某鐵路站房空調系統(tǒng)運行現狀及冷負荷特性分析

羅焰華

中國鐵路廣州局集團有限公司職工住房建設指揮部

高速鐵路作為我們國家重要的一張名片，近年來得到了飛速的發(fā)展。中國高鐵營業(yè)里程超過2.2萬公里，超過其他國家總和，高鐵累計運送旅客超過70億人次，相當于全世界每個人坐過一次中國高鐵。高鐵，已成為我們國家最重要的一種交通工具。站房，鐵路最重要的配套房屋，也已經從單一的雨棚站臺發(fā)展成為集鐵路、公交、地鐵等交通為一體的大型交通樞紐。隨著人民生活水平的提高，人們對鐵路站房室內舒適度的要求也越來越高，做好鐵路站房的配套設施，夏季為旅客送去清涼，不僅是旅客的要求，也是鐵路各相關單位的心愿。

該站投入運營已有8年的時間，近兩年空調系統(tǒng)運行效果不佳，夏季候車室室內溫度偏高，無法滿足旅客舒適性要求。針對這一問題，對站房候車區(qū)集中空調系統(tǒng)展開調研，包括冷凍站和輸配系統(tǒng)運行及維護現狀，以及候車區(qū)冷負荷特性，從而為空調系統(tǒng)改造提供基礎數據支撐。

1 工程概況

1.1 建筑概況

該工程位于廣州市，是集鐵路、城市地鐵、公交、出租等多種運輸方式為一體的大型現代化綜合交通樞紐。站房共有五層，地上三層，地下兩層。地上三層是高架候車層（含商業(yè)夾層），為主要的旅客候車區(qū)域；地上二層為站臺層；地面首層主要為站廳層，設旅客出站廳、城際旅客候車室、售票廳、設備用房、地面停車場以及出租車上客區(qū)；地下一層中央為地鐵站廳層，兩側為車站停車場和空調機房；地下二層為地鐵2號線、7號線站臺層，站房于2010年開通運營。

1.2 集中空調冷凍站設備參數

車站地面層出站廳、售票廳、車站辦公區(qū)及高架候車層（含商業(yè)夾層）候車室、商業(yè)區(qū)域、售票辦公區(qū)等區(qū)域采用集中空調系統(tǒng)，冷源采用水冷冷水機組，以站房8軸為中心劃分為南、北2套獨立的空調水系統(tǒng)，南、北兩側地面出站層分別設置冷凍站1座。每座冷凍站均設有4臺水冷式冷水機組，整個站房集中空調水系統(tǒng)總裝機容量26.95 MW，冷凍水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)。單側冷凍站主要設備參數如表1所示。

表1 單側冷凍站主要設備規(guī)格表

1.3 高架候車室空調末端形式

高架候車室平面面積較大，層高較高，而人員相對集中，密度大，空調負荷較大，空調系統(tǒng)采用一次回風空調機組。采用分層空調設計，劃分多個送風區(qū)域，在候車大廳中間區(qū)域靠近結構柱設置多個“設備單元”，“設備單元”3側送風1側回風，候車大廳兩側采用遠程噴口送風，集中回風，有效的控制距地面2 m高的范圍，使人員的活動空間的溫度達到要求。在27 m標高的商業(yè)夾層采用小送風單元（高條機），為循環(huán)送冷風空調方式；高架候車層及商業(yè)夾層的商業(yè)、辦公用房、衛(wèi)生間設置風機盤管送風。

為充分利用高大空間通風的優(yōu)勢，候車層幕墻上部設置有電動調節(jié)外窗，根據室外的溫度、風速、風向，統(tǒng)一控制外窗的開啟時間和開啟角度，必要時可以聯(lián)動空調機組的送風機，實現新風置換，排除大廳內區(qū)余熱和污濁空氣。在候車層東西側進出站口、通向站臺層入口均設有貫流式風幕機。

2 高架候車區(qū)空調系統(tǒng)運行現狀

夏季該站投入運營已有8年的時間，據旅客反饋，夏季候車室室內溫度較高。針對這一問題，對候車區(qū)空調系統(tǒng)的運行進行了調研。測試時間為2017年8月，室外天氣晴朗。測試時段候車室人員活動區(qū)域平均溫度為31.5℃，超過設計溫度為27℃，無法滿足旅客的熱舒適要求。由于為候車區(qū)服務的空調機組安裝于站臺層上方吊頂內，下部為列車軌行區(qū)，無法獲取相關運行數據，因此本次分別對候車區(qū)空調末端送、回風參數及冷凍站空調機組運行參數進行調研測試。

