南方鐵路客站氣候區劃及通風降溫策略研究

湯 鑫 馮 煉

南方鐵路客站氣候區劃及通風降溫策略研究

湯 鑫 馮 煉

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

從影響通風降溫潛力的因素出發確定了南方鐵路客站的氣候區劃標準，并據此標準劃分了氣候區，形成了可視化區劃結果；選取了各氣候區內的典型城市模擬了兩種不同工況下的自然通風情況，得到了各氣候區內典型城市的自然通風適用性情況，并進一步分析了夏季和過渡季的通風降溫潛力，根據計算結果提出了各個氣候區的通風降溫方案。

南方地區；鐵路客站；自然通風；降溫潛力；通風適用性

0 引言

自從“一帶一路”和高鐵走出去戰略實施以來，我國鐵路的發展進入了新時期，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、暖通空調系統能耗大等特點，據文獻[1]統計，在我國南方地區鐵路客站中，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帶走室內負荷，盡量減小鐵路客站在制冷方面的能耗，有必要依據南方地區的氣候特點，并結合影響通風降溫的因素對南方地區進行氣候區域劃分，并對自然通風的降溫潛力大小進行分析，從而選擇合適的節能降溫方式。

1 氣候區劃

1.1 區劃標準的確定

本文從影響通風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來對南方地區的氣候區域進行劃分，本文選取了秦嶺淮河以南地區102個氣象臺站的氣象資料作為研究南方地區通風降溫的數據基礎，其數據來源于文獻[2]。

（1）室外空氣干球溫度

溫度是影響人體熱舒適性和通風帶走室內余熱的重要因素，也是評價通風降溫效果最直觀的參數，夏季通風室外計算溫度和夏季空調室外計算干球溫度反映了該地區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鐵路客站的區劃標準之一。

根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中的規定，當室外空氣達到28℃以上時難以降溫至舒適范圍[3]，同時參考自然通風熱舒適評價標準中舒適溫度的上限值在30℃左右[4-6]，當溫度大于30℃時，采用通風降溫意義不大，所以本文將南方地區各臺站夏季通風室外計算溫度和夏季空調室外計算干球溫度按照＜28℃、28—30℃、＞30℃將南方地區劃分成三個區間，分別表示通風降溫潛力的高、中、低。

（2）1月月平均溫度

我國南方地區橫跨多個氣候帶，自然通風全年的適用性情況各不相同，研究自然通風就應該對該地區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冬季自然通風的適用性情況，文獻[3]認為當室外溫度低于12℃時通風難以直接利用，所以本文將1月月平均溫度劃分為＞12℃和≤12℃兩個區間，分別表示冬季自然通風適用性的高、低。

（3）7月平均溫度日較差

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

（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，夏季通風室外計算相對濕度反應了當地夏季室外空氣的相對濕度情況，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]，此時自然通風潛力低；《鐵路旅客車站建筑設計規范》中規定舒適空調的設計濕度下限宜為40%[10]，當相對濕度低于此值時，通風降溫的潛力也不高，但可以通風非耗能手段對空氣進行加濕。故本文將夏季通風室外計算空氣相對濕度按照70%～40%、＜40%、＞70%劃分為三個區間，分別表示通風潛力的高、中、低。

1.2 氣候區劃結果

根據南方鐵路客站的區劃標準，結合秦嶺淮河以南102個氣象臺站的氣象資料，將我國南方地區劃分為五個氣候區，每個氣候區內自然通風具有相似的通風適用性情況和降溫潛力，具體的區劃結果和區劃指標如圖1和表1所示。

表1 南方地區氣候分區及氣候特征

續表1 南方地區氣候分區及氣候特征

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

2 自然通風模擬

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

2.1 模型建立及維護結構系數設置

圖2 中型鐵路站模型

本文參考了《公共建筑節能設計規范》中對甲類公共建筑圍護結構熱工設計中的限值要求，確定了各地區圍護結構的設置參數如表2所示，根據DeST建立的鐵路客站模型如圖2所示，候車室的基本參數情況如表3所示。

表2 各典型城市維護結構參數設置

表3 中型站候車室基本參數（單位：m2）

2.2 自然通風適應性分析

圖3 僅開門時各典型城市全年各季節舒適小時數統計圖

圖4 門窗全開時各典型城市全年各季節舒適小時數統計圖

通過模擬僅開門和門窗全開兩種工況下候車室內的逐時溫濕度情況，按照文獻[5]中的熱舒適評價標準，統計得到了各個典型城市每個季節舒適小時數情況（其中春季為12、1、2月，依次類推），以此來反映各氣候區的自然通風適用性情況，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較小，說明這三個地區夏季通風降溫不適用，難以滿足人體熱舒適性；貴州、武漢、廣州冬季的舒適小時數也不高，說明此三地冬季室外溫度低，不適宜通風。就全年來看，昆明地區整體熱舒適小時數都比較高，在1800h以上，冬春兩季僅開門時舒適小時數大于門窗全開時，說明昆明地區冬春兩季較為溫和但不適宜大面積通風；廣州地區春冬兩季門窗全開時通風的舒適小時數明顯高于其他季節，但在冬季需要合理控制窗戶的開啟面積以提高室內舒適性；就全年的通風適用性來看，依次為：昆明、廣州、貴陽、成都、武漢。

2.3 自然通風降溫潛力分析

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高溫小時數及其占比情況的變化，以此來分析各個氣候區內自然通風降溫潛力的大小，具體情況如表4、表5所示。

表4 各氣候區夏季高溫小時數統計

表5 各氣候區過渡季高溫小時數統計

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

3 結論

（1）從影響自然通風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，分析確定了我國南方地區鐵路客站的氣候區化標準，并依據此標準將我國劃分成了五個氣候區域。

（2）通過對五個氣候區內的典型城市在六種不同工況下的自然通風模擬，確定了各個區域自然通風情況下全年的適用性情況以及通風降溫的最佳開窗比例，并在分析了各個氣候區域自然通風降溫潛力的基礎上，結合當地的氣候特點提出了不同的降溫方案：昆明地區夏季高溫比例低，日照豐富，采用太陽能強化通風便可滿足舒適要求；貴陽地區夏季較為涼爽，高溫占比在32%左右，采用機械通風輔助自然通風是較為合理的降溫方式；成都地區，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，可以采用夜間機械通風輔助空調系統的降溫方式；武漢和廣州地區，夏季炎熱，空氣相對濕度大，空調期相對較長，采用溫濕度獨立控制空調系統是比較節能的合理降溫選擇。

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

[2] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[3] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[4] 覃新,鐘輝智,雷波.自然通風條件下鐵路旅客車站熱舒適標準的研究[C].西南地區暖通空調及熱能動力學術年會,2007.

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

[6] 馬衛武.鐵路客運站候車環境與能耗研究[D].長沙:中南大學,2009.

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

[8] 陳海旎,劉猛.夜間通風在不同氣候條件下的適用性[J].土木建筑與環境工程,2016,(S2):112-116.

[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].蘭州大學學報,2003,(2):95-99.

[10] GB 50226-95,鐵路旅客車站建筑設計規范[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