北京铁路枢纽丰台火车站改建工程自然通风设计方案探讨

2021-03-25孔华彪孙兆军

铁道标准设计 2021年3期

关键词：候车进站云图

孔华彪，周添，孙兆军

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

引言

随着高速铁路建设的发展，现代化铁路客站的建设也在不断推进。现代化铁路客站建筑具有空间高大、人员密集[1]、连续运行时间长等特点，这些都导致了车站建筑的空调通风系统能耗巨大。

自然通风在节能以及保证室内空气品质、排出污染物等方面有着明显的优势。在综合考虑建筑朝向、门窗布置、气候条件等情况下，可以实现过渡季充分利用自然通风，既满足室内环境要求，又减少了通风系统的运行能耗。

对于车站建筑的自然通风利用，国内许多专家、学者做了相关研究。毛红卫等利用能耗计算软件及CFD模拟软件进行计算模拟，结合实地调研的结果，认为不同气候分区内过渡季自然通风均有很大的利用潜力[2]。付维纲运用CFD软件Airpak和多区域网络法模拟工具ContamW，对昆明南站高架候车层进行了自然通风优化设计，同时利用能耗模拟软件DesT对昆明南站自然通风节能潜力进行分析[3]。郭旭辉从围护结构优化设计、负荷预测、流场分析、自然通风分析等多个方面，对新广州火车站进行了节能设计分析[4]。文献[5-11]等也分别采用了CFD模拟、能耗模拟的方法，对车站建筑的自然通风系统的合理利用进行了建模分析，但完全通过数值模拟指导并优化工程设计，在候车厅内过渡季节完全利用自然通风代替机械通风的设计及相关研究并不多见。

本文利用CFD计算软件STREAM对北京丰台站进行了自然通风模拟分析，基于丰台站双层车场的特殊构造形式，对建筑在不同门窗设计方案下的通风效果进行对比分析，优化并确定了相关建筑设计方案。

1 建筑概况

车站建筑总面积约40万m2，最高聚集人数14 000人。其中中央站房区域总尺寸参数为：长313.5 m、宽313.5 m、高36 m，中央候车大厅面积约为5.95万m2；西侧换乘区域总尺寸参数为：长233.5 m、宽82 m、高23 m，西换乘大厅面积约为0.6万m2；南、北进站大厅面积约1.5万m2，为通高区域：地面高程0 m，上方与中央候车大厅同屋面。丰台站高架层分区示意见图1。

图1 高架候车层(10 m层)平面示意

中央候车大厅与西换乘大厅为高架区域，地面高程10 m，其下方为0 m层室外普速轨道与站台，局部上方为23 m层室外高速轨道与站台。南、北进站大厅通过幕墙与普速站台区域相隔，幕墙上开有通风窗。

该车站作为大型交通枢纽建筑，由于其人员流动量较大，候车厅空间高大且出入口较多，另外由于采用双层车场的特殊结构，高架候车大厅上下各有1个车场，室内设直通每个站台的上下出入口。图1中黑色线框内为与高速、普速站台相通出入口所在位置。

基于其出入口尤其是上下连通的出入口较多，且开启时间较长，考虑研究高架候车区域过渡季采用自然通风系统满足室内舒适性要求的方案。

2 自然通风舒适度标准

根据ASHRAE Standard 55-2004中舒适度评价适应性理论模型，认为在一定温度范围内，室内舒适温度与室外温度线性相关，具体计算公式如下

Tcomf=0.31Tout+17.8 ℃(10 ℃

式中Tcomf——室内舒适温度(热中性温度)，℃；

Tout——室外平均干球温度，℃。

根据室内舒适温度与室外温度线性关系，给出不同室外温度情况下室内舒适温度，见表1。可以看出，随着室外空气干球温度升高，室内舒适温度也不断升高，但两者差值逐渐减少，意味着想要达到室内消除余热的目的需要更多的通风量，在室外温度25 ℃时，室内舒适温度与室外干球温度温差仅为0.55 ℃，达到27 ℃时，已无法通过通风完全达到舒适温度。因此自然通风设计时，考虑当室外温度低于24 ℃的情况下利用自然通风满足室内舒适性。

