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【菱泰能源】论文丨北京大兴国际机场航站楼分布式空调末端应用研究

本文来源: 菱泰能源 责任编辑: 发布日期:2021-11-25
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 引言

       在机场航站楼内存在大量的高大空间,为了满足建筑室内效果的需要,通常在航站楼内的浮岛两侧布置远距离送风的射流喷口,这种送风气流组织形式在满足建筑效果的同时,也可实现分层空调,是目前机场航站楼内的常规做法。当浮岛间距较大、两侧浮岛侧送喷口射程不够时,设置若干个机电单元,在其四周布置球形喷口进行远距离送风,同样也能实现分层空调,这是一种应用于高大空间的较好的空调送风形式,已在北京首都国际机场T3航站楼、昆明长水国际机场T1航站楼、 南宁吴圩国际机场T2航站楼内应用,是一种比较成熟的大空间送风应用形式。

       机电单元综合建筑、设备、电气等专业用途,包含了空调设备、消防设备、电气设备、通讯设备,外部还有航显、标识和广告等,设计的主要思想是将空气处理机组设置于空调机房内,冷(或热)处理后的空气通过布置在非公共区域的水平风管送到机电单元下层位置,然后接至机电单元内,通过内部的竖直风管接至送风口处,在公共区域内不出现水平风管,以满足建筑精装修要求。可见,机电单元送风是以空气作为介质进行冷热量输送的,这就造成了空调机房内空调机组的机外余压较大,风机能耗较高。统计得到北京首都国际机场T3航站楼内空气处理机组的电量与制冷站内冷水机组的电量基本一致,与张涛等人对其他机场调研得到的结论相同。因此,降低航站楼内空气处理机组的电耗对于航站楼节能具有重 要意义。

       笔者在设计北京大兴国际机场航站楼之初,就努力降低航站楼内空气处理机组的装机功率,对于距离空调机房较远的大空间区域,设想以水输送代替风输送,使机组尽量靠近服务区域,降低机组安装功率。为此,笔者与建筑专业共同设计了具有曲面外形的分布式空调末端,其实景和BIM模型分别见图1、2。这种装置作为浮岛送风的补充方案,设计了循环风机组和带新风系统机组2种型式,其外形尺寸和占地面积与机电单元类似。循环风机组型式应用数量较多,新风由周围浮岛 空调机组提供,本文仅分析该种型式,带新风系统机组的影响因素较多,将另作研究。

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分布式空调末端实景图  

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分布式空调末端 BIM 模型

       本文针对分布式空调末端装置,研究该装置应用的影响因素;使用系统模拟软件对该装置的全年运行能耗进行模拟,以计算该装置的节能效果;对该装置的噪声进行理论计算分析和现场实测,以验证该装置的实际使用效果。通过本文研究,为航站楼大空间空调设计提供一种较为节能的方案。

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分布式空调末 端应用影

       影响分布式空调末端应用的主要因素是其外形尺寸、内部安装及检修空间、负担区域面积、送风口形式、环境噪声、末设备噪声等。这些因素之间存在一定的耦合关系,如其外形尺寸与设备容量、负担区域面积存在正比例关系,也与末端设备噪声有一定的关系。

      在上述影响因素中,核心因素是送风口形式,该因素直接影响分布式空调末端的负担区域面积,从而决定机组尺寸等。应用于大空间的送风口形式主要有球形喷口、鼓形风口等。球形喷口按接管尺寸一般可分为D200、D250、D315、D400、D630等,射程为10~35 m,一般应用在航站楼的风口最大为D315,射程最远为30 m。鼓形风口一般为矩形外框,可上下30°调节,射程最远为20 m。对于该部分内容,相关的理论计算、模拟计算及实测验证等,可参见相关文献,这里不再重复分析。

       分布式空调末端的噪声也是影响其应用的重要因素。末端除了风口噪声外,还有设备本身的噪声,风口噪声可通过消声措施解决,但设备本身的噪声与产品特性相关,由离心式风机的声压级计算公式可知,设备噪声与风量和风压成正比。

       综合各种因素,一般将分布式空调末端的送风量控制在20 000 m 3 /h以内,送风射程约为25 m。各个参数见表1。每个分布式空调末端约负担半径25 m的扇形区域,负担区域面积约600~800 m 2

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  能耗模拟计算分析

      对北京大兴国际机场航站楼内某区域设置的分布式空调末端进行全年动态模拟分析,同时建立常规的空调机房内空气处理机组加末端喷口模型(送风量、服务面积、机组冷热量均与分布式空调末端相同)进行对比计算,以分析分布式空调末端的节能效果。

2.1  模型建立

      采用Dymola软件对2种能量输送形式进行模拟:一种是水输送,即本文的分布式空调末端,以实际工程中的PRCU-F3-E03机组为例(记为CASE1);一种是空气输送为主,即由空调机房内的空气处理机组送风至空调区域(记为CASE2)。2种形式的冷热量、水量和风量均一致,空气处理机组风压和水泵扬程按设计工况计算确定,设计简图见图3。分别计算2种形式的供冷及供热季能耗,以此来判定二者输送效率的高低。

