西昌西站复合通风节能研究*

中铁二院工程集团有限责任公司 许 琳 王胜男 巩 云 王岳怡 周志强

0 引言

近年来，中国高速铁路建设和运营取得了举世瞩目的成就。截至2020年底，全国铁路营运总里程为14.63万km，高铁(含城际铁路)为3.8万km，覆盖约99%的20万人口及以上城市。

铁路车站建筑特别是客运专线，由于建筑功能复杂，室内人员流动性较大，使用时间长，传统空调系统设计不能完全满足人员舒适性要求，室内空气品质得不到保证。增大室内自然、新鲜空气的流动，通过建筑开窗将室外新风引入室内是减少空调系统运行能耗和提高人员热舒适性的重要方式[1-3]。

目前针对建筑复合通风方式的研究较少，对于高架车站通风方式的研究则更少。田利伟等人运用多区域网络模拟工具ContamW对新广州站进行了通风系统设计优化[4]。乔宣铭为研究北方铁路客站夏季通风降温效果，结合当地气候特点，提出了合理的通风降温方式[5]。罗国志等人采用EnergyPlus模拟比较了成都地区办公建筑在复合通风、机械通风及自然通风模式下的系统能耗和室内热舒适时间[6]。Menassa等人提出一种通用的自动混合通风系统，研究了混合通风系统的最佳运行方式，与传统机械通风相比节能20%[7]。

本文采用EnergyPlus能耗分析软件对候车大厅室内热环境进行研究，提出一种适用于西昌西站的复合通风方案及相应的运行控制策略，在满足室内空气品质的同时，节能降耗，提高经济效益。

1 工程概况

1.1 建筑概况

西昌西站(见图1)属于大型铁路高架站房，位于四川省凉山彝族自治州，地上3层，局部地下1层和高架夹层，总建筑面积为14 992.52 m2，其中高架候车室夹层建筑面积为1 054.92 m2，建筑高度为38.25 m。站房为混凝土框架结构，高架候车站房为钢结构框架，采用高透光Low-E门窗，岩棉、玻璃棉板外墙，外墙传热系数为1.24 W/(m2·K)，外窗(含透光幕墙)传热系数为2.70 W/(m2·K)，总窗墙面积比为0.13。

图1 西昌西站主视图

1.2 气象参数分析

西昌市位于川西高原的安宁河平原腹地，海拔1 500～2 500 m，属于温和地区[8]，全年干湿季分明，年平均气温为17.2 ℃，夏季平均气温为22.6 ℃，冬季平均气温为9.9 ℃，气温年温差较小，日温差较大[9]。西昌主导风向为N(17.81%)，次主导风向为SSW(7.69%)，全年静风频率为10.81%。本文研究采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中的西昌地区气象参数，得到各月室外干球温度低于18 ℃、高于27 ℃及18～27 ℃范围内的小时数，统计结果见图2。

图2 西昌典型气象年各月温度分布

经统计，西昌地区全年室外干球温度在18～27 ℃范围内的小时数为4 538 h，占全年总时数的51.8%；全年室外干球温度低于18 ℃的小时数为3 209 h，占全年总时数的36.6%；全年室外干球温度高于27 ℃的小时数为1 013 h，占全年总时数的11.6%。西昌地区具有冬暖夏凉的气候特性，根据站房建筑特点和空调负荷变化规律，在建筑和空调设计过程中可以利用通风技术消除室内的余热和余湿，实现节能。

1.3 评价指标设定

西昌西站候车厅属于高大空间，具有大玻璃外墙、人员密度较大、疏密反差大等特点，候车厅作为人员短暂停留的过渡空间，热舒适指标的选取会对结果有不同的影响。针对站房候车厅通风方式的研究，需确定通风条件下的室内热舒适性评价标准。

GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[10]和TB 10056—2019《铁路房屋供暖通风与空气调节设计规范》[11]对车站候车厅的空调或供暖设计有明确要求。设计规范的热舒适评价指标主要采用的是Fanger提出的PMV-PPD指标，其主要适用于稳态热环境，对于通风等动态热环境下的人员热舒适评价结果存在较大偏差[12]。

