铁路客站是重要的城市基础设施和交通枢纽建筑, 对城市发展、城镇化建设等具有重要的战略意义。经过十余年的飞速发展, 我国高铁运营里程已超过2.5万km。“十三五”规划和《中长期铁路网规划》指出, 到2020年我国高速铁路里程将达到3万km ^[1]。与此同时, 高铁客站建筑也快速发展, 目前己经开通运行的高铁客站已超过500座 ^[2]。

　　 供暖空调系统是保障铁路客站站房正常运行及满足旅客基本需求的重要功能单元, 也是铁路客站运行能耗的最重要组成部分。宋歌等人对我国不同气候区2009—2010年典型铁路客站的能耗状况调研分析表明, 严寒或寒冷地区、温和地区、夏热冬冷或夏热冬暖地区典型铁路客站单位面积年能耗分别为71～81, 131, 220～272 kW·h/m², 其中车站夏季空调单位面积耗电量可达73～152 kW·h/m², 约占全年总耗电量的35%～60% ^[3]。对我国83座大型铁路客站2011年能源消耗的调查结果表明, 供暖空调系统的能耗占其运行能耗的67.9% ^[4]。佟松贞对上海铁路局所辖的大型客站2013年度能耗状况的分析表明, 其所辖大型客站单位客运建筑面积耗电量和旅客人均耗电量分别为117.4 kW·h/m²和0.968 kW·h/人, 供暖空调系统能耗占客站总能耗的70%以上 ^[5]。孙建明等人对几座铁路客站2014年的能耗状况进行了分析, 某站夏季典型月的电耗拆分结果表明, 空调系统相关电耗占比达到57% ^[6]。因此, 降低供暖空调系统的运行能耗是实现铁路客站节能的重要途径。

　　 如何有效降低高铁客站供暖空调系统的运行能耗是亟需研究的重要问题, 也是进一步促进我国高铁建设、运行事业高质量发展的必备环节。本文对国内高铁或铁路客站供暖空调系统的设计、运行情况进行综述分析, 以便对其系统实际性能及关键影响因素形成清晰认识, 并对需要进一步深入研究的问题提出展望, 从而为提出降低其运行能耗的合理措施提供切实指导。

　　 GB 50226—2007《铁路旅客车站建筑设计规范》 ^[7]对铁路客站的规模、功能区域等进行了明确划分, 根据聚集人数或高峰小时发送量将其分为特大型、大型、中型和小型车站, 应根据不同车站规模进行相应的站台、站房 (候车区域、集散大厅) 等关键区域的建筑规划设计。铁路客站站房的主要功能包括安检进站、售票、候车、旅客到达、行包托运、办公、商业等多种。供暖空调系统通常服务于这些旅客进站、候车过程中涉及的区域及车站办公区域;旅客到达区域通常为经由站台快速通过、出站的过渡空间, 这一区域较少设置供暖空调系统。

　　 当前各类高铁客站站房通常为典型的高大空间建筑 (如图1所示) , 室内净空间高达十几m甚至几十m, 而人员一般仅在地上2 m以内的高度范围内活动;同时建筑单体体量大, 一些大型、特大型高铁客站候车厅的跨度可达几十m甚至上百m, 单个候车大厅的面积也可达几千m²甚至数万m²。车站建筑体形系数小, 围护结构的影响较小;出于视野和采光要求, 车站顶部通常设置一定比例的天窗或侧窗, 使得太阳辐射等成为影响室内环境的重要因素;人员、设备等集中在底部, 是最重要的室内热源;而照明密度相对较低, 影响较小。

　　 特大型、大型高铁车站候车厅过于高大, 竖直方向空间利用率较低, 对如何营造底部人员活动区的热湿环境提出了较高要求。图2显示了典型高铁客站候车大厅的功能布局及室内末端方式。通常底部大厅为旅客候车、进站检票口及部分商业区域, 空间高大、开敞;两侧夹层主要为餐饮等区域。目前该类建筑多采用喷口送风、散流器送风等对流方式满足室内热湿环境营造需求, 喷口通常与检票口等有效结合并设置在检票口顶部 (高度约3 m) , 对大厅两侧的区域进行调控。