表1 不同室外温度情况下室内舒适温度 ℃

这一温度标准与传统夏季室内设计舒适温度26～27 ℃存在差异，主要是因为适应性理论模型考虑了人员体温调节等的生理适应性，人员以往经历的热环境等的心理适应性以及室外环境下的所穿衣物等的行为调节。因此，即使室内温度满足了夏季室内的设计温度，但在室外温度存在差异的情况下，夏季室内设计温度并不一定会令人满意。

3 过渡季室外参数及负荷估算

3.1 气象参数

室外气象参数主要包括室外空气温度、湿度、太阳辐射及风速。北京地区一般以4月、5月、9月、10月为过渡季节，根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中典型气象年的气象参数进行统计，室外气象参数汇总如下：过渡季室外空气干球温度≤24 ℃小时数共2 573 h，占过渡季节小时数87.88%；过渡季室外空气干球温度>24 ℃小时数共355 h，占过渡季节小时数12.12%；室外平均风速为2.1 m/s，主导风向为NW，主导风向频率为10.83%；过渡季内最高日太阳辐射强度为水平面总辐射强度1 037.35 W/m2，水平面散射辐射强度490.42 W/m2。

3.2 负荷估算

对候车大厅进行自然通风模拟需要设定大厅内的负荷情况，候车大厅内过渡季负荷主要包含以下几部分，灯光、设备、人员、太阳辐射。灯光、设备负荷参考文献[12]中的相关研究进行取值。对于人员负荷，考虑按人员轻度活动，在舒适温度情况下的散热量，其中显热负荷64 W/人。太阳辐射负荷计算中，辐射强度按水平面总辐射强度1 037.35 W/m2，水平面散射辐射强度490.42 W/m2，遮阳系数取0.35，开窗面积按区域内屋面采光天窗比例确定。负荷估算的汇总结果见表2。

表2 各区域负荷估算

4 送排风口位置设计

建筑内的每个门窗是进风口还是排风口是相对的，但也应满足客观规律。

自然通风条件下，根据GB50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》中相关要求，进风口与排风口面积应满足公式(2)、公式(3)。

(2)

(3)

式中Gj——进风量，kg/s；

Gp——排风量，kg/s；

hj——进风口中心与中和面的高差，m；

hp——排风口中心与中和面的高差，m；

ρwf——室外通风温度下空气密度，kg/m3；

ρnp——室内平均温度下空气密度，kg/m3；

ρp——室内排风温度下空气密度，kg/m3；

g——重力加速度，取9.81 m/s2；

本次设计中建筑的送风窗、排风窗为单层上悬窗，见表3，本次设计按开启角度30°考虑。

表3 单层上悬窗局部阻力系数

根据对公式(2)、公式(3)的分析，可以得出3个进排风口设计的主要原则。

(1)提高下方风口与上方风口的高度差。

(2)可能的情况下，尽量增加风口面积，但文献[13]研究结果表明，增加风口面积虽然改善了过渡季的通风效果，但是增加了非过渡季的冷热负荷，因此应综合考虑。

(3)门窗的流量系数，根据相关研究，窗户开度越大，流量系数越大，对于悬窗，窗户的宽高比越小，窗的流量系数越大，因此在门窗设计中应予以考虑[14-15]。

5 方案与模型建立

本工程采用STREAM软件进行数值模拟。本次自然通风对流换热模拟中，考虑风压与热压，考虑温差引起的浮升力作用。以建筑的门窗设计方案为初始方案；经过多次的模拟计算，优化调整建筑门窗设计，综合考虑外立面装饰效果后，确定的理想方案为优化方案。初始方案与优化方案的对比分析见表4。优化方案在初始方案的基础上调整了开窗位置、面积，降低了下层区域开窗的高度。

