鐵路客運(yùn)站候車廳冬季供暖系統(tǒng)優(yōu)化分析

喻李葵，余雷模，馬衛(wèi)武，何列波，李立清，張翼，張泠

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鐵路客運(yùn)站候車廳冬季供暖系統(tǒng)優(yōu)化分析

喻李葵1，余雷模1，馬衛(wèi)武1，何列波2，李立清1，張翼1，張泠3

(1. 中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083；2. 深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東深圳，518031；3. 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410082)

建立鐵路客運(yùn)站候車廳的數(shù)學(xué)物理模型，并采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)物理模型進(jìn)行驗(yàn)證；運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，對(duì)比分析候車廳冬季最不利工況下，采用分層空調(diào)、地板輻射結(jié)合噴口送風(fēng)和地板輻射結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)共3種供暖方案下候車廳的室內(nèi)熱舒適性和空氣品質(zhì)。研究結(jié)果表明：?jiǎn)为?dú)使用分層空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，候車廳室內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重的“熱氣上浮”現(xiàn)象，非空調(diào)區(qū)域囤積有大量熱量，難以滿足室內(nèi)舒適性要求，并造成能源的大量浪費(fèi)；采用輻射地板與送風(fēng)相結(jié)合的供暖系統(tǒng)，能得到較均勻的溫度場(chǎng)分布，人員活動(dòng)區(qū)垂直方向溫差較小，有利于改善冬季空調(diào)“頭暖腳涼”的不舒適感，并且大大減少了因?qū)α鲹Q熱造成的熱損失，其供暖能耗可降低20%左右。

鐵路客運(yùn)站；熱舒適性；地板供暖；分層空調(diào)；室內(nèi)空氣品質(zhì)

鐵路客運(yùn)站作為一類特殊的大型公共建筑，是一個(gè)國(guó)家交通運(yùn)輸能力的標(biāo)志，其候車廳客流量大，散熱量大，變化頻繁，并且旅客對(duì)舒適性的要求愈加嚴(yán) 格[1?2]。據(jù)有關(guān)資料顯示，空調(diào)/供暖能耗占鐵路客運(yùn)站總能耗的60%~80%[3?4]。目前分層空調(diào)[5?8]技術(shù)廣泛應(yīng)用于各類高大空間建筑中，然而，在實(shí)際冬季供暖時(shí)，由于室內(nèi)外溫差大，受浮升力影響容易出現(xiàn)“熱氣上浮，冷氣下墜”[9]現(xiàn)象，空調(diào)送風(fēng)未能充分發(fā)展到人員活動(dòng)區(qū)就已上浮到上部非空調(diào)區(qū)，不僅難以滿足室內(nèi)舒適性要求，而且造成巨大的能源浪費(fèi)。鐵路客運(yùn)站候車廳通常為高大空間[10](空間體積≥10 000 m3，層高≥10 m)，由于其頂棚高、空間體積大、使用區(qū)域在整個(gè)空間所占比例小以及外墻所占比例大等特點(diǎn)[10]，在其內(nèi)部空間對(duì)流、輻射、傳導(dǎo)等傳熱現(xiàn)象耦合而形成復(fù)雜流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。高大空間不同的區(qū)域?qū)饬鹘M織要求不同，對(duì)鐵路客運(yùn)站候車廳氣流組織設(shè)計(jì)而言，其難點(diǎn)就在于如何確定合理的氣流組織形式從而快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)室內(nèi)的空氣分布情況。本文作者采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法對(duì)分層空調(diào)、地板輻射結(jié)合噴口送風(fēng)和地板輻射結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)3種供暖系統(tǒng)下的高鐵站候車廳室內(nèi)熱舒適環(huán)境進(jìn)行研究，以期得到合理的氣流組織，使整個(gè)工作區(qū)的滿足冬季人體熱舒適要求，并降低冬季供暖系統(tǒng)的能耗。