　　 表1整理汇总了我国部分主要高铁客站供暖空调系统的设计信息 ^{[8,9,10,11,12,13,14,15]}, 主要为大型、特大型高铁客站。可以看出:单个高铁客站的建筑体量、规模、高度等均很大, 在空间高度、规模上甚至与很多机场航站楼相当。从室内末端方式来看, 候车厅等大空间环境的室内末端方式通常为喷口侧送风或散流器顶送风等方式, 仅天津站采用了辐射地板供冷与独立除湿机组结合的方式, 太原南站等很多有供暖需求的北方客站设计采用了辐射地板作为冬季供暖的末端方式。从车站供暖空调系统的冷热源来看, 各高铁客站较多采用了地源热泵机组 (可作为冬夏共用的冷热源) 或常规离心式、螺杆式冷水机组, 市政热网可用时则通常选其作为冬季热源。

　　 从供暖空调系统的负荷组成情况来看, 室内热源、新风 (或渗透风) 负荷是空调系统负荷的重要组成部分, 而围护结构导致的负荷通常较小 ^[16]。孙胜男等人对上海某大型铁路客站的空调系统负荷进行了模拟分析, 结果表明夏季空调负荷组成中新风和人员负荷分别占29%, 23%, 围护结构、照明、设备负荷分别占18%, 17%和13% ^[17]。王力刚等人对南京南站的负荷分析结果也表明, 围护结构性能对车站供暖空调系统的负荷影响较小, 而新风和渗透风导致的夏季空调负荷占比超过60% ^[15];车轮飞对新武汉站候车大厅的设计分析结果表明, 人员和新风负荷占比高达87% ^[13]。

　　 从供暖空调系统的设计负荷或设备装机容量来看, 不同气候区、不同车站的取值存在一定差异, 夏季设计冷负荷大致在100 W/m²以上。而从另一类大型交通枢纽建筑——航站楼的实际测试情况来看 ^[18], 其实际供冷量多在40～100 W/m²之间变化, 明显低于系统设计值。对于各类高铁客站, 目前公开发表的文献中尚缺少较为详细的实际供暖空调系统运行测试性能分析, 还不足以说明是否同样存在这种实际运行冷量与设计负荷之间有显著差异的状况, 这也是需要进一步开展研究或分析的问题。

　　 除了上述特大型、大型车站外, 还有众多的中型、小型高铁车站, 其主要功能区域与大型车站相似, 仅车站规模较小;室内末端方式与大型车站相近, 也较多采用喷口送风方式, 系统冷热源多为小容量的冷热水机组或市政热网。

　　 铁路客站属于旅客短期停留的场所, 其室内热舒适需求及环境状况与普通办公建筑等人员可能长期停留的区域是否存在显著差异, 此类场所的冬夏室内设计参数应如何选取, 是需要深入研究的基础问题。现有设计多依照GB 50226—2007《铁路旅客车站建筑设计规范》 ^[7]中的推荐范围选取 (如室内设计温度夏季26～28 ℃、冬季18～20 ℃) , 但这一设计值是否适应此类人员高流动性场合下的热舒适特点, 实际运行效果如何, 还需要进一步的深入研究。

　　 有研究者对铁路客站的室内热环境状况和人员热舒适需求开展了研究 ^{[19,20,21,22,23,24]}。例如:刘燕等人开展了对国内不同气候区旅客车站的调研, 结果显示, 开启空调后车站候车室温度主要分布在25～30 ℃, 但相对湿度通常偏高 ^[19]。徐子龙等人 ^[20]、王智鹏等人 ^[21]对西安站、西安北站候车厅夏季室内热环境舒适度进行了现场调查和分析, 实测热中性温度分别为27.1, 26.3 ℃, 期望温度分别为27.7, 26.5 ℃, 80%可接受的热舒适温度范围分别为24.5～30.6, 24.6～27.5 ℃。徐弋等人对寒冷地区中小型高铁客站候车厅夏季热舒适状况开展了调查研究, 得到旅客中性温度为25.9 ℃, 热舒适区间为22.0～28.4 ℃ ^[22]。袁磊等人对不同气候区铁路客站的热舒适状况进行了模型分析, 发现传统的稳态环境中的PMV, TSV投票模型与此类短期停留场所的实际状况有所差异 ^[23], 对此类场合的热舒适标准有待进一步深入分析。