本文采用可以对动态热环境进行预测的ASHRAE Standard 55-2017中所述的热舒适性模型[13]，该标准以de Dear等人的调研[14]为基础，给出了自然通风条件下室内热舒适体感温度的计算公式(见式(1))[15-16]。本文采用式(1)计算得到西昌地区的室内舒适温度，并以ASHRAE标准中80%满意度对应的温度范围作为候车厅复合通风控制目标参数的设定依据，结果见表1。

表1 西昌地区自然通风环境室内舒适温度 ℃

tc=0.31tm+17.8

(1)

式中tc为室内舒适温度，℃；tm为室外环境月平均温度，℃。

该模型中tc±3.5 ℃为80%满意度所对应的热舒适区。

2 复合通风系统研究

2.1 通风模型

2.1.1自然通风

自然通风最基本的动力是风压和热压，风压作用下的自然通风是由于建筑迎风面和背风面的风压差，热压作用下的自然通风是由于室内外空气的温差和进出风口的高差。自然通风量由下式计算得出[6]：

L=CQΔpn

(2)

式中L为自然通风量，kg/s；CQ为流量系数，kg/(Pan·s)；Δp为门窗洞口两侧的压力差，Pa；n为空气流量指数，取0.5～1.0。

选用中国标准气象数据(CSWD)中西昌地区的室外风速和风向等参数计算通风换气量，通风窗内外风压差[6]为

(3)

式中 Δpw为通风窗内外风压差，Pa；ρ0为室外空气密度，kg/m3；v0为室外空气流速，m/s；K为空气动力系数。

通风窗内外热压差[6]为

Δps=g∑ρijΔzij

(4)

式中 Δps为通风窗内外热压差，Pa；g为自由落体加速度，m/s2；ρij为节点i出口至节点j入口的空气密度，kg/m3；Δzij为节点i和节点j间的相对距离，m。

2.1.2机械通风

当自然通风无法满足室内热舒适要求时，相比于空调系统，优先考虑采用能耗更少的机械通风系统进行辅助冷却。根据室内逐时负荷可以计算得到逐时风量，根据风量的变化采用带有变频器的风机，通过调节风机叶轮转速，达到改变风量的目的[15-16]。采用变频器控制风机相较于一般的调节阀门控制风量的方法，运行能耗少，综合效益高。

变频风机的功率与风量的三次幂成正比：

(5)

式中N、N0分别为风机的实际功率和额定功率，kW；Lj、L0分别为风机的实际风量和额定风量，m3/h。

2.1.3复合通风

复合通风系统是自然通风和机械动力混合的系统，通过控制策略，在保证室内空气品质和热舒适的同时，使得系统能耗最低。由文献[17]可得复合通风量的计算公式为

(6)

式中Lt为复合通风总风量，m3/h；Lw、Ls分别为风压自然通风量和热压自然通风量，m3/h。

利用建筑能耗模拟软件EnergyPlus对候车厅进行全年通风量计算，可得到非供暖季不同室外温度下，能够满足90%使用时间内热舒适性要求的复合通风设计风量。

2.2 复合通风系统运行方案

利用已开设的电动排烟窗作为自然通风进/排风口，在满足自然排烟设计要求下，有目的地调整窗口的开启面积。候车厅顶部共设置4处电动排烟窗，每处开启净面积为75 m2；候车厅正立面距地2.0 m高处设置自然补风窗，开窗净面积为35 m2。候车大厅电动排烟窗设置示意图见图3。由于高架候车厅纵向进深达110 m，为了更好地研究不同区域热环境差异，将该层划分为4个区域，分区示意图见图4。