2.1 空調末端送、回風參數

1）測量儀器

調研過程涉及到的測量儀器包括ZDR溫度記錄儀、TSI多功能風速儀和紅外測溫儀，各儀器的技術參數如表2所示。

表2 測量儀器技術參數

2）高架候車室設備單元及兩側側送噴口送回風參數

對候車室設備單元及兩側側送噴口的空調送風溫度、回風溫度、回風風速進行測試，結果如表3所示。

表3 高架候車層送、回風口溫度

設備單元及側送噴口平均送風溫度25.5℃，與設計送風溫度19℃、相對濕度95%相比，溫度偏高，不能有效帶走室內余熱。根據回風口尺寸計算回風量，并與機組設計風量進行對比，得出空調末端機組實際風量約為設計風量70%～105%，部分設備實際風量小于設計值。

3）商業(yè)夾層高條機送回風參數

候車室及商業(yè)夾層兩側商業(yè)區(qū)域均采用高條機循環(huán)送風，對商業(yè)夾層區(qū)域高條機送、回風溫度、風速進行測試，測試結果如表4所示。

表4 商業(yè)夾層小送風單元送、回風參數

商業(yè)夾層區(qū)域的高條機平均送風溫度20.2℃，與候車室送風單元及側送噴口相比，送風溫度明顯降低，但仍未達到設計送風溫度。根據測得的風口風速和風口尺寸，計算得高條機的實際送風量為3773 m3/h，設計值為3750 m3/h，測試值與設計值基本吻合。

2.2 冷水機組

針對冷凍站冷水機組的運行參數和運行狀況進行調研測試，其中冷水機組的運行參數如表5所示。

表5 冷凍站冷水機組運行參數

每個冷凍站均有2大1小共3臺冷水機組在滿負荷運行，另外一臺小機組暫未開啟。北側冷水機組冷凍水供水溫度高出設計值5.8～6.6℃，回水溫度高出設計值5.2～5.4℃；冷卻供回水溫度與設計值基本一致。南側冷水機組冷凍水溫度高出設計值3.5℃～3.7℃，回水溫度高出設計值3.5～3.6℃；冷卻水供回水溫度與設計值基本一致。目前冷水機組已滿負荷運行，室內負荷過大，超出冷水機組制冷能力。

3 候車區(qū)溫度升高原因分析

根據站房原空調系統(tǒng)設計參數，結合高架候車區(qū)調研結果，初步分析導致候車區(qū)室內溫度偏高的原因主要是空調冷負荷發(fā)生較大變化，包括以下幾方面：

1）候車區(qū)發(fā)熱量增多

①車站投入使用后，候車室內增設了大量的廣告設施。根據車站管理單位提供數據，廣告燈箱的發(fā)熱量約為800 kW，這部分熱量直接散發(fā)至候車室，增加候車室的空調負荷。

②候車室兩側商業(yè)區(qū)域、商業(yè)夾層商業(yè)區(qū)域雖預留了空調水系統(tǒng)，但受商業(yè)布局影響，目前均采用多聯(lián)機、分體空調等獨立空調系統(tǒng)，其空調室外機直接設置于室內，室外機散熱直接排至室內公共區(qū)，增大了候車區(qū)的空調負荷。實地調研表明，高架候車層+21.00 m和+27.00 m標高兩側商業(yè)區(qū)域新增空調設備導致的空調負荷增量約為497 kW。

2）冷風滲透

對于鐵路旅客站房，出于旅客進站需求考慮，候車室主要出入口全天處于開啟狀態(tài)，雖然門洞上方設置了風幕機，但是冷風滲透依然嚴重，采用熱線風速儀對候車室西側出入口的滲透風量進行了測試，結果如表6所示。

表6 候車室西側出入口滲透風測試參數

統(tǒng)計結果表明，西出入口總的滲透風量達68.77萬m3/h，與原設計滲透風量4.33萬m3/h存在很大差異。室內冷空氣由候車室滲透至室外，進一步考慮商業(yè)餐飲和公共衛(wèi)生間的排風，勢必造成了空調區(qū)域大量冷量的散失，該部分風量最終由未經處理的室外新風作為補充，如此大的滲透風量，使得候車區(qū)很難保證舒適性要求。

