南方鐵路客站氣候區(qū)劃及通風(fēng)降溫策略研究

湯 鑫 馮 煉

南方鐵路客站氣候區(qū)劃及通風(fēng)降溫策略研究

湯 鑫 馮 煉

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

從影響通風(fēng)降溫潛力的因素出發(fā)確定了南方鐵路客站的氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，并據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)劃分了氣候區(qū)，形成了可視化區(qū)劃結(jié)果；選取了各氣候區(qū)內(nèi)的典型城市模擬了兩種不同工況下的自然通風(fēng)情況，得到了各氣候區(qū)內(nèi)典型城市的自然通風(fēng)適用性情況，并進(jìn)一步分析了夏季和過渡季的通風(fēng)降溫潛力，根據(jù)計算結(jié)果提出了各個氣候區(qū)的通風(fēng)降溫方案。

南方地區(qū)；鐵路客站；自然通風(fēng)；降溫潛力；通風(fēng)適用性

0 引言

自從“一帶一路”和高鐵走出去戰(zhàn)略實施以來，我國鐵路的發(fā)展進(jìn)入了新時期，鐵路由于其便捷、舒適等特點正成為越來越多人們出行的首選，鐵路客站的數(shù)量也越來越多。鐵路客站作為大型公共交通類建筑不同于其他建筑形式，具有全天候運行、人員密度和流動性大、暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗大等特點，據(jù)文獻(xiàn)[1]統(tǒng)計，在我國南方地區(qū)鐵路客站中，制冷所需的能耗占到了客站總能耗的37%，為了能夠充分利用自然通風(fēng)帶走室內(nèi)負(fù)荷，盡量減小鐵路客站在制冷方面的能耗，有必要依據(jù)南方地區(qū)的氣候特點，并結(jié)合影響通風(fēng)降溫的因素對南方地區(qū)進(jìn)行氣候區(qū)域劃分，并對自然通風(fēng)的降溫潛力大小進(jìn)行分析，從而選擇合適的節(jié)能降溫方式。

1 氣候區(qū)劃

1.1 區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)的確定

本文從影響通風(fēng)降溫潛力和適用性的主要因素：室外干球溫度、室外空氣相對濕度、1月月平均溫度以及7月平均溫度日較差等出發(fā)來對南方地區(qū)的氣候區(qū)域進(jìn)行劃分，本文選取了秦嶺淮河以南地區(qū)102個氣象臺站的氣象資料作為研究南方地區(qū)通風(fēng)降溫的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[2]。

（1）室外空氣干球溫度

溫度是影響人體熱舒適性和通風(fēng)帶走室內(nèi)余熱的重要因素，也是評價通風(fēng)降溫效果最直觀的參數(shù)，夏季通風(fēng)室外計算溫度和夏季空調(diào)室外計算干球溫度反映了該地區(qū)夏季的室外溫度情況，所以本文以這兩個溫度作為南方地區(qū)鐵路客站的區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)之一。

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定，當(dāng)室外空氣達(dá)到28℃以上時難以降溫至舒適范圍[3]，同時參考自然通風(fēng)熱舒適評價標(biāo)準(zhǔn)中舒適溫度的上限值在30℃左右[4-6]，當(dāng)溫度大于30℃時，采用通風(fēng)降溫意義不大，所以本文將南方地區(qū)各臺站夏季通風(fēng)室外計算溫度和夏季空調(diào)室外計算干球溫度按照＜28℃、28—30℃、＞30℃將南方地區(qū)劃分成三個區(qū)間，分別表示通風(fēng)降溫潛力的高、中、低。

（2）1月月平均溫度

我國南方地區(qū)橫跨多個氣候帶，自然通風(fēng)全年的適用性情況各不相同，研究自然通風(fēng)就應(yīng)該對該地區(qū)全年的適用性情況加以分析。1月月平均溫度反映了該地區(qū)冬季自然通風(fēng)的適用性情況，文獻(xiàn)[3]認(rèn)為當(dāng)室外溫度低于12℃時通風(fēng)難以直接利用，所以本文將1月月平均溫度劃分為＞12℃和≤12℃兩個區(qū)間，分別表示冬季自然通風(fēng)適用性的高、低。

（3）7月平均溫度日較差

夜間通風(fēng)也是通風(fēng)降溫的一種重要形式，夜間通風(fēng)可以利用夜晚較低的室外溫度來帶走室內(nèi)熱量，從而縮短空調(diào)的開啟時間。研究表明，當(dāng)晝夜溫差達(dá)到10℃以上，夜間通風(fēng)能取得很好的效果[7]，但在夏熱冬冷地區(qū)，當(dāng)室外晝夜溫差達(dá)到6℃以上且夜間通風(fēng)換氣次數(shù)在5～10次/小時，能有效縮短空調(diào)開啟的時間[8]，故本文將南方地區(qū)的7月平均溫度日較差劃分為＞6℃和≤6℃兩個區(qū)間，分別表示夜間通風(fēng)降溫潛力的大小。