1 模型的建立與驗(yàn)證

選取已投入運(yùn)行的某高鐵站候車廳為研究對(duì)象，并且在火車站工作人員的幫助下，通過實(shí)地測(cè)量獲得了該候車廳尺寸參數(shù)以及空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。該高鐵站是一座集候車、售票、餐飲、辦公于一體的現(xiàn)代化大型鐵路客運(yùn)站，主體部分包括位于2樓的候車廳和上下樓層貫通的進(jìn)站大廳。該候車廳長(zhǎng)190.0 m，寬137.5 m，屬于典型的高大空間建筑。由于候車廳屋頂為拱形，為了方便建模計(jì)算，根據(jù)等體積轉(zhuǎn)換原則，將拱形屋頂簡(jiǎn)化為平面屋頂，其高度約18.0 m。運(yùn)用CFD仿真軟件建立物理模型時(shí)僅選取該候車廳的1/4為研究對(duì)象，旨在細(xì)化模型網(wǎng)格提高模擬結(jié)果精度，相關(guān)模型參數(shù)見表1。圖1所示為火車站候車廳平面圖，圖2所示為候車廳物理模型。

表1 物理模型參數(shù)條件相關(guān)數(shù)據(jù)

單位：mm

1—噴口；2—回風(fēng)口；3—進(jìn)站口；4—人體模型；5—通風(fēng)柱；6—送風(fēng)口；7—回風(fēng)口

2012?02?27和2012?03?01 T9:15—12:00對(duì)候車廳距地面0.5和1.5 m水平面測(cè)試點(diǎn)的空氣溫度、速度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)點(diǎn)布置沿方向距離分別為2，5，10，13，18，23，28，33，38，43，48，53，58，63和68m，沿方向?yàn)?0，41，67和90 m。實(shí)驗(yàn)儀器選取通風(fēng)與氣流專用測(cè)試儀(型號(hào)為SwemaAir300，環(huán)境操作溫度范圍為0~50 ℃，溫度測(cè)試范圍為?20~60 ℃，精度為?0.3~0.3 ℃)。在測(cè)試過程中，為了提高實(shí)驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確度，對(duì)同一測(cè)試點(diǎn)取5次測(cè)量的平均值。利用所得的數(shù)據(jù)得到CFD模型的邊界條件，然后將實(shí)測(cè)結(jié)果與CFD模擬結(jié)果對(duì)比來確定CFD模型的合理性。圖3所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度與模擬溫度對(duì)比。

(a) X=20.0 m, Y=0.5 m; (b) X=41.0 m, Y=0.5 m; (c) X=67.0 m, Y=0.5 m; (d) X=20.0 m, Y=1.5 m; (e) X=41.0 m, Y=1.5 m; (f) X=67.0 m, Y=1.5 m

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可以看出：除個(gè)別測(cè)點(diǎn)存在較大的誤差外，其余部分的CFD模擬值與測(cè)試值吻合度較高，從而證明了CFD方法模擬室內(nèi)氣流分布的準(zhǔn)確性。在測(cè)試過程中，由于通風(fēng)與氣流專用測(cè)試儀風(fēng)速測(cè)量精度較高(?0.03~0.03 m/s)，且受實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件的限制，人為操作時(shí)容易造成較大誤差，另外候車廳旅客流動(dòng)性大，形成的風(fēng)速擾動(dòng)非常明顯，因此，在實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的風(fēng)速僅供參考，本文不進(jìn)行對(duì)比分析。

2 數(shù)值模擬研究

首先對(duì)候車廳原有的分層空調(diào)系統(tǒng)在冬季供暖工況最不利情況進(jìn)行CFD模擬研究，得到該工況下分層空調(diào)系統(tǒng)氣流組織特點(diǎn)，并對(duì)該空調(diào)方案舒適性與能耗性進(jìn)行分析。然后以改善室內(nèi)熱舒適性和降低空調(diào)能耗為出發(fā)點(diǎn)，在分層空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)候車廳供暖系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加地板輻射供暖系統(tǒng)，并對(duì)分層空調(diào)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修改。具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 不同供暖系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

本文所提出的2種改進(jìn)方案主要是為了在冬季室外氣候條件惡劣時(shí)改善候車室熱環(huán)境以及降低空調(diào)能耗。上述2種供暖改進(jìn)方案都是輻射地板供暖系統(tǒng)引入噴口送風(fēng)系統(tǒng)，旨在克服輻射地板供暖常出現(xiàn)的室內(nèi)空氣品質(zhì)不佳現(xiàn)象和分層空調(diào)供暖容易出現(xiàn)的“熱氣上浮”現(xiàn)象。這2種改進(jìn)方案通過輻射地板供熱降低噴口送風(fēng)與人員活動(dòng)區(qū)之間的溫差，以減小空調(diào)送風(fēng)熱氣上浮速度[11?12]，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量及克服輻射地板預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)[13]等問題。在改善方案中輻射地板承擔(dān)室內(nèi)大部分熱負(fù)荷，通風(fēng)柱與噴口送風(fēng)只承擔(dān)室內(nèi)小部分空調(diào)熱負(fù)荷以及室內(nèi)人員的全部新風(fēng)負(fù)荷。

