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【菱泰能源】机场航站楼空调系统设计、运行现状及研究展望

本文来源: 菱泰能源 责任编辑: 发布日期:2018-01-26

引言

  机场航站楼是重要的城市基础设施 对城市发展 城镇化建设等具有重要的战略意义 在当前我国城镇化建设快速发展及“一带一路”战略全面实施的带动下 机场航站楼建设正得到飞速发展 民航“十三五”发展规划中提出我国将在“十三五”期间续建 新建74座机场 总的民用机场数量将达到260个左右 供暖空调系统是保障机场航站楼建筑正常运行及满足建筑功能需求的重要组成部分 在当前机场航站楼建设飞速发展的背景下 亟需开展针对机场航站楼供暖空调系统设计 运行及研究等多方面的工作

机场航站楼通常包含旅客出发 到达及行李处理等功能 是功能目标明确的一类公共交通场站建筑 与普通办公 商场等商业建筑相比 机场航站楼的运行使用时间更长 多为全年运行且部分枢纽机场的全天运行时间超过20   h(04 00—24 00) 对供暖空调系统的运行保障也提出了更高的要求 另一方面 机场航站楼多为高大空间 建筑层高在10~20   m左右甚至更高 而人员通常仅在近地面处活动 此类建筑目前多采用喷口射流送风方式进行室内热湿环境调控 供暖空调系统的运行能耗显著高于普通公共建筑 但室内热湿环境的调控效果并不理想 亟需开展相关研究以提出合理的系统形式及设计 运行参数


1航站楼空调系统设计、运行现状

1.1  室内热环境特点及空调系统原理

  机场航站楼的主要功能区域包括值机办票大厅 安检(联检)区域 候机区域及旅客到达廊 行李提取厅 迎宾厅等 并根据功能特点设有相应的商铺 可满足旅客餐饮 购物等需求 在机场航站楼等高大空间建筑中(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。  目前该类建筑多采用喷口送风的全空气方式满足室内热湿环境营造需求 喷口高度通常为3~5   m甚至更高 通过末端送风口向大空间统一送风 实现对人员 活动区热湿 环境参数的调控。


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   在此类高大空间内 出于视线和采光要求,  常采用较多透明围护结构 受建筑体形 围护结构材质影响,  会有较多太阳辐射进入室内 围护结构壁面温度较高 图2给出了某航站楼实测围护结构内壁面温度的热成像照片 可以看出 在高大空间建筑室内存在多种不同形式的热源 包括围护结构 人员 设备 太阳辐射等 且不同热源的温度品位存在显著差异


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  图3为典型航站楼空调系统的原理图 包含末端设备 输送环节及冷热源设备等 其中冷热源或能源站可就近设置在航站楼内 也可就近设置在航站楼外 通过一定的输送距离(如10~1   000   m)将冷热媒介(通常为水)输送至航站楼末端空调系统的处理设备中 利用末端处理设备来满足航站楼内冬夏室内热湿环境调控需求 保证适宜的室内温度 t in 含湿量 d in 水平


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  以下分别从设计工况下的航站楼空调系统负荷组成情况及实际测试的航站楼供冷/热量来分析航站楼空调系统的设计和运行现状

1.2 现有设计研究综述

  从航站楼空调系统的负荷组成来看 夏季冷负荷Q c 的来源包括围护结构传热 Q e 太阳辐射得热 Q s 设备和照明产热 Q 1 室内人员产热 Q p  以及新风负荷 Q x 可用式(1)表示 冬季热负荷 Q h 的来源则主要包括围护结构散失的热量 Q' e 由新风或渗透风影响导致的热量需求 Q ' xs 当考虑 室内灯光设备的发热量 Q ' 1 和室内人员发热量 Q ' p 的影响时 应在热负荷计算中减去这两部分发热量 如式(2)所示。


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  为了更进一步分析航站楼空调系统的负荷特点 表1汇总给出了现有文献中典型航站楼夏季设计工况下的冷负荷设计值及各部分组成情况 包含位于不同气候区 不同规模及吞吐量的9座机场航站楼