（4）室外空氣相對濕度

濕度是影響自然通風(fēng)熱舒適性和適用性的另一個重要因素，但濕度對于人體舒適度的影響是隨著溫度的升高而逐漸增大的，夏季通風(fēng)室外計算相對濕度反應(yīng)了當(dāng)?shù)叵募臼彝饪諝獾南鄬穸惹闆r，嵇赟喆通過試驗研究得到，在高溫情況下，空氣相對濕度大于70%人體會感覺不舒適[9]，此時自然通風(fēng)潛力低；《鐵路旅客車站建筑設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定舒適空調(diào)的設(shè)計濕度下限宜為40%[10]，當(dāng)相對濕度低于此值時，通風(fēng)降溫的潛力也不高，但可以通風(fēng)非耗能手段對空氣進(jìn)行加濕。故本文將夏季通風(fēng)室外計算空氣相對濕度按照70%～40%、＜40%、＞70%劃分為三個區(qū)間，分別表示通風(fēng)潛力的高、中、低。

1.2 氣候區(qū)劃結(jié)果

根據(jù)南方鐵路客站的區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合秦嶺淮河以南102個氣象臺站的氣象資料，將我國南方地區(qū)劃分為五個氣候區(qū)，每個氣候區(qū)內(nèi)自然通風(fēng)具有相似的通風(fēng)適用性情況和降溫潛力，具體的區(qū)劃結(jié)果和區(qū)劃指標(biāo)如圖1和表1所示。

表1 南方地區(qū)氣候分區(qū)及氣候特征

續(xù)表1 南方地區(qū)氣候分區(qū)及氣候特征

注：表中1、2、3、Δ分別表示夏季通風(fēng)室外計算溫度、夏季空調(diào)室外計算溫度1月平均溫度和7月平均日較差。

2 自然通風(fēng)模擬

根據(jù)氣候區(qū)劃結(jié)果，本文選取昆明、貴陽、成都、武漢和廣州分別作為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)的代表城市，以某中型鐵路客站為例，利用DeST對自然通風(fēng)情況下候車室內(nèi)全年逐時的溫濕度情況進(jìn)行模擬，得到了各氣候區(qū)全年自然通風(fēng)適用性情況以及夏季和過渡季自然通風(fēng)降溫潛力的大小。

2.1 模型建立及維護(hù)結(jié)構(gòu)系數(shù)設(shè)置

圖2 中型鐵路站模型

本文參考了《公共建筑節(jié)能設(shè)計規(guī)范》中對甲類公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計中的限值要求，確定了各地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置參數(shù)如表2所示，根據(jù)DeST建立的鐵路客站模型如圖2所示，候車室的基本參數(shù)情況如表3所示。

表2 各典型城市維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

表3 中型站候車室基本參數(shù)（單位：m2）

2.2 自然通風(fēng)適應(yīng)性分析

圖3 僅開門時各典型城市全年各季節(jié)舒適小時數(shù)統(tǒng)計圖

圖4 門窗全開時各典型城市全年各季節(jié)舒適小時數(shù)統(tǒng)計圖

通過模擬僅開門和門窗全開兩種工況下候車室內(nèi)的逐時溫濕度情況，按照文獻(xiàn)[5]中的熱舒適評價標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計得到了各個典型城市每個季節(jié)舒適小時數(shù)情況（其中春季為12、1、2月，依次類推），以此來反映各氣候區(qū)的自然通風(fēng)適用性情況，具體如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4的對比可以看出，在門窗全開時，成都、武漢和廣州在夏季的舒適小時數(shù)較小，說明這三個地區(qū)夏季通風(fēng)降溫不適用，難以滿足人體熱舒適性；貴州、武漢、廣州冬季的舒適小時數(shù)也不高，說明此三地冬季室外溫度低，不適宜通風(fēng)。就全年來看，昆明地區(qū)整體熱舒適小時數(shù)都比較高，在1800h以上，冬春兩季僅開門時舒適小時數(shù)大于門窗全開時，說明昆明地區(qū)冬春兩季較為溫和但不適宜大面積通風(fēng)；廣州地區(qū)春冬兩季門窗全開時通風(fēng)的舒適小時數(shù)明顯高于其他季節(jié)，但在冬季需要合理控制窗戶的開啟面積以提高室內(nèi)舒適性；就全年的通風(fēng)適用性來看，依次為：昆明、廣州、貴陽、成都、武漢。

2.3 自然通風(fēng)降溫潛力分析

本文對比了夏季和過渡季僅開門工況和門窗全開工況下候車室內(nèi)高溫小時數(shù)及其占比情況的變化，以此來分析各個氣候區(qū)內(nèi)自然通風(fēng)降溫潛力的大小，具體情況如表4、表5所示。