2.1 溫度場(chǎng)分析

分層空調(diào)冬季供暖工況沿方向溫度曲線如圖4所示。從圖4可以看出：在同一高度沿水平方向存在較大的溫度波動(dòng)，對(duì)比2種不同高度與溫度的關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)，由于冷熱氣流溫差較大，靠近地面附近形成明顯的溫度波動(dòng)，同一方向最大溫差將近9 ℃。受噴口與通風(fēng)柱送風(fēng)影響，在10~30 m與45~55 m之間溫度相對(duì)較高，其他區(qū)域無熱源及送風(fēng)影響，容易出現(xiàn)溫度低谷。=0.1 m高度處溫度主要分布在9~16 ℃之間，=1.1 m高度處溫度主要分布在14~17.6 ℃之間，平均溫差為3.5 ℃，超過規(guī)范中溫差≤3.0 ℃的舒適性要求，說明分層空調(diào)系統(tǒng)在冬季最不利情況運(yùn)行時(shí)人員活動(dòng)區(qū)垂直方向存在較大的溫差，容易使人產(chǎn)生“頭暖腳涼”的不舒適感。

(a) X=37 m；(b) X=48 m

地板輻射系統(tǒng)冬季供暖工況沿方向溫度曲線如圖5所示。從圖5(a)和5(b)可以看出：在同一水平面沿Z軸方向溫度變化平緩，受人體散熱及噴口送風(fēng)影響，在旅客候車區(qū)溫度高于其他區(qū)域的溫度，但最大溫差不超過1 ℃，溫度范圍在17.2~17.8 ℃之間，說明整個(gè)候車室的室內(nèi)溫度分布均勻，在此溫度范圍內(nèi)，也是人體感覺熱舒適的理想值。在垂直方向上，2個(gè)不同水平面平均溫差也不超過0.4 ℃，滿足規(guī)范溫差≤3.0 ℃的舒適性要求。從圖5(c)和5(d)可以看出：地板輻射結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)系統(tǒng)中同一位置垂直方向上平均溫差均不超過0.7 ℃，不會(huì)產(chǎn)生“頭暖腳涼”的不舒適感。在同一水平面沿Z軸方向溫度變化比地板輻射結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)明顯，最大溫差將近3 ℃，主要表現(xiàn)在旅客休息區(qū)和排隊(duì)候車區(qū)。這主要是因?yàn)榈匕遢椛浣Y(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)柱送風(fēng)風(fēng)速相對(duì)較低，影響范圍較小，結(jié)合冷空氣沿排隊(duì)候車區(qū)外墻壁面下墜至人員活動(dòng)區(qū)的影響，排隊(duì)候車區(qū)溫度低于其他區(qū)域的溫度。

(a) 結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)X=25.0 m；(b) 結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)X=46.2 m；(c) 結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)系統(tǒng)X=25.0 m；(d) 結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)系統(tǒng)X=46.2 m

