Abstract: The large space of railway warehouse has the characteristics of large building area, high height, and many doors and windows openings. Under the background of national energy conservation and emission reduction, meeting the thermal environment requirements of large space and reducing the heating energy consumption in winter have become urgent issues to be studied. This paper studies and analyzes the significance of thermal environment in large space to reduce energy consumption, and studies the indoor thermal environment by measuring the indoor temperature distribution under different heating terminal forms, and draws conclusions.

Keywords: railway tall space; working area temperature; heating ends; Airflow organization

1 引言

铁路检修库、运用库、整备库等库房一般具有空间高大、通透性高和库内各区域连通性强等特点，这也造成北方地区的库房高大空间工作区热环境效果不理想。亟需掌握高大库房空间在不同采暖末端设计情况下的室内温度分布的基础资料，进而为高效低耗供暖奠定基础。

一些学者对高大空间供暖工况下热环境及供暖系统进行了研究^[2-5]。谢莹莹等^[6]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℃。王晨辉等^[7]在冬季供暖期间，对西安阿房宫高铁车站热环境测试表明，车站高大候车厅内部分区域有强烈的吹风感，存在明显的温度分层。王康^[8]等人利用 CFD 对火车站内不同的气流组织形式做了比较，得到了热环境最佳的气流组织方案。张会琴^[9]根据北方地区高大厂房供暖特点，阐述了散热器单独供暖缺点和热风机组的优势，并提出两者结合的供暖方式。杨秀娟^[10]对比了“散热器+暖风机”和燃气辐射供暖两种方式，提出大空间地铁车库应根据工艺要求采用不同的供暖方式。

这些研究内容和结论为铁路高大空间采暖通风设计提供了参考，但目前针对工程实例的研究，并未测试分析高大空间各种供暖形式下的温度分布。因此，本文对铁路库房高大空间不同采暖末端形式下的室内热环境进行了实验研究，以期为高大空间库房暖通设计提供帮助。

2 采暖形式对室温分布影响实验

为研究铁路库房等高大空间内采暖设计及气流组织对热环境的影响，本实验研究在某高大空间实验室中进行。

2.1 实验设置

高大空间实验室结构及室内采暖末端形式如图1所示。除东北侧办公室外，实验室外墙内侧底部布置散热器。建筑中心高度16.0m处安装送风机组，机组额定风量为8700m³/h，出风平均速度为7.8m/s。实验室南侧燃气锅炉为散热器及高大空间送风机组提供热量，调节水阀控制散热器及送风机组供热量。

图1 铁路库房高大空间实验室结构及室内采暖末端分布

2.2 测试内容及测点布置

为掌握室内热环境变化情况，实验主要测试了高大空间空气干球温度、相对湿度、风速、黑球温度及水系统各支路供回水温度和流量，并得出反映空间热舒适的PMV、PPD指标。在室内人员活动区域（距地面1m）水平面布置20个空气温度测点。考虑到实验室属于高大空间，竖直方向可能存在温度分层。因此，在高大空间机组风机正下方布置15个垂向空气温度测点，距离机组东侧2m处和距离机组南侧8m处各布置9个垂向空气温度测点。此外，在室内中心1m高度处布置了黑球温度传感器、风速传感器、PMV测试仪等，测点位置见图2。

图2 铁路库房高大空间实验测点布置示意

2.3 供暖实验工况

为研究不同采暖末端形式运行效果，共设置3组不同运行工况，并对各工况室内热环境进行测试，测试工况如表1所示。实验时，燃气锅炉连续运行，固定燃气进气量，从而保证室内总供热量一致。

表1 实验工况运行模式

3 实验结果与讨论

本节主要对室内供热量分布、人员活动区域热环境、竖直方向温度分层、人员活动区域风环境、空气压力分布以及对照实验进行了分析与讨论。

3.1 不同采暖方式室内供热量分布

在铁路库房高大空间热环境实验期间，通过测得的各工况水流量、供回水温差等参数，可以计算室内供热量，计算结果见表2。测试表明，当室内总供热量保持一致，工况2中东西两支路散热器供热量与工况1或工况3两种工况的供热量相比较小。工况1与工况3中东西两支路散热器供热量相差较小，东支路相差2.6 kJ，西支路相差4.0 kJ。

表2 不同采暖方式平均供热量

注：（1）温度单位：℃/；热量单位：kW；流量单位：m³/h；

（2）计算锅炉测供热量时，按锅炉效率90%，燃气热值35000 kJ/m³计算。

3.2 室内人员工作区热环境

铁路库房高大空间实验室内各工况测点温度分布见图3。测试表明，只开启散热器末端（工况1）时，在距地1m高度处，靠近散热器附近测点温度较高，东支路散热器附近温度达到17.4℃，其他区域空气温度分布较为均匀，且集中分布在13.0~14.5℃之间。工况2（开启散热器末端及高大空间机组并且机组通热水）与工况1相比，室内人员活动区域空气温度未发生显著变化，除散热器附近温度较高之外，最高温度为17.1℃，其他区域空气温度同样集中分布在13 ~14.5℃之间。这是由于大空间冬季送热风时，热气流受到浮升力和惯性力共同作用，在距离喷口有效射流末端处，其惯性力小于所受浮升力，气流难以送达工作区。