图3 候车厅开窗示意图

图4 候车厅分区示意图

候车厅通风空调系统由组合式空气处理机组和变频轴流风机并联组成，系统原理图见图5。候车厅在夏季和过渡季采用分阶段通风空调系统设计：室外温度较低时，仅开启电动排烟窗，为自然通风系统；室外温度升高时，电动排烟窗和风机联合运行，为复合通风系统；室外温度持续升高时，开启组合式空气处理机组，关闭风机和电动排烟窗，为一次回风全空气空调系统。

注：组空为组合式空气处理机组。图5 候车厅通风空调系统原理图

2.2.1室内热环境

利用EnergyPlus软件建立了该火车站的建筑模型，为了简化候车厅模型，把同一方向上相同高度的若干门或窗等效为一个门或窗，对模型计算的准确性不会造成影响，西昌西站建筑模型如图6所示。

图6 西昌西站建筑模型

模拟选择典型气象年的气象数据，周期为1月1日00：00至12月31日24：00，时间步长为1 h。根据TB 10100—2018《铁路旅客车站设计规范》的推荐值，候车厅室内人员密度为0.9人/m2，照明负荷为20 W/m2，设备负荷为15 W/m2。通过EnergyPlus模拟得到候车厅全年动态负荷变化情况，如图7所示。

图7 候车厅全年动态负荷变化

由图7可以看出：西昌西站候车厅全年冷热负荷波动较大，全年最大冷负荷为1 450 kW，最大热负荷为1 130 kW，冷热负荷差异不明显；在3—4月及9—10月过渡季期间，设计时需要考虑一天内冷热交替的现象。在候车厅开窗总面积为320 m2的条件下，得到各区域分别在全年自然通风模式和复合通风模式下的室内温度变化情况，以区域4室内温度作为标准，得到区域1、区域2和区域3的温差，如图8所示。

图8 区域间全年温差波动

由图8可以看出：候车厅进深较大，自然风不能均匀到达，不同区域存在明显温差；区域1位于建筑最内区，区域1与区域4的温差最大，区域1室内温度最高，人员热舒适感觉最差，为最不利区域。下文将最不利区域的室内热环境变化作为分析对象，以80%满意度热舒适区间为控制目标，研究最不利区域在2种工况下的室内温度变化。

2.2.2自然通风温度

西昌地区非供暖季开始日期为3月20日，结束日期为10月26日；供暖季需开启空调供热，关闭电动排烟窗，本文主要研究非供暖季复合通风的应用效果。以5月为例，候车厅在自然通风模式下的室内温度波动曲线如图9所示。该曲线与ASHRAE 80%热舒适温度曲线存在交点，找出交点处所对应的室外环境温度，考虑能够满足90%使用时间，即可得到自然通风在5月的边界温度。

图9 自然通风工况下5月室内逐日温度

基于上述分析方法，得到西昌西站候车厅夏季和过渡季自然通风模式的边界温度，见表2，当某月某时刻的室外温度低于该月的边界温度时，仅需开启电动排烟窗，就可以有效消除室内余热。

表2 自然通风模式下的边界温度 ℃

2.2.3复合通风温度

结合室外环境温度和2.1.3节计算的复合通风量，将EnergyPlus模拟得到的复合通风模式下的室内温度曲线与80%热舒适温度曲线进行比较，同2.2.2节分析方法，得到5月复合通风室内逐日温度，如图10所示。西昌西站候车厅夏季和过渡季复合通风模式下的边界温度见表3。

表3 复合通风模式下的边界温度 ℃

图10 复合通风工况下5月室内逐日温度

以5月为例，当5月某时刻室外温度为26 ℃时，自然通风已不能完全实现对候车厅通风降温，需开启变频轴流风机进行复合通风；当室外温度高于27 ℃时，此时复合通风也无法实现通风降温，需关闭电动排烟窗和轴流风机，开启空调系统。候车厅全年分别在自然通风模式和复合通风模式下满足热舒适温度的总小时数如图11所示。

