摘要：本文利用CFD模拟软件对典型寒冷高架站候车大厅进行自然通风模拟研究，并对不同自然通风窗面积、高度及水平位置等情况下进行了对比分析。
关键词：高铁站；自然通风；通风窗；
Analysis on natural ventilation of HRS Station in cold area
Wang Haisheng
Tongji University Architectural Design Research Institute (group) Co., Ltd，Shanghai 200092；
Abstract： By using the CFD simulation software, this article analysis the effect of nature ventilation in the waiting hall. At the same time, a comparative analysis is made for different opening areas, heights and horizontal positions of natural ventilation window.
Keywords: HRS station; natural ventilation; ventilation window;
铁路建筑是国家基础建设“老基建”中的重要组成部分，高铁站点作为国家“五纵三横”中的各个重要节点，不仅成为连接中国各省市的枢纽，也成为了各个城市的地标性建筑[6]。高铁站与传统公共建筑有所不同，大空间、人员流动性大、使用时间长、高能耗成为了高铁站典型的标签。在国家大力推行节能减排的背景下，自然通风、遮阳、光伏发电等节能技术成为了理想的应用于高铁站的选择。
自然通风技术不仅广泛应用于各类公共建筑中，在铁路建筑中应用与研究也不少。於仲义等[5]应用零方程湍流模型对鄂尔多斯站高大空间连通体的热环境进行了模拟和分析，谢莹莹等[9]对自然通风条件下甘肃地区火车站候车室热适应研究，得出嘉峪关站候车室内预测热中性温度为 27.2℃。毛卫红等[7]对不同气候区铁路客站自然通风使用策略给出了相关意见。对于寒冷地区的中小型铁路客站，自然通风满足时间可达全年总时间（不包含采暖季）的98%，可以考虑取消空调。
本文对典型寒冷地区高架站候车室，不同自然通风窗开启因素进行了模拟研究。
1. 自然通风的原理
自然通风产生的动力来源于热压和风压。
建筑物室内外温差产生了热压；室外空气从建筑物低处流入，室内空气从建筑物高出流出[4]，图1显示了建筑室内外压力分布情况[3]。当仅有热压作用时，进出口热压差，可用以下公式表示:
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室外空气吹过建筑物，建筑物的迎风面为正压区，顶部以及背部面均为负压区。由于风的左右，在建筑物表面形成的静压变化就称为风压，在建筑物外围护结构上某一点的风压值，可用以下公式表示:
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图1. 建筑物室内外压力分布图
当热压与风压共同作用时，若进口处风压为正压区，则两者叠加加强，有利于自然通风；若进口为负压区，则风压削弱自然通风效果；同时由于风压不是一个稳定的因素，为了保证自然通风设计效果，一般不考虑风压。
本文中自然通风效果评价指标主要是自然通风全面换气量G以及室内平均温度
，自然通风全面换气量G，其中G可用下式表示：
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图2 典型高架站高架层平面图纸图 图3 候车室模型图
图2为典型高架站平面布局图，可以看出典型高架站，候车大厅位于两侧管理用房中间，自然进风口为有扶梯洞口。根据典型高架站平面图，建立典型高架站候车厅模型，其尺寸为40 m(x)×30 m(z)×10m(y)，候车厅面积为1200m2，候车区采用自然通风方式，自然通风窗面积不小于5%[1]，典型工况取值为7.5%，即为90 m2。典型模型中，设置8组自然通风窗，每组通风窗尺寸7.5 m×1.5m，开窗底部高度为4.5m。具体模型如图3所示。
西部寒冷地区选取兰州为典型城市，其气象参数如下表所示；
表1室外气象参数表
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根据围护结构K值、室内外温差及其他气象参数确定边界条件，并简化模型，将人员负荷平均分配到地面上，具体边界条件见下表2：
表2 模拟参数设置表
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在Fluent中使用SIMPLE算法，考虑流速和压力的耦合，湍流模型采用更准确的RNG k-ε模型。在离散微分控制方程时，对流项采用二阶上风差分格式，扩散项采用二阶精度的中心差分格式。
2.2 计算结果分析
由图4可以明显看出，在y=1.5m处，室内靠近进风口处的温度较低，经统计计算，y=1.5m处，平均温度为27.5℃。由图5可以看出，室内空气由进风口处流入，从8组自然通风窗处流出，靠近自然进风口的自然通风窗流速较大。图5为z=30m处室内温度分布平面图，可以看出室内温度基本在28℃附近，经统计计算，室内平均温度为27.8℃，可以满足室温在28±1℃的设计要求[2]；。
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图5 z=30m处室内温度分布平面图