　　 新风量或CO₂浓度是系统设计或运行中的另一重要指标, 系统设计过程中通常根据人员数量来设计选取机械新风量。当前客站设计规范中推荐的人均新风量标准通常为10～20 m³/h ^[7], 人员数量多按照客站最高聚集人数或最高小时发送量来选取。最高聚集人数是铁路客站设计中需要关注的重要指标, 与列车开行方案、车站旅客组织等诸多因素有关, 在客站设计过程中通过全面考虑车站的旅客运输组织过程, 利用动态仿真等方法可以计算得出车站最高聚集人数 ^[25,26], 为车站各项功能设计提供合理的人数基础, 也为供暖空调系统的容量设计和系统运行提供重要参考。李立清等人建立了可描述室内人员数量变化与新风量需求之间关系的分析模型, 在车站聚集人数分析的基础上为合理确定机械通风量提供了依据 ^[27]。马卫武对不同气候区典型车站室内CO₂浓度进行了实际测试, 并根据对人员主观感受的调查结果定义了室内外CO₂浓度差的烦恼度阈限值, 结果表明, 当室内外CO₂体积分数差≤995×10^-6时绝大多数旅客主观上均可接受 ^[28]。

　　 若以人均CO₂产生量569 mg/min、室外CO₂体积分数400×10^-6为例 ^[29], 人均新风量为10～20 m³/h时的室内CO₂平衡体积分数约为 (1 200～2 100) ×10^-6 (如图3所示) , 室内外CO₂体积分数差约为 (800～1 700) ×10^-6。实际候车厅CO₂体积分数的测试结果通常在 (600～1 200) ×10^-6之间 (相当于此时的人均新风量可达20～80 m³/h) , 显著低于人均新风量在10～20 m³/h时的浓度水平, 这表明由于车站人员数量与设计最高值存在差异、出入口渗透风量影响等, 实际车站中的CO₂浓度处于较低水平或新风量过于充足。如何在系统实际运行中根据人员数量和CO₂浓度变化进行有效调控 ^[30], 减少不必要的机械新风补给、降低供暖空调系统的运行能耗, 也是需要进一步研究阐明的问题。

　　 从现有文献结果来看, 对高铁客站供暖空调系统实际运行性能的测试分析相对较少, 仍需要大量实测数据来支撑或指导降低此类场所供暖空调系统能耗的工作。除了对实际客站中人员密度、人员停留时间及热舒适需求等基本指标缺少明确指标外, 对影响车站供暖空调系统运行的渗透风影响规律、室内空调末端方式等方面也还需要开展进一步的研究, 以便更好地满足系统设计及实际运行需求。

　　 高铁客站是一类典型的高大空间类交通枢纽建筑, 由于功能特点使得其出入口开启频繁, 进站口、检票口等成为室外空气影响室内的直接通道。渗透风是影响高铁客站室内环境的重要因素, 不少研究者对高铁客站的渗透风状况开展了理论和实测研究。天津站候车大厅模拟结果显示, 夏季大多数情况下渗透风量为15万m³/h, 与设计新风量基本相当, 最大值接近30万m³/h ^[8]。于世平对严寒地区某大型客站的冬季渗透风状况进行了模拟分析, 结果表明, 在冬季室外设计平均风速为2 m/s, 室内外温差为30～40 ℃时, 车站室内外热压超过20 Pa, 经由3层出入口的渗透风量分别可达54.7万、31.0万、22.3万m³/h, 远高于最高聚集人数9 500人所需的新风量, 对应的渗透风导致的热负荷超过100 W/m², 对车站冬季室内热环境产生了严重影响 ^[31]。杨德润等人利用CONTAMW软件模拟分析了苏州火车站夏季、冬季经由进站口、售票厅入口等开口处进入室内的渗透风情况, 结果表明, 2个典型季节下的渗透风量分别达到20.1万、42.9万m³/h, 渗透风量导致的室内换气次数分别达到0.57, 1.21 h^-1, 远高于室内人员需求的新风量水平, 造成的夏季、冬季室内负荷分别约为 14.2, 87.3 W/m², 与没有渗透风影响时相比, 负荷分别增加13%, 115% ^[32]。刘加根等人利用PHOENICS辅以CONTAMW软件对南京南站的渗透风影响进行了多工况模拟计算, 给出了风量与风速、风向、温度等的拟合公式, 并对比了实测结果与公式计算结果, 结果表明, 在室外风压作用明显时车站候车层的渗透风量可达57万～68万m³/h ^[33]。

　　 从渗透风全年影响情况来看, 不同季节的渗透风驱动力、变化规律及可采取的措施等如表2所示, 各季节间的特点主要体现在:

　　 1) 冬季室内外热压显著、渗透风量通常较大, 导致热负荷大, 如何减少渗透风的影响、改善室内热环境, 是铁路客站冬季运行中需要考虑的重要问题。很多车站通过在进门处设置门斗、空气幕 ^[34,35]等来降低渗透风影响;建筑设计中对于检票口与站台之间的连接处也采取一定的围挡来加强阻隔, 在保证旅客通过的前提下减少由检票口渗入的冷风。目前高铁客站旅客进站检票已逐步实现人脸识别和自助验证, 节省了人工验票环节, 对减少进口处的渗透风也有一定意义;一些中小型高铁客站采用迂回式进站方式, 也有效降低了室外空气对站内环境的影响。