表4 自然通风模拟方案对比

6 边界条件及网格划分

室外主要风向西北风，主导风向平均风速为2.1 m/s，室外环境温度为24 ℃，对于各出口设定为自由出流；室内各区域负荷按表2中计算结果确定。

本次模拟计算，网格采用的是指定网格间距的划分方法，网格间距为1.5 m×1.5 m×1 m，建筑模型的计算空间网格划分如图2所示，整个计算区域网格单元数为574.59万个。在完成条件设置后用STREAM进行迭代求解。

图2 建筑模型与网格划分

7 计算结果分析与调整

7.1 模拟结果

图3～图6分别为南北进展厅区域地面高程1.2 m处初始方案速度云图、初始方案温度云图、优化方案速度云图、优化方案温度云图。

注：除南北进站大厅范围内，其余位置所示均为高架层下方室外情况

根据图3、图4可以看出：在初始方案中，北进站大厅人员活动区风速整体较为均匀，基本维持在0.51 m/s左右，南进站大厅北侧入口处风速较大，变化也较大；对于温度的模拟结果，北进站大厅角落有较大热量集聚区域，温度26.37～26.96 ℃，人员主要进出口区域温度则较为正常，其温度在24.3～25.33 ℃。根据图5、图6可以看出：优化方案中南北进站大厅风速相对于初始方案更为均匀；对于温度的模拟结果，南进站大厅仅入口局部区域温度较高，达到了26 ℃以上，其余人员主要进出口区域温度在24.14～24.55 ℃。

图7～图10分别为初始方案11.2 m处风速云图、初始方案11.2 m处温度云图、优化方案11.2 m处风速云图、优化方案11.2 m处温度云图。根据图7和图8可以看到：初始方案中，大部分人员活动区风速达到0.27～0.53 m/s，西换乘大厅人员活动区风速为0.26 m/s；中央候车大厅人热集聚空间较大，温度25.36～25.60 ℃，人员活动区域温度在24.08～24.72 ℃，西换乘大厅整体风场均匀，风速较小，人员活动区域温度为24.08 ℃。根据图9、图10可以看出：优化方案中，中央候车大厅速度分布均匀，大部分人员活动区风速为0.28 m/s；温度分布也相对均匀，人员活动区域温度在24.08～24.76 ℃，少量局部热集聚温度在25.34～25.51 ℃。

图7 初始方案11.2 m处风速云图

图8 初始方案11.2 m处温度云图

图9 优化方案11.2 m处风速云图

图10 优化方案11.2 m处温度云图

7.2 方案对比分析

综合对比两个方案下的模拟结果，分析如下。

(1)初始方案中，北进站大厅存在明显的涡流区，且涡流区局部温度偏高。优化方案通过增加南北进站大厅开窗面积消除了涡流区，大大改善了室内的环境。优化方案南进站大厅也存在局部温度偏高区域，但该处为人员进出口处，并非人员停留区域。

(2)初始方案中，中央候车大厅存在较为明显的大区域热集聚效应。优化方案降低了中央候车大厅东西两侧下方的开窗高度，由17.5 m降至12.5 m，增加了人员活动区的通风量的同时，增强热压作用；同时由于南北进站大厅增加了开窗面积(开窗高度2.5 m)，也起到了增加人员活动区风量，提升热压的作用。结果表明，优化方案明显改善了自然通风效果，减少了涡流区，降低了热集聚区域的温度，削减了热集聚区域的面积。

舒适度评价适应性理论模型认为，Tcomf±2.5 ℃为90%舒适区，Tcomf±3.5 ℃为80%舒适区。优化方案主要人员集中区域中央候车大厅人员活动区域高度(高程11.2 m)处的最高温度为25.51 ℃，处于90%舒适区范围内，且相较于初始方案模型更接近热中性温度。

