大型鐵路建筑滲透風(fēng)測試分析

馮旭明 洪波 張宇峰 郭瑞 李文強

（1 廣東真正工程檢測有限公司；2 華南理工大學(xué)建筑學(xué)院；3 陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院）

0 引言

1.1 研究對象

高速鐵路建設(shè)已在全國取得飛速發(fā)展，截至2022年底，全國高鐵營業(yè)里程達(dá)到4.2 萬公里，已建成世界最大的高速鐵路網(wǎng)，基本形成布局合理、覆蓋廣泛、層次分明、配置高效的鐵路網(wǎng)絡(luò)[1]。與此相關(guān)，高鐵站數(shù)量已超過500座[2]。交通建筑碳排放量已超過社會總排放量的八分之一[3]，為響應(yīng)國家雙碳目標(biāo)的重大規(guī)劃，有必要深入研究高鐵客站的節(jié)能減排工作。

現(xiàn)有高鐵客站建筑體量巨大，為典型高大空間類建筑，空調(diào)系統(tǒng)中新風(fēng)（或滲透風(fēng)）造成的熱負(fù)荷占比超過50%[4]，為其主要負(fù)荷來源[2]，還會影響到人行區(qū)域的熱舒適狀況。從理論研究和實測結(jié)果來看，滲透風(fēng)量還對站內(nèi)CO2濃度水平等性能產(chǎn)生顯著影響。掌握滲透風(fēng)量特征，對于優(yōu)化高鐵客站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計、運行和維護(hù)具有重要意義[4]，也對航站樓、大型商場等多出口高大空間建筑的設(shè)計和管理具有參考作用。本文以某濕熱地區(qū)某高鐵站為例，通過測試探究其滲透風(fēng)特性。

高鐵客站所在地是濕熱地區(qū)的典型城市[5]，暖濕多雨，月平均氣溫13.6～28.9℃，風(fēng)速1.4～1.7m/s[6]。該站為客運特等站，建筑南北長448m，東西寬398m。站房綜合體總建筑面積48.6 萬m2，設(shè)計日均旅客發(fā)送量28萬人，高峰小時旅客發(fā)送量28400 人，旅客最高聚集人數(shù)8000人。車站共分五層（見圖1），地下兩層為地鐵車站及停車場，地面一層為出站層，包括出站大廳及交通轉(zhuǎn)換空間，地面二層為站臺層，地面三層為候車層，包括高架候車室、商業(yè)夾層及進(jìn)站口。建筑內(nèi)部東西兩端設(shè)廣廳，西側(cè)廣廳出站層一層與候車層空間通高，東廣廳站臺層與候車層空間通高。

圖1 高鐵客站部分剖面

1.2 測試原理及方法

1 研究方法

滲透風(fēng)指無組織滲透風(fēng)，是車站建筑地上部分各開口由于風(fēng)壓或熱壓驅(qū)動下的自然通風(fēng)，包括進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)。自然風(fēng)吹到建筑迎風(fēng)面上，風(fēng)速減慢，部分動壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，作用在迎風(fēng)面上，在迎風(fēng)面的開口兩側(cè)形成靜壓差而產(chǎn)生通風(fēng)，風(fēng)向由室外流向室內(nèi)。建筑的背風(fēng)面，由于風(fēng)速加快，在背風(fēng)面處形成負(fù)壓區(qū)。背風(fēng)面上的開口兩側(cè)形成由室內(nèi)指向室外的壓差，從而形成出風(fēng)。

為得到高鐵客站滲透風(fēng)量及其影響因素，需測試站房各通風(fēng)口風(fēng)量及室外風(fēng)速。結(jié)合研究對象情況，測試以下參數(shù)：⑴室外風(fēng)速風(fēng)向；⑵滲透風(fēng)，包括出站層、站臺層和候車層各洞口無組織滲透風(fēng)。

1.2.1室外風(fēng)速風(fēng)向

室外測點位于候車層西落客平臺北部環(huán)形車道旁，測點距車道地面高度1.5m，距車站建筑水平距離87m，周圍無遮擋。用風(fēng)速氣象儀自動記錄風(fēng)速風(fēng)向，記錄間隔1min。

1.2.2滲透風(fēng)