3.不同自然通风窗因素影响分析
本文上节对单一工况下进行了自然通风模拟，本节将采用控制变量法，对自然通风高度、通风窗面积及水平位置3个因素进行分析比较。
3.1 自然通风窗高度的影响
根据（式1），进出口高差h会影响热压的大小，在相同开窗面积相同开窗组数的情况下，对开窗高度进行调整，设置5种不同的工况，具体如下表：
表1. 不同开窗高度工况表
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可以看出随着通风窗高度的升高，室内平均温度逐渐降低，由27.9℃降到27.6℃，自然通风降温效果逐渐加强；同时随着通风窗高度的升高，候车室自然通风量也逐渐增加，由85.3kg/s逐渐提高到128.7kg/s。
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图6 不同开窗高度模拟结果图
3.2 自然通风窗面积的影响
为了研究自然通风窗面积的影响，设置了4种工况与工况1-1进行对比分析，通风窗设置情况详见下表：
表2. 不同开窗面积工况表
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模拟结果可以看出随着开启窗面积的增加，室内平均温度逐渐降低，由28.6℃降到27.7℃，同时随着开启窗面积的增加，候车室自然通风量也逐渐增加，由54.2kg/s逐渐提高到105.5kg/s。同时可以看出，当开启窗面积2.5%增加到5%后，候车室内平均温度显著降低，由28.6℃降为27.9℃，室内通风量也显著提高，增加27.3kg/s，增幅约为50%。当开启窗面积达到5%以后，增加开窗面积，降温提升效果逐渐下降，室内平均温度下降几乎不明显，通风量增加曲线也逐渐平缓，当开窗面积由候车室的12.5%时，室内总通风量为111.9kg/s，小于工况1-5的通风量（128.7kg/s）。
与此同时，候车厅为高大空间，自然通风窗一般为高位电动开启扇或气动连锁开启扇，过大的通风窗面积会影响整体幕墙总造价或增加电气负荷。5%~10%的自然通风窗面积可能相对比较合理。
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图7 不同开窗面积模拟结果图
3.3 通风窗水平位置的影响
为了研究开窗水平位置的影响，分别设置了8个工况进行模拟分析，具体详见表3；工况3-1~3-4在候车厅两侧墙各开启1组自然通风窗，由于取消其他位置的通风窗，为了保持窗总面积一致，单组窗面积变为原来的4倍；工况3-5~3-8在候车厅两侧墙各开启2组自然通风窗，单组窗面积变为原来的2倍，其中w1组窗距离进风口最近，w4组窗距离进风口最远。
表3. 不同开窗位置组合工况表
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图8 不同开窗位置组合模拟结果图
经过模拟，当开窗面积相同，开窗高度相同的情况下，不同开窗位置组合情况下，自然通风降温效果不同。
由图8可以看出，开窗组合为4*w4时，室内平均温度最低，自然通风降温效果最好；然而开窗组合为4*w1时，由于w1距离进风口最近，自然进出风口发生了“短路现象”室内平局温度达到29.1℃，自然通风效果最差。由此可以推断出，开启窗距离进风口越远，室内通风降温效果越好。
相同面积情况下，通风窗组数为2的四种工况通风量均小于90kg/s，而通风窗组数为4的四种工况通风量均大于94kg/s，同时由柱状图可以看出，4组通风窗情况下的室内平均温度也相对较低，由此可以看出当开窗分散开启效果要优于集中开启的情况。
5. 结语
(1). 寒冷地区小型高铁站，夏季可以利用自然通风进行降温，经过模拟研究，在兰州气候条件设计工况下，当设置候车大厅面积7.5%的自然通风窗面积，窗底距地4.5m时，候车大厅1.5m高平均温度为27.5℃，室内平均温度为27.8℃，达到II级热舒适等级要求。
(2). 自然通风窗高度会影响候车室自然通风效果，当开启窗户高度越高，通风降温效果越好。
(3). 自然通风窗面积会影响候车室自然通风效果，通风窗面积越大，通风降温效果越好；当面积超过候车厅7.5%后，增加面积，自然通风改善效果不明显，若考虑工程造价，继续增加自然通风窗面积反而不经济。
(4). 自然通风窗开启的水平位置会影响候车室自然通风效果，当开启位置离进风口位置越远，自然通风效果越好；开窗组数越多，越分散效果也越好。
6. 参考文献
[1]民用建筑供暖通风与空调设计规范 GB50736-2012
[2]铁路房屋供暖通风与空气调节设计规范 TB 10056-2019
[3]2017 ASHRAE Handbook—Fundamentals CH16.6 Natural Ventilation [M]
[4]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社, 2008
[5]於仲义,王疆,陈焰华.鄂尔多斯火车站站房高大空间自然通风应用研究[J].建筑科学，2010,26（10）：93—96.
[6]朱建章.铁路建筑暖通空调综述[J].暖通空调，2009,40（5）：1—9.
[7]毛红卫,刘东,赵奕.不同气候区铁路客站自然通风使用策略研究[J].暖通空调，2012,42（10）：35—40.
[8]王斌，自然通风在于家堡地下交通枢纽设计中的应用[J].暖通空调，2019,49（4）：82—86.
[9]谢莹莹，余南阳.自然通风条件下甘肃地区火车站候车室舒适性研究[J].制冷与空调，2013，27（2）：166—170.