工况3（开启散热器及高大空间机组但机组不通热水）与工况1和2相比，可将高大空间上部温度较高的空气送至底部，室内人员活动区域空气温度显著升高，室内测点温度最低为13.7℃，机组正下方测点空气温度达17.2℃，风机正下方测点温度较工况1和工况2分别高3℃和2.9℃。此外，由于风机作用范围有限，该方式仅可提高了风机周围5~8m区域内空气温度，其余区域测点温度上升较小。

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

图3 铁路库房高大空间各工况水平温度分布（距地1m高度处）

3.3 竖直方向温度分层现象

不同供暖工况下，高大空间竖直方向空气温度随高度变化见图4。工况1各处测点竖直方向温差最大值在3~5℃之间，距地高度7m以上的风机2m外测点和8m外测点温度变化幅度在0.1℃范围内，风机正下方测点温度变化范围在1℃以内，高大空间实验室内温度分层现象明显，供暖能耗浪费显著。工况2中，由于顶部向下送热风，风机正下方空气温度梯度显著增大，风机下方测点最高温度达30℃以上，温度差值达17℃，但是底部人员活动区域范围温度没有明显变化，未得到理想的供暖效果，其余两处测点温度梯度相比工况1有所增大，但实验室内温度分层现象不明显。对于工况3，竖直方向温度梯度在2~3℃范围内，测点距风机越近，温度梯度越小，距地高度7m以上，温度变化较小，实验室内温度分层现象较前两种工况得到明显的缓解。

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

图4 铁路库房高大空间不同供暖工况下竖直方向空气温度分布

3.4 室内人员工作区风环境

由于送风形式不同，3种实验工况下室内风环境也存在较大差异，研究中测试了室内1m高度处不同位置的风速。测试表明，工况1房间正中心风速最小，为0.05m/s，工况2房间中心风速其次，风速为0.20m/s，工况3房间中心风速最大，为0.88m/s。这是由于工况2和工况3送风机组开启，引起空间内气流搅动，室内风速明显增大。而工况2向下送热风，热风无法到达房间底部，工况3向下送到的冷风可以到达房间底部，导致工况3条件下工作区风速更大。因此，工程设计中比选3种供暖方式时，需要注意区分建筑空间环境的设备放置或人员活动功能特点，以免对工作区人员造成强烈的吹风感。

（a） 工况1             (b) 工况2              (c) 工况3

图5 铁路库房高大空间不同供暖工况下风速分布（距地1m高度）

为了对比冬季3种供暖工况下，高大空间建筑内人体热舒适情况，在建筑中心位置1m高度处测量了PMV及PPD值，见表3。实验测试表明，3种工况下工作区PMV值相差较小，均处于-2~-3之间，即人体热感觉处于凉与冷之间。工况3中人员活动区域温度虽然大幅升高，但是由于风速较大，PPD值达到93.4，人体热舒适并未得到有效改善，因此更适合应用于设备检修存放区域供暖。

表3 高大空间不同供暖工况下PMV及PPD值

3.5 高大空间室内空气压力分布

由于供暖送风形式的差异同样会影响高大空间室内空气压力分布，进而影响冬季冷风渗透量。因此本文研究了工况1和工况3在大门开启（无风幕）及大门关闭情况下测量室内空气竖直方向的压力分布。由图6中可知，大门关闭时的室内外压差大于大门开启时的室内外压差；而在顶部机组送风开启后（工况3），室内外压差显著减小，可部分减少冬季室外的冷风渗透量。

(a) 大门关闭工况           (b) 大门开启工况

图6 不同工况室内空气压力分布（*正压为室外压力>室内压力）

3.6 高大空间机组独立运行工况验证分析

为了验证高大空间机组本身性能和运行效果，关闭散热器后，对高大空间机组独立运行工况进行实验。由于锅炉出热量大于机组的供热量，实验期间锅炉采用间歇运行，高大空间机组平均供热量为108kW，送风温度60℃。由图7可知，仅运行高大空间机组采暖时，室内温度梯度较大，上部空间温度高，下部人员工作区温度低至7~8℃。在距地10m范围空间内，空气温度均未超过10℃，温度明显低于上述3种运行工况。因此，铁路库房等高大空间采用顶部送风采暖方式时，需要选择合理的送风温度和送风距离，否则热风不能送到人员活动区域，难以实现令人满意的供暖效果。

图7 高大空间机组独立运行工况室内竖直方向空气温度分布

4 结论及建议

本文对铁路库房高大空间不同采暖末端形式下的室内热环境进行了实验研究，分析对比了其热环境参数变化情况，得到以下结论：

（1） 仅采用散热器供暖时，室内人员工作区空气温度分布较为均匀（14℃左右，低于规范标准值），室内竖向温度分层现象显著，存在3~5℃的温度梯度。采用高大空间机组从顶部向下送热风，并配合散热器供暖时，热空气在空间上部堆积，室内温度梯度显著增大，工作区热环境未得到提升，且增大了能源消耗。

（2） 采用散热器供暖，并开启机组风机时（未通热水），工作区空气温度显著提升（17℃以上），在风机下方5~8m范围内有效，其他区域温度上升较小。由于送风风速较大，人体热舒适未得到有效改善，更适用于人员较少的设备检修存放区供暖。此外，该形式能降低室内外压差，减小冬季冷风侵入量。

（3） 仅运行高大空间机组供暖时，室内温度梯度较大，上部空间温度高，下部人员活动区域温度低（仅为7~8℃），难以达到令人满意的供暖效果。

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