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  从不同航站楼空调系统夏季设计工况下的负荷值来看 多数航站楼空调系统夏季设计冷负荷在120  W/m 2 以上 从各部分负荷的组成情况来看 不同类型负荷的特点可分析如下

  1)围护结构传热导致的冷负荷Q e通常在10~20  W/m 2 左右 且不同气候区该部分负荷的差异并不显著 其原因在于夏季设计工况下不同气候区的室内外温差差异较小 且不同气候区航站楼的围护结构传热系数存在差异,  大体量的建筑形态(体形系数较小)也使得平摊到单位面积的围护结构冷负荷影响较小 最终使得由于围护结构传热导致的冷负荷差异较小 当考虑 太阳辐射得热的影响时 受透光围护结构的影响 一些航站楼中存在显著的太阳辐射得热负荷 例如表1中航站楼 B的设计负荷中由于围护结构和太阳辐射导致的负荷高达83   W/m 2

  2)灯光、设备等室内发热量的差异也不显著, 不同航站楼的灯光和设备负荷的设计值 Q 1 多为25~30 W/m 2

  3)不同机场航站楼的人员密度取值存在显著差异 值机候机区域的人员密度设计值多为3~6  m 2 /人 由于人员导致的夏季冷负荷通常为25~40   W/  m 2

  4)不同航站楼人员 设计新风量的取值也存在差异 设计的旅客人均新风量多为20~30  m 3 /h 受室外空气比 差异及新风量取值的综合影响 不同航站楼的新风负荷也存在一定差异 单位面积的夏季新风冷负荷在几W/ m 2 至几十W/ m 2 之间变化

同样根据上述文献得出不同航站楼冬季设计工况下热负荷的分布情况 结果如表2所示 表中负荷为正值表示室内产热量 负值表示建筑散失的热量。


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  从不同航站楼冬季设计工况下的负荷来看 多数航站楼冬季设计热负荷在60~100  W/ m 2 之间 从各部分负荷的组成情况来看 不同类型负荷的特点为

 1)围护结构传热导致的热负荷Q' e通常在20  W/m 2 左右 且不同气候区该部分负荷的差异并不显著 其原因在于尽管冬季设计工况下不同气候区的室内外温差存在显著差异 但通过设计选取具有不同传热系数的围护结构(室内外温差大的气候区围护结构热工性能参数优于室内外温差小的气候区) 使得最终由于围护结构传热导致的热负荷差异较小

 2)受室外参数差异及人均新风量设计取值差异的影响 不同航站楼的冬季新风负荷也存在一定差异 单位面积的冬季新风负荷设计值在30~70  W/m 2 之间变化 以航站楼 A为例 冬季设计工况下由于新风导致的热负荷达到68  W/m 2 甚至高于实际的单位面积总热负荷需求(仅为64  W/m 2

 3)与夏季类似 灯光 设备等室内发热量的差异也不显著 人员密度取值存在一定差异 在冬季设计时 部分航站楼未考虑人员 灯光设备发热量的影响 当不考虑灯光设备及人员发热量的作用时 热负荷仅包含围护结构散失的热量 Q' e 和由新风导致的热量需求 Q' xs

从上述冬夏设计工况下的航站楼供暖空调系统负荷结果来看 由围护结构传热导致的负荷以及由室内灯光设备产热带来的负荷较为稳定 且不同气候区 不同航站楼之间的差异较小 人员负荷及新风负荷则主要受到人员密度 人均新风量取值等的影响 在不同航站楼之间存在一定的差异 因而使得不同航站楼中这两部分负荷存在较大的变动范围

1.3 实际测试结果

  本文给出实际航站楼夏季供冷量和冬季供热量的典型测试结果 以便进一步分析航站楼空调系统实际运行情况 并从实际运行角度来与设计工况进行比较 以寒冷地区某航站楼(实际客流量已超过设计客流量)为例 图4给出了其夏季典型周的逐时供冷量测试结果 实际供冷量多在40~100  W/m 2 之间变化 该航站楼夏季空调系统设计负荷在160   W/m 2 以上 夏季典型周(测试期间室外空气比 甚至高于设计工况下的室外比 室内人员设备等发热量与设计工况相近)的测试结果表明 实际单位面积耗冷 量明显小于设计工况下的负荷值 产生这种差异的原因在于 设计工况负荷为考虑人员最多 空调末端设备使用最多而给出的末端冷负荷需求计算值 而实际运行中受到不同末端使用时间不同步 人员等负荷组成因素变化的影响 使得实际测试得到的供冷量小于设计值