表4 各氣候區(qū)夏季高溫小時數(shù)統(tǒng)計

表5 各氣候區(qū)過渡季高溫小時數(shù)統(tǒng)計

從以上兩個表格的對比來看，在夏季，昆明地區(qū)高溫時長比例只有12.7%，且開窗后高溫比例減小79.3%，可以考慮用自然通風(fēng)解決夏季降溫問題；貴陽地區(qū)夏季高溫占比31.7%，用自然通風(fēng)顯然無法滿足舒適性要求，但開窗后高溫比例減小62.5%，可以考慮機(jī)械通風(fēng)輔助自然通風(fēng)的降溫模式；成都夏季高溫時長占比達(dá)到了79.4%，必須采用空調(diào)系統(tǒng)才能維持室內(nèi)舒適性，但在開窗前后高溫小時數(shù)減小比例20%，這表明成都夏季通風(fēng)降溫仍有一定潛力，加上成都地區(qū)晝夜溫差較大，故可采用夜間機(jī)械通風(fēng)輔助空調(diào)系統(tǒng)的形式；武漢和廣州夏季高溫占比都在85%以上，開窗前后高溫減小比例很小，且室外溫濕度都比較高，必須采用空調(diào)系統(tǒng)降低候車室溫度；在過渡季，昆明、貴陽、成都的高溫占比都比較小，均在11%以下，這表明這三個地區(qū)夏季高溫時段相對較短，在過渡季自然通風(fēng)能保持較高的舒適性；武漢和廣州在過渡季的高溫小時數(shù)1000h以上，說明這兩個地區(qū)夏季高溫時段相對較長，但窗戶開啟前后高溫小時數(shù)比例減小40%以上，說明這兩個地區(qū)過渡季自然通風(fēng)具有較大的潛力，可在過渡季采用通風(fēng)降溫縮短空調(diào)的使用。

3 結(jié)論

（1）從影響自然通風(fēng)降溫潛力和適用性的主要因素—室外空氣干球溫度、室外空氣相對濕度出發(fā)，分析確定了我國南方地區(qū)鐵路客站的氣候區(qū)化標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)將我國劃分成了五個氣候區(qū)域。

（2）通過對五個氣候區(qū)內(nèi)的典型城市在六種不同工況下的自然通風(fēng)模擬，確定了各個區(qū)域自然通風(fēng)情況下全年的適用性情況以及通風(fēng)降溫的最佳開窗比例，并在分析了各個氣候區(qū)域自然通風(fēng)降溫潛力的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c提出了不同的降溫方案：昆明地區(qū)夏季高溫比例低，日照豐富，采用太陽能強化通風(fēng)便可滿足舒適要求；貴陽地區(qū)夏季較為涼爽，高溫占比在32%左右，采用機(jī)械通風(fēng)輔助自然通風(fēng)是較為合理的降溫方式；成都地區(qū)，夏季高溫占比較大，但過渡季高溫時長占比較小且夜間溫度相對較低，可以采用夜間機(jī)械通風(fēng)輔助空調(diào)系統(tǒng)的降溫方式；武漢和廣州地區(qū)，夏季炎熱，空氣相對濕度大，空調(diào)期相對較長，采用溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)是比較節(jié)能的合理降溫選擇。

[1] 國家鐵路大型客站能源消耗專項調(diào)查組,韓硯,王康平.2011年國家鐵路大型客站能源消耗專項調(diào)查情況分析[J].鐵道經(jīng)濟(jì)研究,2012,(5):8-13.

[2] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[3] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[4] 覃新,鐘輝智,雷波.自然通風(fēng)條件下鐵路旅客車站熱舒適標(biāo)準(zhǔn)的研究[C].西南地區(qū)暖通空調(diào)及熱能動力學(xué)術(shù)年會,2007.

[5] 楊靜竹.火車站候車廳自然通風(fēng)熱舒適性與節(jié)能研究[D].成都:西南交通大學(xué),2012.

[6] 馬衛(wèi)武.鐵路客運站候車環(huán)境與能耗研究[D].長沙:中南大學(xué),2009.

[7] Szokolay S V. Passive and Low Energy Design for Thermal and Visual Comfort[J]. Passive & Low Energy Ecotechniques, 1985:11-28.

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[9] 嵇赟喆,高屹,王曉杰,等.空氣流速對人體熱舒適影響的研究[J].蘭州大學(xué)學(xué)報,2003,(2):95-99.

[10] GB 50226-95,鐵路旅客車站建筑設(shè)計規(guī)范[M].北京:中國計劃出版社,1996.

Study on Climate Division and Ventilation and Cooling Strategy of Southern Railway Station

Tang Xin Feng Lian

( Mechanical engineering of Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

Based on the factors affecting the cooling potential of the ventilation, the climatic zoning standards of the southern railway stations were determined, and the climatic zones were divided according to the standard, and the results of visual zoning were formed. The typical cities in each climatic zone were selected to simulate two different working conditions. The natural ventilation situation has obtained the natural ventilation applicability of typical cities in each climatic zone, and further analyzed the ventilation cooling potential in summer and transition seasons. According to the calculation results, the ventilation cooling scheme of each climate zone was proposed.

Southern region; railway station; natural ventilation; cooling potential; ventilation applicability

TU83

A

1671-6612（2020）01-021-04

湯 鑫（1993.8-），男，在讀碩士研究生，E-mail：18774917617@163.com

馮 煉（1964.11-），女，博士，教授，E-mail：lancyfeng90@163.com

2019-03-28