(3)优化方案中由于装修要求，在降低了中央候车大厅两侧开窗高度的基础上削减了开窗面积，但由于建筑阻挡作用，东西两侧室外11.2 m高度处为均流区，对比两个方案的11.2 m处速度云图及温度云图中可以看出：中央候车大厅西侧进风口风速相对较低，对整体的进风量影响较小，但东西两侧风口高度降低，更接近人员活动区的高度，这对于室内环境改善作用要明显大于开窗面积减少造成的削弱作用。

(4)西换乘大厅由于连通室外的出入口相对较多，虽然对外开口的门窗数量少，但由于热压作用明显，能够实现很好的自然通风降温效果，室内环境理想。

综上所述，优化方案利用自然通风能够满足室内舒适性要求，且相较于初始方案更为合理有效。

7.3 节能性与经济性分析

当前，暖通空调系统的节能越来越倾向于借助建筑结构等设计方案的优化，从优化围护结构这一负荷产生的源头实现节能。例如，通过新型建筑围护结构的选取减少建筑能耗。李建忠对外墙、屋面、外窗和遮阳等维护结构的节能改造进行了研究并进行了经济分析[16]，雷鹏以齐齐哈尔南站为例，研究了新型节能材料的节能效果[17]，于杰以调度楼为例，对建筑节能与结构一体化进行了研究[18]。本文通过数值模拟指导建筑设计方案优化，实现过渡季高架候车厅区域采用自然通风代替机械通风，其节能性与经济性主要体现在两个方面：一是节约运行费用，二是节省了机械通风系统的初投资。

若过渡季通风使用机械通风系统，通风量需要同时满足以下要求。

(1)根据GB50226—2007《铁路旅客车站建筑设计规范》要求，系统风量需满足人员活动区每小时2～3次换气次数要求。

(2)规范GB50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中的人员新风需求。

(3)通风消除余热需求。

依据上述三点通风量要求：人员活动区按3 m以下区域考虑，满足每小时3次换气次数所需风量为70万m3/h；人员新风需求依据GB50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》取19 m3/(h·人)，总计29.5万m3/h；利用温度梯度法对排风温度等进行估算，具体见表5，考虑进风口与排风口的设计平均高度按10 m计算，候车厅平均散热量56.6 W/m2，温度梯度取0.8 ℃/m，进排风温差为8 ℃，据此求出利用通风消除余热的通风量为193万m3/h。因此系统最小设计风量取193万m3/h。

表5 机械通风条件下室内温度梯度 ℃

若完全采用机械通风系统，可以通过风机变频控制以及增减风机运行台数来进行控制。其中风机变频控制是能够最大限度实现节能的方法，现今已有诸多学者对风机变频的节能潜力进行了相关研究，例如，王春等人通过对地铁通风空调系统进行节能改造，通过风水系统的变频调整，可以实现18.3%的空调节能[19]。但也根据相关研究，如果负荷的变化较为频繁，设备变频次数过于频繁可能导致设备故障[20]。同时，采用变频设备的初投资也相对较大，对于体量较大的系统，风机数量调整是比较经济实惠的方法。若能够实现风机的加减控制，根据相关研究结果，在满足人员新风要求的基础上，通过对风机进行装载、卸载控制，风机过渡季能耗仅为风机全启动运行模式下的41%～56%[21]。

除在过渡季代替机械通风减少运行费用之外，在空调季亦存在室外温度低于24 ℃的情况，此时亦可使用自然通风系统进行降温，因此可在操作层面增加过渡季时间。根据典型气象资料，空调季时间统计结果如下：空调季室外温度≤24 ℃时间为765 h，>24 ℃时间为1 443 h，分别占空调季时间比例的34.6%和65.4%。本项目过渡季自然通风可用时间2 573 h，空调季765 h。由于原有空调机组新风量按满足人员新风需求设计，因此若要满足过渡季需求，需增补设置机械通风系统，系统风量163.5万m3/h。在此结论基础上，采用自然通风相较于机械通风经济节能效果见表6。

综上所述，使用机械通风系统满足的通风量应≮163.5万m3/h，自然通风相比于该工况下预计每年可节省电费135.07万元，节省初投资245.25万元。