高大空間滲透風(fēng)量的測試計算分析方法主要包括風(fēng)速測試法、示蹤氣體（CO2）法、含濕量法和熱量平衡法。本文采用風(fēng)速測試法，由于其誤差較小，且可操作性較強[7]。測點布置如圖2所示。出站層常開通風(fēng)口包括東西兩側(cè)外門，南北兩側(cè)與停車場連通門。出站層與站臺層通過自動扶梯和樓梯連通，扶梯和樓梯通風(fēng)口視為常開通風(fēng)口，對出站層形成通風(fēng)路徑。站臺層西側(cè)無開口，東側(cè)外門常開，形成通風(fēng)路徑。候車層?xùn)|側(cè)無開口，西側(cè)外門常開，此外，進(jìn)站口在檢票期間間斷開啟，形成通風(fēng)路徑。通過抽測檢票口滲透風(fēng)量，根據(jù)全天發(fā)送列車數(shù)量，每次列車檢票時間，計算進(jìn)站口全天滲透風(fēng)總量，平均分配至車站運營時間，算得進(jìn)站口平均每小時滲透風(fēng)量。

圖2 測點示意圖

用鋼卷尺測量每個通風(fēng)口尺寸。手持熱指數(shù)儀測試風(fēng)速，每個通風(fēng)口測試9 次。根據(jù)風(fēng)速和尺寸，計算通風(fēng)口滲透風(fēng)量。通風(fēng)口風(fēng)向通過掛線飄動或人體感知判斷，并逐時記錄。

主要測試儀器規(guī)格參數(shù)詳見表1。

1.2.3測試時間

測試時間為2016年12月7日10:30～13:30。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 室外風(fēng)速風(fēng)向

室外風(fēng)測試時間間隔為1 分鐘，記錄風(fēng)速和風(fēng)向，測試期間室外風(fēng)速位于0～4.3m/s 之間，平均風(fēng)速1.8m/s。風(fēng)向介于北偏西67.5°和北偏東67.5°之間。

2.2 滲透風(fēng)

滲透風(fēng)量測試結(jié)果如圖3所示。

2.2.1出站層

出站層常開通風(fēng)口包括3 部分：⑴南北兩側(cè)車站與停車場連通門及出站通道門；⑵東西兩側(cè)外門；⑶出站層與站臺層連通樓梯中間平臺門洞。車站與停車場連通門及出站通道門面積相同，均為18.0m2，南側(cè)19 扇，總面積為342.0m2，北側(cè)20 扇，總面積為360.0m2。東側(cè)常開外門8 扇，面積介于6.6～14.4m2之間，總面積為80.25m2，西側(cè)常開外門9 扇，面積介于6.6～14.4m2之間，總面積為113.25m2。出站層與站臺層連通樓梯中間平臺門洞，南側(cè)6 扇，面積介于6.0～9.0m2之間，總面積為35.8m2，北側(cè)6 扇，面積介于3.0～6.0m2之間，總面積為30.0m2。

出站層南北兩側(cè)車站與停車場連通門及出站通道門，北側(cè)門風(fēng)向從室內(nèi)流向室外，為出風(fēng)，平均風(fēng)速介于0.27～0.95m/s 之間，南側(cè)門風(fēng)向從室外進(jìn)入室內(nèi)，為進(jìn)風(fēng)，平均風(fēng)速介于0.96～2.39m/s 之間。北側(cè)各門洞進(jìn)風(fēng)滲透風(fēng)量介于6.19～15.48 萬m3/h 之間，總計204.11 萬m3/h；南側(cè)各門洞出風(fēng)滲透風(fēng)量介于1.72～6.17萬m3/h之間，總計82.13萬m3/h。

出站層?xùn)|側(cè)門為進(jìn)風(fēng)，平均風(fēng)速介于0.42～2.73m/s 之間；西側(cè)門為出風(fēng)，平均風(fēng)速介于0.99～2.08m/s 之間。東側(cè)各門洞滲透風(fēng)量介于1.00～13.83萬m3/h 之間，總計51.99 萬m3/h；西側(cè)各門洞滲透風(fēng)量介于2.57～6.67萬m3/h之間，總計48.05萬m3/h。