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空调形式简图  

       本文基于Dymola软件所建立的模型主要由房间模型、水泵模型、空调机组模型、控制模型等子模型组成,各子模型之间联合运行共同模拟所建立系统的动态运行。模型见图4。

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4 Dymola 模型

2.2  参数设定

        2种算例的参数设置见表2。

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      房间负荷通过动态负荷模拟软件进行计算,得到的逐时负荷作为边界条件。供冷季为4月15日至9月30日,供热季为11月15日至次年3月15日。冷热负荷见图5。  

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计算区域冷热负荷  

      水泵按设备参数进行选型,将设备运行曲线作为“Pump”部件的输入参数。同理,将风机选型的设备运行曲线作为“fan2”部件的输入参数。

2.3  模拟结果分析

      模拟计算结果见表3。可以看出:CASE1的水泵电耗略高于CASE2,但两者相差不大,增大比例约2.8%;CASE1的风机电耗明显低于CASE2,降低约29.6%;CASE1相比CASE2总电耗降低21.8%,定量验证了分布式空调末端比常规空气处理机组在大空间场合具有更好的节能性。

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分布式空调末端噪声影响分析

3.1  空调机组噪声计算

      空调机组噪声源主要包括风机噪声、系统振动噪声和涡流噪声3种,其中以风机噪声为主,正常情况下,其他噪声相对于风机噪声可忽略不计。空调机组的噪声主要分为两部分,一部分是风机噪声通过箱体传至空调机组外面的噪声,另一部分是风机噪声传至空调机组进(出)风口处的噪声。这两部分的声压级计算公式分别见式(1)和式(2)。

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式(1)、(2)中  Lp U为空调机组的声压级,dB; LW U为通风机的声功率级,dB; R U 为机组箱体的倍频带隔声量,dB;S U 为空调机组箱体表面面积,m 2 S S 为风机和电动机的包络表面面积,m 2 S UM 为空调机组测量表面积,m 2 S M 为基准面积,m 2 ,取1 m 2 K U K A 为修正系数,dB,均取3dB;Lp A 为空调机组进(出)风口处的声压级,dB;∑ R A 为机组中风机至风口处的各段噪声衰减量之和(由厂家提供),dB; S A 为机组进(出)风口处的面积,m 2 d 为风口至测点的距离(按45°角计算),m。

                                   式(1)、(2)中通风机的声功率级 LW U由厂家提供,当缺乏资料时,可用式(3)计算:

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式中 Q 为风量,m3 /h; H 为全压,Pa。    

3.2  分布式空调末端噪声计算

      由于空调机组内设置了消声段,通过调整该段设置,使得机组出风口处噪声满足设计要求,所以对分布式空调末端而言,其噪声会在空调机组噪声的基础(考虑噪声叠加)上考虑机组外装饰罩的噪声衰减及送风喷口的噪声,同时考虑多个风口噪声的叠加,见图3a。

分布式空调末端设备外壁噪声声压级 Lp UF可用式(4)计算:

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                 无孔隙时:

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                 有孔隙时

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式(4)~(6)中  δ 为装饰板隔声量,dB;α¯为分布式空调末端内壁平均吸声系数; m 为面密度,kg/m 2 p 为孔隙率; τ h 为孔隙投射系数, τ h ≈1;τ w 为装饰板投射系数, τ w ≥0。
       根据GB/T 14294—2008《组合式空调机组》中对机组A声级噪声限值的规定,风量10 000 m 3 /h、机外静压150 Pa工况下的空调机组噪声限值为65 dB,同时2个机组噪声叠加量为3 dB,计算得到 Lp U =68 dB。根据式(6),取装饰板投射系数为0,在孔隙率为10%~20%时, δ =7~10 dB;而根据文献[13]的研究结果,单层铝板的隔声测试量最低为5 dB(63 Hz);本工程装饰板未设置吸声材料,α¯=0。综合上述计算结果,取装饰板隔声量为5 dB,计算得到分布式空调末端设备外壁噪声声压级 Lp UF =63 dB。

      分布式空调末端设备外 r 距离处声压级 Lp UF r )计算公式为

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喷口噪声值可由厂家提供,在缺少资料时,单个喷口的噪声可用式(8)计算:

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 式中  LW A 为单个喷口的气流噪声声功率级,dB; S 为喷口截面积,m 2 v 为喷口截面风速,m/s; a b 为与喷口结构有关的系数,可取 a =53.5,b =8.70。

     经计算,10 000 m 3 /h机组单个喷口处噪声值 LW A =32 dB。

     分布式空调末端中有1台或2台相同型号的空调机组,每台空调机组有10个相同型号的喷口。多个设备的声功率级 LW Z 叠加可用式(9)计算:

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式中  LW 为单个设备的声功率级,dB;n 为相同设备的数量。

    每个分布式空调末端最多20个喷口,其叠加噪声值 LW Z =45 dB。

    2个不同声源声压级叠加总声压级计算公式为

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式中 Lp为叠加后总声压级,dB; Lp1 为声源1的声压级,dB; Lp2为声源2的声压级,dB。