3）客流量

客運站的設計客流量是影響其空調負荷的一個至關重要的因素[1]。該站為華南地區(qū)最大的鐵路交通樞紐之一，目前日發(fā)送客流量為20萬人左右，由于日逐時客流分布數據難以獲取，參考國內大型鐵路旅客站房的調研結果，取高峰小時客流系數為日客流量的13%～14%左右，保守起見，按照取14%取值，計算得高峰小時旅客發(fā)送量為2.8萬人/小時，客發(fā)送高峰期高架候車區(qū)內人員聚集密度及對應的人員負荷超出原設計工況。

4）氣流組織

鐵路站房候車室為高大空間，合理的氣流組織對空調制冷效果的保證非常重要[2]?，F場調研發(fā)現，候車室在通車后增設商務候車區(qū)，實體圍擋遮擋設備單元氣流組織，空調風無法有效送到候車區(qū)域；候車室兩側商業(yè)區(qū)域高條機則被商鋪遮擋，部分甚至被密閉在商鋪的儲藏室內；商業(yè)夾層部分高條機則位于商鋪墻體后方，無法向公共區(qū)送風，導致候車室總送風量無法達到設計要求，嚴重影響既有空調設備充分發(fā)揮其制冷能力。

5）采光屋面遮陽及高側窗

候車區(qū)中央通廊上方為ETFE膜采光屋面，ETFE膜屋面實際透光率為49%，導熱系數2.5～3.5 W/(m2K)，與原透光率設計值23%也存在很大出入。設定透過ETFE膜的太陽輻射得熱有70%分配在候車室人員活動區(qū)[3]，形成瞬時冷負荷，該部分冷負荷相對原設計增大1.13倍。調研時對該區(qū)域的地面溫度，+1.5 m高度室內溫度和天窗附近溫度進行測試。結果表明天窗下部地面溫度為40.5℃，+1.5 m高度的室內溫度為33.5℃，天窗附近溫度則達到43.0℃以上。

夏季開啟高大空間上部天窗或高側窗可以有效利用熱壓作用促進自然通風，帶走室內余熱[4]。高架候車層幕墻上部設置有電動調節(jié)外窗，設計階段考慮可根據室外氣象條件開啟通風，排除候車室上部的余熱和污濁空氣。實際運行時，由于電動窗下方為車站軌行區(qū)，窗戶如果頻繁開啟，存在玻璃脫落、破碎等隱患，直接影響列車的運營安全，風險較大，因此電動窗未實現通風功能。候車室頂部聚集的熱量無法排至室外，導致熱空氣不斷向候車室人員活動區(qū)傳遞熱量，加大人員活動區(qū)空調負荷，影響旅客的舒適感。

6）空調設備運營維護

空調系統(tǒng)能否長久的發(fā)揮其良好的制冷效果，不僅與設計、施工、設備有關，還與系統(tǒng)日常的運營維護息息相關。為高架候車區(qū)服務的空調末端位于高架層候車室樓板下，站臺上方吊頂內，設備檢修、維護比較困難，導致部分設備不能充分發(fā)揮其功效，風量偏小，制冷效果較差，部分機組甚至故障無法開啟。候車區(qū)設備單元內環(huán)境較差，灰塵、雜物較多，造成空調機組過濾器堵塞、降低換熱器效率。影響了候車區(qū)空調末端的制冷能力。

4 結論與建議

站房空調系統(tǒng)調研結果表明，南/北兩側冷凍站均為2大1小3臺冷水機組滿負荷運行，冷水機組冷凍水供水和回水溫度均高于設計值。高架候車室的空調末端送、回風溫度均高于設計值，部分空調末端被商業(yè)遮擋無法運行，無法滿足候車室送風要求。室內負荷已超過空調機組制冷能力，導致候車室室內溫度偏高，達到31.5℃。

對比原設計可知，站房實際運營過程候車室室內新增設備發(fā)熱1297 kW、無組織滲透風量增大至68.77萬m3/h、天窗太陽輻射引起的冷負荷則增加1.13倍，此外實際客流量也相比預期也顯著增多，以上因素導致候車室冷負荷明顯增加，候車室實際運營過程冷負荷在250 W/m2左右。

根據車站空調系統(tǒng)運行現狀，建議采光屋面設置遮陽措施，減少太陽輻射得熱；為便于候車室夏季通風，建議幕墻高側窗常開或者設置常開防雨百葉，加強室內空氣流動；候車室滲透風量已超過室內所需新風量，空調機組可關閉新風閥，同時建議候車室主要出入口設置門斗，減少冷風滲透。