出站層與站臺層連通樓梯中間平臺門洞，北側(cè)為進(jìn)風(fēng)，平均風(fēng)速介于0.69～2.38m/s 之間；南側(cè)為出風(fēng)，平均風(fēng)速介于0.60～1.59m/s 之間。北側(cè)各門洞滲透風(fēng)量介于1.09～7.70 萬m3/h 之間，總計21.66 萬m3/h；西側(cè)各門洞滲透風(fēng)量介于0.64～3.43 萬m3/h 之間，總計12.08萬m3/h。

2.2.2站臺層

站臺層?xùn)|側(cè)門常開，形成滲透風(fēng)。洞口面積2.10m2，平均風(fēng)速1.59m/s。滲透風(fēng)量為1.20萬m3/h。

2.2.3候車層

候車層滲透風(fēng)通風(fēng)口包括兩部分：⑴候車層西側(cè)常開門滲透風(fēng)；⑵檢票口間斷開啟滲透風(fēng)。候車層西側(cè)常開 門 共3 扇，面 積 分 別 為10.0、18.0 和20.0m2，共18.0m2。滲透風(fēng)為出風(fēng)，平均風(fēng)速介于1.70～2.21m/s之間。滲透風(fēng)量介于6.10～14.33 萬m3/h 之間，共計32.64萬m3/h。

由于檢票口為短時間斷開啟，其滲透風(fēng)量通過測試加統(tǒng)計方法得到。具體為，參照前述出站層和站臺層方法測試典型洞口滲透風(fēng)量，根據(jù)全天發(fā)車及洞口開啟情況，平均分布得到。北側(cè)檢票口13 個，南側(cè)檢票口15個。全天發(fā)送列車292次，每次開啟時間10min，平均分布到16 小時發(fā)送時間（6:30～22:30）。典型洞口面積為6.0 m2，北側(cè)進(jìn)風(fēng)，平均風(fēng)速2.27m/s，南側(cè)出風(fēng)，平均風(fēng)速0.93m/s。平均滲透風(fēng)量北側(cè)為14.89 萬m3/h，南側(cè)為6.12萬m3/h。

2.2.4總滲透風(fēng)量及風(fēng)量不平衡率

出站層進(jìn)風(fēng)277.78 萬m3/h，出風(fēng)142.26 萬m3/h。站臺層進(jìn)風(fēng)1.20 萬m3/h。候車層進(jìn)風(fēng)14.89 萬m3/h，出風(fēng)38.76 萬m3/h?？倽B透風(fēng)量進(jìn)風(fēng)293.87 萬m3/h，出風(fēng)181.02萬m3/h，風(fēng)量不平衡率為38.4%。

總滲透風(fēng)量測試結(jié)果與南京南站結(jié)果（320.535 萬m3/h）[8]相近。但從已有文獻(xiàn)來看，航站樓、高鐵客站等高大交通建筑的滲透風(fēng)量多數(shù)位于15.5～62.0萬m3/h之間。本次測試遠(yuǎn)高于以上結(jié)果，也高于前人對研究建筑的模擬分析結(jié)果[9]（進(jìn)風(fēng)量20.05 萬m3/h，出風(fēng)量10.54 萬m3/h）?？赡芘c建筑體量、開口方式及開口面積、室外溫濕度狀況不同等因素有關(guān)。

3 結(jié)論

⑴在室外平均風(fēng)速與研究地夏季平均風(fēng)速1.8m/s相同的情況下，該大型鐵路建筑的無組織滲透風(fēng)總進(jìn)風(fēng)量為293.87 萬m3/h，總出風(fēng)量181.02 萬m3/h，風(fēng)量不平衡率為38.4%。本次測試結(jié)果對高大建筑室內(nèi)環(huán)境的研究分析有參考價值。

⑵高鐵站房等高大建筑存在大量的滲透風(fēng)，將對采暖和空調(diào)負(fù)荷帶來較大影響，應(yīng)充分研究滲透風(fēng)特征，采取合理的措施以降低不利影響。

⑶測試得到的進(jìn)出風(fēng)不平衡率較大，主要原因如下：①未考慮辦公區(qū)、商業(yè)區(qū)、樓梯間風(fēng)量滲透。②未考慮出站層與地下一層的風(fēng)量滲透。③風(fēng)量測試為10:30 至13:30，歷時2h，室外風(fēng)速處于0～4.3m/s 之間，變化范圍較大，由此帶來測試和計算誤差。