,无法满足后期发展需求,因此,高铁站房空调设计中,人员密度的取值须考虑阶段性的发展余量,才能满足旅客美好出行的需求。以面积为3300m2高铁站候车厅为例,仅当人员密度取值产生变化时,对比分析两者夏季空调冷负荷的变化(见表1)。当人员密度变大时导致总冷负荷增幅约34%,新风和人体冷负荷增幅约47%。经计算,采用一次回风的方式送风量分别是85000m3/h和125000m3/h,送风量增幅约47%。可见,人员密度取值不同,对空调负荷计算结果影响十分大。此外,如果设计阶段人员密度考虑偏小,运营后且无根据CO2浓度调节新风量的措施,随着客流量增大导致人员密度远超原设计,新风量无法根据实际室内CO2浓度调节,会带来室内闷热、头晕等不良感觉。2)未考虑渗透风。候车大厅空间高大、通透、连贯,且出入口数量较多,多处出入口为常开状态,极易形成内外空气对流,产生渗透风、穿堂风。而穿堂风会使空调负荷猛增、空调效果急剧下降,增加建筑能耗。3)外围护结构a.缺少遮阳设计。当太阳直接辐射于人体时,对候车舒适性影响非常大。高铁候车大厅垂直于水平围护结构多采用透明玻璃幕墙以及天窗等形式,缺少内外遮阳设施设计,室内受太阳直射辐射和散射辐射时,白天舒适性变差。b.主要出入口门斗影响。进站大厅出入口、售票厅出入口处于常开状态,与其他出入口极易形成穿堂风,大大降低了室内空调效果(如图2,图3所示),合理设置门斗可以避免形成穿堂风。c.围护结构气密性。围护结构的渗漏风是降低空调能耗的又一隐患。外窗的选型不当、门窗幕墙密封材料选择不合理、围护结构缝隙及穿墙孔洞等封堵不严等都会产生渗漏风,降低围护结构气密性。

  1.2空调设备选型与布置

  空调设备选型时往往会由于空调负荷计算不准确、渗透风量考虑不足等因素,直接导致空调冷热源设备、末端设备选择容量不足。空调系统启动后,风冷型设备需要与周边的空气进行循环换热。散热才能冷却,进风、排风条件至关重要。实际工程中设备布置距建筑墙体或者屋面过近时就会造成气流短路、不畅,热气回流等问题,设备实际进出风力远远低于额定值,如果不对设备出风力进行修正,最终空调系统将无法满足实际空调负荷需求(如图4所示)。

  1.3室内气流组织

  对于候车大厅这类开敞、高大空间而言,空调气流组织形式对空调效果至关重要。不合理的气流组织形式,不仅会导致气流无法送达制冷区、出现冷热不均衡等现象,而且大大增加了空调的能耗。1)送风距离及回风口布置。设计中为了候车空间的美观整洁,当采取单侧侧送风时,如送风距离较长,将导致远端旅客空间空调效果不理想。侧送风的送风范围受风口角度限制,而回风又大多采取集中回风,如回风口设置不合理时,则会出现气流回流区没覆盖的区域(如图5所示)。2)顶送风距离过大。候车大厅层高一般在10m以上,此时选择顶送的气流组织方式,空调回风口设置不合理(如图6所示),可能导致冬季暖风无法送抵空调区域。3)空调送风系统水力计算。由于喷口等风口的局部阻力比普通百叶风口阻力高很多,空调风系统水力计算中应充分考虑此部分阻力。若忽视风口阻力,风口入口风压不足,会造成风口送风量与送风距离均无法满足实际需求。以400型喷口选型为例,若设计风量为2000m3/h,风口入口静压要求为100Pa,实际空调送风系统水力计算不足,导致风口入口静压只有60Pa,则实际送风量减少至1350m3/h,风量衰减32.5%。

  1.4空调机房设置

  空调机房远离服务区,空调系统送风距离及服务面积过大,造成空调风系统水力平衡调整困难,局部风口风量达不到设计要求。机房内设备检修维护困难,后期使用中设备发生故障无法处理,空调效果同样受影响。

  1.5空调末端配置

  候车大厅人员密度、渗透风等因素会导致空调负荷峰值很大,空调末端选型时应充分考虑这一特点,末端设计需要预留一定的余量,以缓冲峰值负荷对候车大厅空调效果的影响。风口选型:根据候车大厅高大空间的特点,其空调送风口一般选用喷口、旋流风口等形式,其型号变化对送风量、送风距离影响很大。实际工程中常因与装饰专业配合不到位,安装空间不足而出现减小风口尺寸的现象。以单个球型喷口为例,设计风量为1300m3/h,送风距离为35m,应选择400球喷。若因安装空间受限,最终选择315球喷,则实际送风量与送风距离均无法达到设计要求,导致空调效果不佳,局部形成气流死角(见表2)。

  2空调系统增效建议

  2.1空调冷热负荷计算

  计算负荷时应结合气流模拟确定,人员密度取值须结合铁路及地方发展规划充分考虑余量,建议取值范围在0.8人/m2~1.0人/m2,同时考虑渗透风量对空调负荷的影响。

  2.2冷热源设备安装距离

  设计、安装风冷设备时要保证其进、排风条件,设备边缘与外墙的距离须大于1.5倍设备高度。避免遮挡设备顶部,如设备顶部有屋檐,设备与屋檐的距离须大于2.5倍设备高度,并在屋面设导流设施,防止雨水直接排到设备上。