地板輻射系統(tǒng)冬季供暖工況沿方向溫度曲線如圖6所示。從圖6(a)和6(b)可以看出：在垂直方向上，隨著高度的增加溫度逐漸降低，最大溫差將近2 ℃，說明地板輻射結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)在垂直方向上存在一定的溫度分層。沿噴口送風(fēng)方向，溫度變化趨勢(shì)在不同高度處存在差別。在靠近噴口處垂直方向溫差較小，這主要是由于噴口送風(fēng)卷吸周圍空氣所形成的擾動(dòng)，使得噴口射程范圍內(nèi)上部非空調(diào)區(qū)不斷與空調(diào)區(qū)進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致該區(qū)域垂直方向上溫度變化較小。因此，圖6(a)中溫度分布曲線=44 m溫度變化要大于=24 m的溫度變化，而圖6(b)中由于噴口影響較小兩曲線偏差較小。從圖6(c)和6(d)可以看出：在地板輻射結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)系統(tǒng)中，高度不同的沿坐標(biāo)的溫度變化曲線出現(xiàn)明顯不同。地板輻射結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)在垂直方向沒有形成很好的分層效果，由于通風(fēng)柱送風(fēng)風(fēng)速相對(duì)較低，氣流隔斷效果不理想，加上送風(fēng)的卷吸作用，使得非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)存在較大的熱交換，從而導(dǎo)致垂直方向無明顯溫度分層。從圖6(c)可見：坐標(biāo)為=52 m，=3 m和=44 m的點(diǎn)在通風(fēng)柱的送風(fēng)口附近，因此，該處溫度明顯偏高。在=52 m垂直平面上不同的溫度也存在較大偏差，說明在地板輻射結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)系統(tǒng)中，候車廳室內(nèi)溫度波動(dòng)較地板輻射結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)的溫度波動(dòng)明顯。

(a) 結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)X=52 m；(b) 結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)X=86 m；(c) 結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)系統(tǒng)X=52 m；(d) 結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)系統(tǒng)X=86 m

2.2 速度場(chǎng)分析

分層空調(diào)冬季供暖工況水平面速度云圖如圖7所示。從圖7(a)可以看出：在人員休息區(qū)風(fēng)速基本分布在0.05~0.35 m/s之間。噴口與通風(fēng)柱附近由于送風(fēng)風(fēng)速較高，部分人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速略大于規(guī)范值0.3 m/s，使得休息區(qū)的旅客有明顯的吹風(fēng)感。從圖7(b)可見：在排隊(duì)候車區(qū)域，受噴口送風(fēng)的影響，局部區(qū)域風(fēng)速達(dá)到1 m/s左右，具有較強(qiáng)的吹風(fēng)感，難以滿足人體舒適度的要求；在=1.1 m平面，候車廳風(fēng)速明顯高于=0.1 m平面風(fēng)速，部分區(qū)域的風(fēng)速甚至達(dá)到了1.2 m/s，這也說明受熱氣上浮影響，在地面附近風(fēng)速明顯偏低。

(a) Y=0.1 m ; (b) Y=1.1 m

地板輻射冬季供暖工況水平面速度云圖如圖8所示。從圖8(a)可看出：在=1.1 m平面上噴口送風(fēng)到達(dá)的地方以及回風(fēng)口附近，氣流速度將近1.2 m/s，由于噴口送風(fēng)氣流衰減速度較快，在旅客休息區(qū)氣流速度在0.03~0.2 m/s之間，地板輻射結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)符合冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)風(fēng)速要求。從圖8(b)可看出：受通風(fēng)柱送風(fēng)影響，在候車廳中部與通風(fēng)柱之間旅客休息區(qū)風(fēng)速稍微偏高，局部區(qū)域達(dá)到了1.2 m/s。在排隊(duì)候車區(qū)與通風(fēng)柱之間旅客休息區(qū)風(fēng)速適宜，基本維持在0.15 m/s左右；在排隊(duì)候車區(qū)出現(xiàn)氣流旋渦，旋渦區(qū)最高風(fēng)速為0.4 m/s，這些氣流旋渦是受外壁面冷氣下墜與通風(fēng)柱送風(fēng)共同影響形成的。旋渦可以加速冷熱氣流熱交換，這也是引起排隊(duì)候車區(qū)溫度偏低的原因。

(a) 結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)，Y=1.1 m；(b) 結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)系統(tǒng)，Y=1.1 m

2.3 舒適性分析

為了更好地分析候車廳的舒適性，選取1個(gè)典型水平截面(=1.1 m)，對(duì)比分析分層空調(diào)系統(tǒng)以及2種改進(jìn)供暖方案的熱舒適的評(píng)價(jià)指標(biāo)(PMV-PPD)。不同供暖工況=1.1 m水平面預(yù)測(cè)平均投票數(shù)(P)和預(yù)測(cè)不滿意百分?jǐn)?shù)(D)云圖如圖9所示。

(a) 分層空調(diào)系統(tǒng)VP云圖；(b)地板輻射結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)VP云圖；(c) 地板輻射結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)系統(tǒng)VP云圖；(d) 分層空調(diào)系統(tǒng)PD云圖；(e)地板輻射結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)PD云圖；(f)地板輻射結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)系統(tǒng)PD云圖