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 以夏热冬 冷地区 某机场航站楼(实际客流量与设计客流量相近)为例 图5显示了其冬季典型日值机大厅的逐时耗热量及各部分热负荷的组成情况 其中左侧纵坐标为总供热量与总耗热量 右侧纵坐标为根据航站楼空调区域面积得到的单位面积供热量和耗热量 正值表示供热量 负值表示耗热量 对于我国绝大多数机场航站楼空调系统 冬季均未通过机械方式引入新风 由于冬季渗透风的影响并不会使值机 候机区域及旅客到达区域发生新风量不足 CO 2 浓度过高等问题 因而实际运行中冬季热负荷主要由围护结构散失的热量 Q' e 和由于渗透 风导致 的负荷 Q' xs 两部分组成 冬季考虑室内人员发热及灯光设备产热的影响 测试期间热量主要来自人员 灯光设备及空调系统提供的热量 根据冬季热量来源及消耗的主要途径 可对测试典型日的热量组成及消耗进行拆分 从图5的拆分结果可以看出 渗透 风导致 的热量消耗在总热量消耗中占最大比例 甚至显著高于由于围护结构散热导致的热量消耗 人员 灯光设备等热量来源在总热量中所占比例较小 主要的热量来源仍为空调系统提供的热量 对典型日的热量消耗累计值进行统计可得 该航站楼值机大厅全天由空调系统提供的热量为503   GJ 人员 灯光设备产热的总和为215   GJ 由于围护结构传热导致的热量散失为144   GJ 由于渗透风带走的热量为504   GJ(实际测试计算得到的供热量与耗热量不平衡率约为10% 从上述热量拆分结果可以看出 在冬季运行工况下 由于围护结构散热导致的热量损失较小 单位面积耗热量仅为10  W/m 2 左右 考虑室外参数的差异后该实际值与前述设计工况下的围护结构热负荷相近 冬季实际运行中 由于渗透 风导致 的热量损失在总热量消耗中占较大比例 甚至与空调系统的供热量相当 因此由于渗透风带来的影响应当重点关注


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2航站楼空调系统研究展望

  从以上现有航站楼空调系统设计负荷的分析及对实际航站楼供冷/热量的测试结果可以看出 空调系统设计负荷确定及实际运行过程中存在多种影响因素 如何精确地确定航站楼供暖空调系统的负荷 、设计构建更加高效的供暖空调系统方案 是此类建筑空调系统设计及运行中需要考虑的重点问题 从航站楼空调系统的发展需求来看 暖通空调领域应当进一步在人员活动规律 渗透风影响规律 室内空调末端方式等方面开展深入研究 以便更好地满足系统设计及实际运行需求

2.1  人员活动规律

  从1.2节中设计工况下的负荷分析结果来看,人员负荷 新风负荷是航站楼空调系统负荷中的重要组成部分 在夏季冷负荷中的占比可超过50% 新风负荷在冬季热负荷中的占比也可达到50%甚至更高 人员负荷主要由人员密度取值决定,  单位面积新风负荷也由人员密度 人均新风量等决定 因此 人员密度取值对于空调系统中人员负荷 新风负荷具有重要意义 确定合理的人员密度取值是航站楼供暖空调系统设计的重要基础 目前我国相关设计规范 手册中并未给出航站 楼区域 的人员密度设计取值范围 尽管当前设计中航站楼值机/候机区域的人员密度取值多为3~6  m 2 /人 但这一人员密度取值的合理性仍未有定论 因此 从暖通空调系统设计的基本需求出发 亟需开展关于航站 楼人员 活动规律的相关研究 厘清人员密度在整个航站楼内及重点区域的分布情况 为设计过程中人员密度的合理取值 合理确定人员负荷和新风负荷等提供基础数据