  2.3完善空调气流组织

  空调气流组织设计需要从送风方式、风口选型、水力计算、设备布局等方面综合考虑。结合铁路客站工程实际经验及分析。1)合理选择送风方式。候车大厅风口应通过风量、风速计算确定选型及角度。安装前需要与装饰专业沟通协作,风口与构筑物之间的安装距离需要保证,确保送风面积与条件。2)控制送风距离。风口安装高度应按照送风距离、角度以及送风范围确定,送风距离小于18m可采用单侧送或双侧对送。送风距离18m~36m时,采用单侧送风时,送风口宜配备双层远近风口。侧送风回风口宜设在送风口同侧下方。送风距离大于36m时,应采用双侧对送射流,当距离过大时,应在中间区域增加中间送风口或风柱。3)送风系统水力计算。风系统水力计算应充分考虑风口局部阻力,根据设备选型图表确定局部阻力。4)风口角度。侧送喷口风口送风角度对送风效果影响很大,在设计中应根据计算结果明确不同送风工况下设计角度。

  2.4空调机房及空调机组配置

  设计中,应合理均匀布置空调机房,保证空调机房临近空调服务区域,合理控制空调机房服务半径,充分考虑空调机房的安装、检修空间需求,保证施工、运维等后续工作顺利进行。空调末端设备(空调处理机组)应考虑一定的发展余量及峰值负荷缓冲能力[3]。

  2.5外围护结构

  1)设计阶段应与土建专业配合,合理考虑屋顶天窗的比例。各热工分区的建筑全年综合能耗随着采光天窗面积增加而增加,窗地面积比超过0.1后增加趋势加剧。因此,屋面采光天窗应根据站房的进深确定是否设置,天窗面积应予以控制。当侧式站房进深小于50m时,宜采用外墙直接开窗采光,尽量不在屋面开天窗。高架站房进深较大时,可同时采用外墙开窗和屋面天窗采光。从节能的角度出发,各朝向外墙上外窗的窗墙比不宜超过0.3,屋面天窗窗地面积比不宜超过0.1。在阴天占主导的地区,宜考虑水平布置天窗。晴天较多的地区,从降低建筑能耗的角度来看,在相同采光效果的情况下,垂直布置天窗优于水平布置天窗,在朝向的选择上以南、北向为佳,尽量避免东西朝向。如采用水平天窗,应设计遮阳设施。对于水平天窗,天窗分散布置优于天窗集中布置。2)考虑合理的遮阳措施,可利用建筑自身的形体及构件形成自遮阳,或采用遮阳百叶、遮阳幕、遮光膜等室内遮阳措施(如图7,图8所示)。在不同气候区选用合适的遮阳技术措施,减少阳光辐射,降低候车大厅空调负荷。夏热冬暖地区的站房,重点关注遮阳设计,通过挑板等建筑造型形成自遮阳系统,或设置遮阳帘等内遮阳设施。寒冷地区的站房,尽量避免大面积玻璃幕墙构造,选用的围护结构的传热系数尽量小。图7室内遮阳措施(遮阳帘)图8挑檐自遮阳3)候车大厅进站与检票口、售票厅入口处应考虑增设门斗。应合理设置安检设备与大门的距离,避免主要入口处于常开状态形成穿堂风(如图9,图10所示)。4)合理设计围护结构。首先,窗型优先选用平开窗。推拉窗因窗框上下的间隙较大,形成的冷热空气对流会造成热损失。而平开窗橡胶密封压条压紧后,很难形成空气对流,热损失要小的多。因此,在寒冷及严寒地区外墙应选用平开窗。其次,墙体与窗框之间采用发泡聚氨酯完整填充进行密封,再采用硅酮密封胶在外面封堵。玻璃和窗框间的密封胶条应根据温度的适用范围及选用原则进行选择。幕墙可选择耐候性、耐热性、密封性较好的氯丁橡或三元乙丙橡胶条进行密封,再使用发泡棒或发泡胶在收口处填满,然后采用硅酮密封胶在外部封堵。最后,围护结构上的施工缝隙、管道或风口等穿孔缝隙要封堵严实。站房屋面桁架四周做好保温并密封。

  2.6空调智能化设计

  由于高铁站的运营时间长,空调系统的运行时间较普通公共建筑长,其可靠性应在设计中特别关注。空调智能化设计能为空调系统运行提供实时运行状态监控,并提供更为节能的运行策略,提高空调系统智能化水平,对系统可靠、节能运行具有十分重要的作用。1)空调风系统设计中,在易发生堵塞部位(如空气过滤器)设置压差监测及自动报警,电动风阀设置风阀开度监测及异常报警。2)空调水系统设计中,在易发生堵塞部位(如过滤器、主机冷凝器)设置压差检测、自动报警,有条件的设计带自动清洗功能的过滤器、冷凝器等自动清洗设备。尽量选用自动化程度较高的主机,避免人工调整主机运行参数带来的误操作。

  3结语

  合理的空调设计不仅可提供美好的出行和候车环境,更是当前能源形势的迫切需要,空调设计需要充分考虑发展余量,准确计算空调负荷,并结合实际空间特点,合理排布空调气流组织形式。同时外围护结构应采取节能措施,降低空调负荷。充分应用空调智能化技术,使空调系统可靠、节能。

  参考文献:

  [1]衣健光.虹桥交通枢纽T2航站楼节能研究[J].暖通空调,2011,41(11):11-14.

  [2]陈鹏.某机场航站楼大空间空调系统设计[J].山西建筑,2019,45(8):102-103.

  [3]中国建筑科学研究院.公共建筑节能设计标准:GB50189—2015[S].北京:中国建筑工业出版社,2015.

  《高铁站房候车厅空调系统设计研究》来源:《山西建筑》,作者:周彦华

文章标题:高铁站房候车厅空调系统设计研究

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