從圖9(a)和9(d)可看出：在分層空調(diào)供暖系統(tǒng)中候車廳大部分區(qū)域都偏冷。=1.1 m平面P在?2.8~?0.2之間，平均值為?1.32，D在5%~64%之間，平均值為36.7%，與舒適標(biāo)準(zhǔn)?0.5≤P≤0.5、D≤10%[14?15]相比存在較大偏差，只有部分區(qū)域達(dá)到了舒適性要求。由于噴口送風(fēng)風(fēng)速較高，排隊(duì)候車區(qū)具有明顯吹風(fēng)感，該區(qū)域P和D嚴(yán)重偏離舒適性標(biāo)準(zhǔn)。從圖9(b)和9(e)可看出：在地板輻射結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)中，整個(gè)候車廳基本能達(dá)到室內(nèi)舒適性要求。在人員活動(dòng)區(qū)P的范圍是?0.9~?0.2，平均值為?0.413，D在6.2%~25.4%之間，平均值為10.3%。在靠近噴口側(cè)的人員休息區(qū)P較低，D較高，主要是由于噴口送風(fēng)與水平面夾角為?15°，且送風(fēng)風(fēng)速較高，使得人體活動(dòng)區(qū)有明顯吹風(fēng)感，導(dǎo)致2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)稍微偏離舒適標(biāo)準(zhǔn)，但是可以通過改變送風(fēng)角度和風(fēng)速來克服這種不舒適感。從圖9(c)和9(f)可看出：整個(gè)候車廳也基本能達(dá)到室內(nèi)舒適性要求。在人員活動(dòng)區(qū)P的范圍為?0.85~?0.25，平均值為?0.55；D基本維持在5.3%~22.7%之間，平均值為12.6%。在靠近噴口側(cè)的人員休息區(qū)P較低，D較高，主要是由于通風(fēng)柱送風(fēng)風(fēng)速較低，垂直方向未能形成良好的氣流隔斷效果，且受排隊(duì)候車區(qū)外壁面影響，非空調(diào)區(qū)冷氣流沿壁面下墜至空調(diào)區(qū)，導(dǎo)致2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)略偏離舒適標(biāo)準(zhǔn)。從上述3種空調(diào)方案的P和D云圖來看，分層空調(diào)系統(tǒng)在冬季最不利情況難以達(dá)到室內(nèi)舒適性要求，大部分區(qū)域偏冷；而在2種改善方案中，除排隊(duì)候車區(qū)外，人員活動(dòng)區(qū)基本能滿足室內(nèi)舒適性要求。

2.4 能耗分析

2.4.1 空調(diào)熱負(fù)荷對(duì)比分析

輻射地板綜合傳熱量[16]的計(jì)算公式如下：

式中：為綜合傳熱量，W/m2；f為輻射傳熱量，W/m2；d為對(duì)流傳熱量，W/m2；為輻射地板表面平均溫度，K；為室內(nèi)溫度，K；為非輻射表面平均溫度，K。

噴口送入一定經(jīng)處理的空氣，消除室內(nèi)負(fù)荷后經(jīng)回風(fēng)口排出室內(nèi)，回風(fēng)狀態(tài)變化到室內(nèi)狀態(tài)，且假設(shè)房間內(nèi)溫濕度均勻，排出房間的空氣參數(shù)即為室內(nèi)空氣參數(shù)。即送入的熱量可按下式計(jì)算：

式中：s為送入房間的風(fēng)量，kg/s；p為空氣比定壓熱容，kJ/(kg·℃)；為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；為送風(fēng)溫度，℃。

采用數(shù)值模擬計(jì)算邊界條件，結(jié)合式(1)和(2)，得出分層空調(diào)系統(tǒng)與改善方案的空調(diào)熱負(fù)荷如表3所示。

表3 不同供暖系統(tǒng)傳熱量對(duì)比

2.4.2空調(diào)風(fēng)機(jī)能耗

風(fēng)機(jī)能耗計(jì)算以GB 50189—2005“公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”為依據(jù)，風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率s計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)按商業(yè)、旅館建筑不大于0.62 W/(m3·h)考慮，可由下式計(jì)算：