图11 2种通风模式室内热舒适时间统计

随着室外气温升高，自然通风效果减弱，开启风机后，室内热舒适时间延长。复合通风在过渡季的热舒适时间多于夏季，室外温度越低，复合通风的热舒适时间越长，对室内热环境的改善效应越明显。复合通风技术的合理应用可以降低室内空调冷负荷，缩短空调使用时间，实现节能降耗的目的。

2.3 复合通风系统控制策略

由前文分析，可以得到候车厅通风模式与空调模式的工况转换策略，见表4。由站房建筑自动化系统(BAS)设置相关温度检测点，根据测量结果，自动(或由人工干预)进行工况的转换。通风降温工况下，复合通风系统控制策略如图12所示。

表4 通风空调系统的边界温度 ℃

注：tw1、tw2分别为自然通风和复合通风的边界温度。图12 复合通风系统控制策略

3 全年综合效益分析

3.1 设备选型

西昌西站候车厅空调水系统为一级泵变流量双管制系统，冷水泵采用变频泵，采用异程式、闭式机械循环；空调风系统采用一次回风全空气系统，双侧电动喷口送风。候车厅主要选用设备包括：螺杆式空气源热泵机组、组合式空气处理机组、变频轴流风机和水泵等，设备选型如表5所示。

表5 设备选型技术参数

3.2 系统能耗分析

机械制冷空调系统主要考虑在制冷季开启空调，过渡季利用组合式空气处理机组通风降温。候车厅分别采用复合通风系统与机械制冷空调系统，需要运行空调的时间见表6，其中方案1为机械制冷空调系统，方案2为复合通风系统。

表6 2种方案空调运行时间统计 h/a

候车厅采用复合通风系统，与机械制冷空调系统相比，制冷工况下所需开启空调的时间明显缩短。根据候车厅区域划分，区域2和区域3同属于内区，故两区域空调单独运行时间比较接近；通过2.2.1节计算可知，室内温度从区域1至区域4逐渐降低，方案2工况下的空调运行时间也随区域温度降低而缩短。

实际工程设计中，北区(区域1、2)冷量由组合式空气处理机组ZK-600承担，南区(区域3、4)冷量由组合式空气处理机组ZK-750承担，内外区空调各自独立运行。由表6数据可知，北区空调运行时间可减少354 h/a，南区空调运行时间可减少591 h/a。方案1设计工况下，候车厅全年能耗为362 298 kW·h；方案2设计工况下，候车厅全年能耗为272 810 kW·h，全年节能量为89 488 kW·h，节能率为24.7%。

3.3 经济效益分析

对于一次性投资的方案，若每年的净收益基本相同，则投资回收期可表示为项目增加的投资费用与年平均净收益的比值，即

(7)

式中P为投资回收期，a；C为项目增加的投资总额，元；A为项目年平均净收益，元/a。

复合通风系统的设备初投资见表7。

表7 复合通风系统初投资

复合通风系统相比机械制冷空调系统新增了4台变频轴流风机，设备初投资虽然增加，但复合通风减少了空调运行时间，系统总能耗降低。经计算，复合通风系统的年节能量为89 488 kW·h，西昌地区的电价按0.65元/(kW·h)计算，则投资回收期约为3.74 a。

4 结论

1) 以ASHRAE 80%舒适区间为评价指标，提出以室内热舒适温度为控制目标的复合通风运行方案，根据西昌地区过渡季节和夏季室外环境温度，确定了通风空调工况模式转换的边界温度，提出了针对各月的复合通风运行控制策略。

2) 根据候车大厅自然通风条件下室内温度的差异性，对候车大厅实现分区控制，提出采用电动排烟窗+4台变频轴流风机+4台组合式空气处理机组的通风空调方案，将组合式空气处理机组与变频轴流风机并联，根据室外温度的变化来控制机组设备的启停设置。

3) 通过复合通风技术的应用，与机械制冷空调系统相比，北区空调运行时间可减少354 h/a，南区空调运行时间可减少591 h/a，全年可减少能耗89 488 kW·h，实现24.7%的节能率，投资回收期约为3.74 a。