航站楼是具有明确功能的一类公共交通场站建筑 人员以旅客为主且有明确的目标 相关活动主要包括出发及到达流程等 除候机厅区域旅客停留时间相对较长外 其余旅客空间均属于通过性空间 停留时间很短 与普通办公建筑或商业建筑内人员活动的随机性较大相比 人员在机场航站楼内的活动目的性更加明确 可能产生的随机扰动也更少 航站楼的特征是正常情况下随机扰动较小 但非正常情况依然存在 如天气原因 航空管制原因等 会引起人员密度和人员逗留时间大幅增加等 因此 在空调系统设计中 如何应对此类情况下的室内环境保障也是需要考虑的问题 所以除了研究正常营运情况下的人员活动规律外 还需研究非正常状态下的规律 为系统设计和运行管理提供依据 通过人员活动规律的研究 揭示人员在机场航站楼这类特殊建筑中的“人行为”特征 明确人员在各个区域的分布规律 由此确定不同区域的人员密度 从而为供暖空调系统设计提供基础指标 在研究手段及研究方法上 当前无线通讯技术 人像识别技术等电子信息技术的飞速发展 对于研究机场航站楼内的人员活动规律具有重要的借鉴意义 研究航站楼内人员活动规律有助于实现对 其实时人数的确定 从而为后续空调系统的优化运行 实时调控提供重要的参考依据

2.2 渗透风影响规律

从1.2节中设计工况下围护结构负荷与设备灯光产热的负荷结果来看,两者均为20  W/m 2 左右 而从1.3节实际航站楼冬季空调系统的测试结果来看 人员和灯光设备的产热(设计 值)与通过围护结构散失的热量也大致相当 从冬季空调系统供热量与热负荷实际测试的拆分结果来看 渗透 风导致 的热量散失几乎与空调系统供热量相当 因此 在实际航站楼冬季几乎未利用机械方式引入新风的实际状况下 冬季渗透风负荷对空调系统的实际运行具有重要影响 与机械新风系统相比 渗透风多由门窗开口及缝隙处渗入 存在路径不易明确 风量波动且不易确定等多种不规律性特征 当建筑气密性设置基本合理时 如何简便有效地测定渗透风量 明确渗透风在航站楼高大空间内的流动路径 如何更合理地分析渗透风对室内环境的影响规律 室内环境指标能否满足要求等 都是需要进一步研究阐明的问题

除了冬季工况外 渗透风对于航站楼过渡季 夏季运行过程的影响及变化规律也尚未得到明确阐释 通常设计状况下过渡 季建筑应以自然通风工况运行 包括不受停机坪侧航空运输器影响的自然通风和混合通风工况 足量的室内通风有助于满足航站楼内的排热需求 航站楼设计及运行能否实现过渡季的有效清洁通风也是需要深入研究的问题  尽管夏季运行过程中航站楼通常开启机械新风系统 但仍存在一定的渗透风 此时应该如何考虑这部分渗透风的作用及影响范围 航站楼新风系统设计及运行中是否应该考虑这部分渗透风的影响?此外 不同季节渗透风的影响因素也有待进一步分析 航站楼建筑形式 功能布局及连通开口数量等均可能对渗透风的来源 大小等产生影响 厨房餐饮排风设计或运行不当会对不同季节的渗透风量产生什么影响 深入揭示不同影响因素的作用将有助于更合理地确定航站楼建筑形式及功能布局方案 更好地满足供暖空调系统的实际运行需求

2.3 空调系统末端方式

  目前航站楼这类高大空间建筑中多采用全空气射流喷口送风方式(如图6a所示),  尽管竖直方向上也可形成分层控制(控制区域在喷口高度以下范围),  但其局限性主要在于 受送风距离要求和建筑布置的限制 喷口高度一般为3~5  m甚至更高 而人员仅在2   m高度范围内活动 造成冷量浪费 冬季存在竖直温差大的情况 尽管耗热量很大 但人员活动区域温度仍偏低 全空气方式的风机输送能耗较高(风机压头可达几百Pa甚至上千Pa) 每年仅风机耗电就可达几十kW·h /m2 有些航站楼建筑中空调末端风机能耗接近甚至超过制冷机能耗 因此亟需通过技术创新 采用新的末端方式 构建新的系统形式来大幅降低这类空间的空调系统运行能耗