結(jié)合式(3)，分析不同空調(diào)系統(tǒng)方案，得出分層空調(diào)與改善方案的風(fēng)機(jī)能耗，如表4所示。

表4 不同供暖系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)能耗對(duì)比

由表3可看出：2種改善方案的空調(diào)熱負(fù)荷均比分層空調(diào)系統(tǒng)的低。假設(shè)上述3種供暖方案的性能系數(shù)(COP)相等，2種改善空調(diào)方案分別可降低空調(diào)能耗20.5%和17.5%。由表3和表4可以看出：2種改善方案不僅能降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，而且能獲得更好的室內(nèi)熱環(huán)境。2種改善方案由于只開啟噴口或通風(fēng)柱，空調(diào)風(fēng)機(jī)能耗均小于分層空調(diào)系統(tǒng)能源，其中地板輻射結(jié)合噴口送風(fēng)系統(tǒng)空調(diào)風(fēng)機(jī)能耗比地板輻射結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)系統(tǒng)的低。

3 結(jié)論

1) 候車廳采用單一的分層空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行供暖，在冬季最不利氣候條件運(yùn)行時(shí)，噴口送風(fēng)與通風(fēng)柱送風(fēng)出現(xiàn)嚴(yán)重“熱氣上浮”現(xiàn)象，沒有形成良好的氣流隔斷效果。人員活動(dòng)區(qū)溫度偏低，難以滿足室內(nèi)舒適性要求，且上部非空調(diào)區(qū)域囤積有大量熱量。

2) 采用輻射地板結(jié)合噴口送風(fēng)或通風(fēng)柱送風(fēng)，其空調(diào)能耗可降低20%左右，這2種改善方案均能獲得更好的熱舒適環(huán)境。采用輻射地板與送風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合的供暖系統(tǒng)，在水平面上能得到較均勻的溫度場(chǎng)分布。人員活動(dòng)區(qū)垂直方向溫差較小，這有利于克服冬季空調(diào)“頭暖腳涼”的不舒適感，并結(jié)合降低空調(diào)送風(fēng)溫度和加大送風(fēng)速度，能使噴口和通風(fēng)柱送風(fēng)形成良好的氣流隔斷效果，大大減少了因?qū)α鲹Q熱造成的熱損失。

3) 輻射地板結(jié)合通風(fēng)柱送風(fēng)供暖系統(tǒng)，能有效改善候車廳旅客休息區(qū)熱舒適性。由于送風(fēng)范圍有限，排隊(duì)候車區(qū)熱環(huán)境難以達(dá)到熱舒適性要求；輻射地板結(jié)合噴口送風(fēng)供暖系統(tǒng)，在垂直方向能形成更好的氣流隔斷效果，有利于垂直方向的溫度分層，但應(yīng)用在大跨度的高大空間時(shí)，由于噴口送風(fēng)范圍有限，在空間中部熱環(huán)境難以達(dá)到熱舒適性要求。

[1] 馬衛(wèi)武, 劉小燕, 李立清, 等.鐵路客運(yùn)站旅客候車時(shí)間研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2009, 31(5): 104?107. MA Weiwu, LIU Xiaoyan, LI Liqing, et al. Research of waiting time of passengers at railway stations[J]. Journal of the China Railway Society, 2009, 31(5): 104?107.

[2] 李立清, 劉小燕, 馬衛(wèi)武, 等.客流量對(duì)鐵路客運(yùn)站候車室新風(fēng)量的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 41(6): 2412?2418. LI Liqing, LIU Xiaoyan, MA Weiwu, et al. Effects of passenger flow on flesh air volume in waiting room at railway station[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2010, 41(6): 2412?2418.

[3] 李立清, 馬衛(wèi)武, 陳治亞. 現(xiàn)代鐵路客運(yùn)站能耗因素分析和節(jié)能對(duì)策研究[M]. 中國(guó)鐵道出版社, 2010: 1?2. LI Liqing, MA Weiwu, CHEN Zhiya. Analysis the factors of energy consumption and countermeasures study of energy saving at modern passenger railway station[M]. China Railway Publishing House, 2010: 1?2.

[4] 馬衛(wèi)武. 鐵路客運(yùn)站候車環(huán)境與能耗研究[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院, 2009: 1?3. MA Weiwu. Research on waiting environment and energy consumption at the passenger railway station[D]. Changsha: Central South University. School of Energy Science and Engineering, 2009: 1?3.