　　 2) 过渡季尽管室内外热压较小, 但仍期望通过渗透风形成有效的自然通风, 利用其满足室内排热需求, 开启车站内的天窗、侧窗等成为此季节的重要通风措施。但一些特大型客站进深、跨度过大, 中间区域又可能受到顶部太阳辐射的影响, 容易在过渡季节出现过热情况。

　　 3) 夏季开启空调系统时, 渗透风仍会对室内环境产生一定影响, 对于空调系统机械新风、渗透风等之间的相互关系仍需进一步分析。建筑设计上, 应当尽量避免竖直方向上过多连通, 避免形成较大的热压驱动力;减少各类出入口与室外之间的连通仍是夏季系统运行中需要关注的问题。

　　 铁路客站候车厅是典型的高大空间, 目前多采用全空气射流喷口送风方式 (如图2a所示) , 并与站内检票口等进行了有效结合。采用对流送风方式时如何实现合理的气流组织是空调系统末端设计、运行的关键, 有文献对实际车站内的喷口送风、分层空调气流组织如何设计等进行了案例研究 ^{[12,13,36,37]}。调整喷口送风角度对于改善对流送风方式下的车站候车室冬夏室内热环境有一定作用, 例如夏季将喷口角度设置为向上15°, 冬季将喷口角度设为向下30° ^[37]。喷口送风方式下, 冬季室内温度分层现象明显, 存在显著的上热下冷等严重缺陷。为了改善对流送风方式的室内热环境效果, 有研究 ^[38]通过在候车室大厅上部抽取顶部空气并将其送至候车室下部区域来增加冬季候车大厅内上下层空气间的掺混, 降低上下层空气之间的温度梯度, 模拟分析结果表明, 这种增加竖直方向空气循环的方式可使下部人员活动区空气温度提升0.3～1 ℃。谢方祥也对这种方式的可行性进行了理论分析, 认为在顶部与底部人员活动区的温差超过2 ℃且风量达到一定范围时才有节能效果 ^[39]。但这种方式可能会导致室内空气流速较高, 需要对室内气流场进行仔细核算;这一方式尚缺少有效的实际应用案例验证或实验数据支撑, 在实际车站运行环境下能否起到有效作用还需要进一步分析。

　　 实际车站中由于上下层之间的连通、渗透风影响等作用, 采用对流送风方式的车站冬季室内存在显著的竖向温度梯度, “上热下冷”现象十分严重;全空气方式的风机输送能耗较高, 一些空调箱的实际运行性能表明风机输送能耗过高, 风机输送系数 (供冷量与风机能耗之比) 仅在5～10左右, 甚至低于空调系统制冷站的能效水平。从改善室内热环境调控效果、大幅减少风机能耗等目标出发, 辐射末端方式是高铁客站供暖空调系统的最适宜末端方式。基于辐射地板的末端供冷供热方式可以构建出温湿度独立控制空调系统, 实现对铁路客站候车厅等高大空间的分层热湿环境调控, 如图2b所示:地板供暖对改善车站冬季室内环境具有显著优势 ^[40,41], 避免常规喷口送风方式中“上热下冷”的现象;夏季可利用辐射地板作为温度控制末端, 利用置换送风装置送入干燥空气作为湿度控制末端, 实现仅对人员活动区热湿环境进行调控的分层模式。很多有供暖需求的铁路客站已设计应用辐射地板供暖方式作为冬季室内末端方式, 将其作为夏季供冷过程的末端方式也有助于实现末端冬夏共用, 进一步降低系统复杂程度。目前这种系统形式已在我国天津站 ^[8]、西安咸阳机场 ^[42]等大空间建筑中成功应用, 起到了显著改善室内环境、大幅降低运行费用的效果, 且系统运行更简单, 对运维人员的维护检修要求等也大幅降低。

　　 机场航站楼、高铁客站、地铁车站等是常见的公共交通场站建筑, 供暖空调系统通常是其运行能耗的最重要组成部分。三类交通场站建筑的供暖空调系统实际运行性能如何, 仍需要更多进一步的测试分析。从其系统设计、运行现状分析 ^[18,43]来看, 存在的一些共性问题或亟需深入研究阐明的关键点主要体现在:

　　 1) 人员活动特点与停留状况。各类交通场站建筑的主要功能均是满足旅客使用公共交通工具过程中相关的进出、安检、票务与等候等需求, 但在服务流程上存在一定差异。人员在其中的活动具有目标简单、方向较为明确等特点, 旅客在各类交通场站建筑中均可视为短期停留, 但人员停留时间又存在显著差异, 研究阐明其室内人员分布状况、人员停留时间等有助于为供暖空调系统的设计、运行提供重要基础。图像识别、移动通讯等信息技术的发展, 为实际建筑中人员密度的分析、实现更合理的系统设计等提供了有利技术手段。

　　 2) 基本热环境需求与热舒适状况。人员在交通场站建筑的短期停留状况 (出发与到达流程间的停留时间也存在显著差异) 下, 其基本热环境需求及对室内环境的要求与办公建筑等存在显著差异, 例如地铁车站夏季设计温度可在28 ℃以上, 但当前航站楼、铁路客站的规范仍较多沿用普通办公建筑的设计参数, 缺少适宜的热环境参数指导。在各类交通场站建筑进一步追求“方便快捷、快速通过”的大趋势下, 通过对人员在短暂停留场合热环境需求的研究, 有可能进一步放宽对某些区域的热环境参数要求, 为其供暖空调系统的合理设计或节能运行提供有力基础。

　　 3) 渗透风影响及机械新风供给。各类交通场站建筑的出入口均处于频繁开启状态 (地铁车站更是处于常开状态) , 经由出入口的渗透风不可避免, 并对室内环境及空调系统运行产生重要影响。实际室内CO₂浓度水平表明此类场所通常存在过量的新风, 实际测试结果表明供暖空调系统的冷热量很大比例由渗透风消耗掉。如何有效降低渗透风的不利影响, 如何分析渗透风的特点及变化规律, 其关键影响因素及作用范围如何定量刻画, 机械新风与渗透风之间的相互影响及应如何在实际运行中进行调控等, 均是需要进一步深入分析的问题。

　　 4) 室内末端方式与高效系统。目前此类建筑中多采用对流送风方式 (航站楼、高铁客站多采用喷口送风, 地铁车站多采用全空气方式) , 风机等输送能耗在空调系统能耗中占比甚至可超过制冷机, 也是降低空调运行能耗的关键环节。基于辐射地板方式的系统方案是解决航站楼、高铁客站等大空间室内环境控制、改善室内热环境和降低风机输送能耗的有效途径, 而地铁车站公共区或地下铁路客站则可以通过简化系统输送环节、取消冷水循环改用直膨方式等降低输送能耗。在选取适宜末端方式的基础上, 各类交通场站建筑才能构建出更合理、更高效的整体系统方案, 切实降低实际运行能耗。

　　 此外, 除了满足旅客的适宜环境需求外, 如何兼顾交通场站中工作人员的热环境营造需求, 也是需要进一步考虑的问题。有别于旅客短暂通过或停留的时间特征, 安检等工作人员对环境参数的要求可能更高, 实际运行状况也反映出工作人员等对周围热环境的不满意率高或改善需求更显著、更迫切。对工作人员固定活动的区域, 如安检区、人工票务区等, 采用局部的处理方式是满足人员需求最直接、最有效的途径。增加末端风口设置数量或密度是改善机场航站楼安检区域环境的重要手段, 而高铁客站、地铁车站的安检区域如何实现有效的局部环境调节, 仍需进一步的深入研究。

　　 1) 现有高铁客站建筑体量巨大, 为典型高大空间类建筑, 供暖空调系统主要服务于底部人员活动区。系统设计中室内人员、设备、新风 (或渗透风) 为其主要负荷来源, 而围护结构负荷所占比例较小, 对于实际系统的运行性能仍需深入测试分析。

　　 2) 从车站内实际CO₂浓度水平、渗透风量的理论分析或实测结果来看, 高铁客站内的渗透风影响非常显著, 甚至远高于车站内人员需求的新风量水平, 造成不必要的冷热负荷。根据不同季节的渗透风变化规律, 可以选取适宜的手段来降低渗透风的不利影响。

　　 3) 现有高铁客站多采用喷口送风等对流末端方式, 通过调节不同季节喷口角度、加强上下层间气流交换等方式可在一定程度上改善冬季“上热下冷”的局限性。从大幅降低风机输送能耗、改善室内热环境控制效果的目标出发, 将辐射地板末端方式应用于高铁客站具有重要意义, 是全面提高其供暖空调系统性能、大幅降低运行能耗的重要技术途径。