当室内空间层高超过10 m且仅地表面有人活动时 不再沿用目前的全面通风换气和全面环境控制方式 而是采用分层环境控制模式 这已经成为这类空间室内环境控制的发展趋势 结合室内环境的湿度控制需求 基于辐射地板的末端供冷供热方式可以构建出新型的温湿 度独立 控制空调系统 实现航站楼高大空间建筑内的分层热湿环境调控 如图6b所示 在该系统中夏季利用经过除湿处理后的干燥新风来带走室内全部湿负荷 实现湿度控制 在温度控制方面 综合考虑辐射地板的供冷能力和较大的热惯性 将辐射地板和干式风机盘管相配合 利用温度较高的冷水来实现室内温度控制 在高大空间中太阳辐射和围护结构传热 在总冷负荷 中占较大比例,  辐射地板通过辐射的方式可直接带走太阳辐射等短波辐射热量 减少热量传递环节 冬季利用辐射地板也可有效控制室内人员活动区的温度 减缓室内温度分层 避免常规喷口送风方式存在的热空气上浮 近地面处温度偏低等不足 改善室内热环境


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  目前这种新型分层空调系统已在我国西安咸阳机场等航站楼建筑中得到实际应用(如图7所示) 并在一些新机场航站楼 铁路客站等交通场站建筑中得到了进一步推广 实际运行效果表明 这种空调系统能够大幅节省运行费用 是此类高大空间建筑空调系统的重要创新方案 为了更好地满足航站楼高大空间建筑的发展需求 构建完善的新型分层空调系统体系 仍需针对此新型末端方式及系统开展持续深入的理论研究和工程实践 需进一步研究采用辐射地板后的空调系统负荷计算方法及系统设计方法 为更好地满足工程设计需求提供理论指导 需进一步研究合理的系统构建方案 对包含末端设备和冷热源设备在内的整体系统进行优化分析 仍需进一步开发相应的空调设备产品 例如分布式送风末端产品(利用高温冷水 仅负责温度控制) 并应当注重空调末端设备产品与建筑室内布局 装饰的有机结合 兼顾室内设置的美观性和运行管理的便利性 可考虑将分布式送风末端装置与航站楼内的休闲 商业等功能有效结合 实现空调末端产品的多功能化


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此外 在航站楼空调系统设计及运行中 冷热源或能源站以及水系统也是需要重点关注的环节 合理的冷热源设备方案 能源站设计和水系统设计是保障后续系统高效运行的 重要基础 如何进一步构建合理的航站 楼整体 供暖空调系统方案 如何采用适宜的蓄能手段 如何设置优化的水力输送系统及运行过程的合理调控等 均是需要进一步研究探讨的问题


3结论

1)现有航站楼空调系统设计负荷中由围护结构传热导致的负荷以及由室内灯光设备散热带来的负荷较为稳定 人员密度及人员单位新风量指标等是影响机场航站楼空调系统设计人员负荷 新风负荷的重要指标 在不同航站楼之间存在一定的差异 仍有待进一步的研究揭示该指标的合理值

2)从实际航站楼供冷/热量的测试结果来看 系统实际冷 /热量消耗与设计工况下的负荷值存在一定差异 冬季由于渗透 风导致 的热量损失在总热量消耗中占较大比例 甚至可以与空调系统的供热量相当 渗透风的影响及作用规律需要进一步深入研究

3)从航站楼空调系统发展需求来看 应当进一步在人员活动规律 渗透风影响规律 室内空调末端方式等方面开展深入研究 为系统设计提供人员密度值等基础数据 此外也要进一步开展末端方式和冷热源 水力输送系统的优化等研究 构建新型高效的末端方案及整体系统架构 为实现系统的真正高效运行奠定基础














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