      叠加末端外壁噪声源与风口噪声源,用式(10)计算,距离末端0 m处,取 Lp 1 =63 dB, Lp 2 =45 dB,得到叠加噪声值为63 dB;然后利用式(7)计算得到距末端1 m处噪声值为52 dB,距末端2 m处噪声值为46 dB。

      由以上公式可知,分布式空调末端设备噪声与噪声源、喷口性能、装饰做法、测点距离等有关,可在设计时按上述公式估算设备噪声,以使机组满足环境噪声要求。

3.3  噪声现场测试

     为验证分布式空调末端的噪声对环境的影响,对北京大兴国际机场航站楼内不同位置的12台机组进行了现场测试。

3.3.1  测试方案

     测试的分布式空调末端有2种基本形式,首层02型末端内部设有1台空调机组,2~4层01型末端内设有2台空调机组,其内部结构如图6所示。

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测试的分布式空调末端类型   

       基于国家标准GB/T 9068—1988《采暖通风与空气调节设备噪声声功率级的测定工程法》对空调机组噪声反射平面自由声场条件下的测试方法,选取距离分布式空调末端表面1 m处测得的机组A计权声压级噪声作为评定标准。同时,分别取距离表面0、2、4 m处为测量点,测量其A计权声压级噪声。此外,分布式空调末端设置有音响设备,同时测量音响侧和非音响侧噪声值,以分析音响设备对空调末端噪声水平的影响。具体测点布局如图7所示。

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末端噪声测点布局   

选取1~4层设置有分布式空调末端的区域进行测试,同时测量末端附近区域环境噪声,具体测点分布如图8所示。

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注:U11~U18、U22为所测试的分布式空调末端编号。

空调区域噪声测点布局

3.3.2  测试结果及分析

     采用TES-1350A型声级计进行测试,其适用标准为IEC61672-1Class2和ANSI S1.4 TYPE2,准确度为±1.0dB。噪声测试结果见图9~11。以机组U16为例说明空调末端装置的噪声测试结果,其中包括音响设备的噪声影响,见图9。其余位置的设备测试与U16类似,这里不再一一说明。

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空调末端音响设备噪声影响 (U16)   

      对比分析U16处分布式空调末端有无音响侧距表面不同距离处的噪声值可知,音响源处噪声值显著高于其他表面,但经过1 m距离衰减后,对环境噪声产生的影响基本稳定。

      由图10可知,分布式空调末端底部回风口处噪声显著高于距表面1 m处及环境噪声水平,最大差值可达9.7 dB,不同空调末端回风口处噪声值存在一定差异。

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10  分布式空调末端回风口及环境噪声水平

     对比图9和图10,音响源和风口处噪声均显著高于环境噪声水平,两者量级相差不大。

     如图11所示,分布式空调末端外壁(0 m)处噪声计算值与现场测试值接近,而距离机组末端外壁1 m处噪声计算值(52 dB)比现场测试值(约61 dB)小,说明在距离机组末端外壁1 m处环境噪声的影响已高于噪声源的衰减;分布式空调末端表面(0 m)处噪声水平高于附近公共区噪声水平,最大差值可达3.8 dB;距离空调末端表面≥1 m处,测得的噪声值已接近周围环境噪声水平,整体差值不超过1 dB,局部最大差值约为1.5 dB。

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11  分布式空调末端及环境噪声水平


       实际使用过程中,人员活动区域距离分布式空调末端基本超过1 m,从测试结果可知,分布式空调末端对人员活动区域的噪声水平无显著不利影响。

     此外,我国目前没有航站楼室内环境的噪声标准,而在英国CIBSE设计手册中规定了航站楼内大部分空间噪声标准为NR45,约等同于A声级 噪声50 dB。虽然北京大兴国际机场航站楼内的环境测试噪声(59~62 dB)超出了英国标准限值,但在国内大型机场航站楼的测试值(55~70 dB)范围内。航站楼内的环境噪声涉及因素较多,今后再另作研究,但环境噪声问题不影响分布式空调末端在航站楼内的应用,因为当航站楼背景噪声标准提高时,可通过降低机组噪声或者增加装饰板的吸声量来满足使用要求。

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 结论

       1) 通过对相同服务区域、相同冷热量的分布式空调末端与放置在空调机房内的常规空气处理机组及配套的水系统能耗对比分析可知,前者总的输送能耗比后者低21.8%,定量验证了分布式空调末端比常规空气处理机组在大空间场合有更好的节能性。

      2) 分布式空调末端的音响源和底部回风口处噪声测试值均高于环境噪声测试值,使得末端表面处噪声水平高于附近公共区噪声水平,最大差值可达3.8 dB;距离空调末端表面≥1 m处测得的噪声值已接近周围环境噪声水平,整体差值不超过1 dB,局部最大差值约为1.5 dB。分布式空调末端对人员活动区域的噪声水平无显著不利影响。

     3) 在分布式空调末端噪声占主导影响的机组外壁处,噪声计算值与测试值接近,可用本文提供的计算公式进行机组噪声的初步选型计算。


本文引用格式: 谷现良  韩维平,于新巧 .北京大兴国际机场航站楼分布式空调末端应用研究[J].暖通空调,2021,51(7):49-54,22
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