[5] LI Qiong, Yoshino H, Mochida A, et al. CFD study of the thermal environment in an air-conditioned train station building[J]. Building and Environment, 2009, 44(7): 1452?1465.

[6] CHENG Yuanda, NIU Jianlei, GAO Naiping. Stratified air distribution systems in a large lecture theatre: A numerical method to optimize thermal comfort and maximize energy saving[J]. Energy and Buildings, 2012, 55: 515?525.

[7] WEI Bing, ZHANG Li. Simulation of indoor air flow fields in buildings with large interior spaces with stratified air conditioning and perforated side wall diffusers[C]// ASME 2010 4th International Conference on Energy Sustainability. Phoenix, Arizona, USA. 2010: 385?390.

[8] Hung I, Lin H T, Wang Y C. A study on the performance of stratified air conditioning design in assembly halls: A case study at the Dazhi cultural center in Taiwan[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 368: 599?602.

[9] 楊露露, 何天祺. 三峽電站主廠房分層空調(diào)冬季工況模型試驗(yàn)[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2002, 25(8): 88?91. YANG Lulu, HE Tianqi. Analysis of the model experiment of stratificated air-conditioning in winter condition in the powerhouse of three-gorges hydropower station[J]. Journal of Chongqing University (Natural Sciecne Edition), 2002, 25(8): 88?91.

[10] 馬衛(wèi)武, 孫政, 周謙, 等.夏熱冬冷地區(qū)客運(yùn)站候車室夏季熱舒適性[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2009, 31(5): 100?105. MA Weiwu, SUN Zheng, ZHOU Qian, et al. Thermal comfort analysis in departure lounge at railway station in hot summer and cold winter zone[J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2009, 31(5): 100?105.

[11] 張東亮, 王子介, 張旭, 等.干式地板輻射供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2010, 31(7): 834?838. ZHANG Dongliang, WANG Zijie, ZHANG Xu, et al. Experimental study on dry model radiant floor heating system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2010, 31(7): 834?838.

[12] LU Shikui, ZHANG Xiaosong. Thermal comfort assessment and energy consumption analysis of ground-source heat pump system combined with radiant heating/cooling[J]. Journal of Southeast University (English Edition), 2012, 28(1): 52?57.

[13] 張于峰, 郝斌, 謝慧, 等.熱管地板輻射供暖的特性[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 40(10): 1209?1214. ZHANG Yufeng, HAO Bin, XIE Hui, et al. Thermal performance of thermosyphon-embedded floor heating[J]. Journal of Tianjin University, 2007, 40(10): 1209?1214.

[14] 許景峰. 淺談PMV方程的適用范圍[J]. 重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 27(3): 13?18. XU Jingfeng. Discussion on the application range of the PMV equation[J]. Journal of Chongqing Jianzhu University, 2005, 27(3): 13?18.

[15] 巨永平, 馬九賢. 氣流運(yùn)動(dòng)及其與熱舒適關(guān)系研究的進(jìn)展與評(píng)述[J]. 暖通空調(diào), 1999, 29(4): 27?30. JU Yongping, MA Jiuxian. Evolution and evaluation of research in room airflow and human thermal comfort[J]. Heating, Ventilating & Air Conditioning, 1999, 29(4): 27?30.

[16] Ouyang K, Haghighat F. Procedure for calculating thermal response factors of multi-layer walls: State space method[J]. Building and Environment, 1991, 26(2): 173?177.

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, ZHANGLing3

(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)

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 theworstoperatingcondition 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 perpendiculardirection of occupied zone, which is beneficial to ameliorating the feeling of “warm feet and cool head”. Moreover, it can reduce the heat loss of heatconvection and decrease energy consumption of heating by 20 percent.

railway station; thermal comfort; radiation floor heating; stratified air conditioning; indoor air quality

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.044

TU832.5+2

A

1672?7207(2015)05?1900?09

2014?07?16；

2014?09?25

鐵道部科技研究開發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目(2007Z011)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178170)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)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)

馬衛(wèi)武，博士，副教授，從事建筑節(jié)能研究；E-mail: maweiwu@csu.edu.cn

(編輯 羅金花)