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    机场航站楼冬季渗透风现状与供暖节能潜力分析

    • 作者:
    • 中国暖通空调网
    • 发布时间:
    • 2021-07-19

    清华大学  刘效辰  张涛  刘晓华  林琳  李凌杉

           【摘  要】本文通过实地测试对比分析了我国不同气候区7座机场航站楼的冬季渗透风现状。测试发现,航站楼的机械新风系统几乎处于关闭状态,渗透风量在2.5~69.8万m3/h(换气次数0.06~0.56 h-1)。严重的渗透风使得室内CO2浓度维持在较低水平(平均478~654 ppm),渗透风散热量和空调供热量的比值为23%~92%。基于测试结果,本文利用简化计算模型讨论不同减小渗透风方法的供暖节能潜力。减小底部开口、减小顶部开口和使用辐射地板分别能够实现年供热量比基准降低32%、68%和54%。本文研究结果将对我国机场航站楼的节能设计和运行提供有益参考。

           【关键词】机场航站楼,供暖,渗透风,实地测试,节能

           【基金项目】国家重点研发计划项目课题(2018YFC0705001),国家自然科学基金面上项目(51878369)

    1 引言

           机场航站楼是重要的城市基础设施,对我国的城镇化建设具有极其重要的战略意义。随着民航业的发展,我国正处于机场航站楼的高速建设阶段。2019年我国境内的民用航空运输机场共计238个[1];依照规划布局,其数量将在2030年达到400座[2]。由于机场航站楼建筑规模巨大同时拥有复杂的能源系统,许多研究指出其能耗强度高于一般公共建筑[3,4]。其中,暖通空调系统通常在航站楼运行能耗中占有最大比例,约为40%~80%[5,6]。在我国不同的气候区中,严寒及寒冷地区的机场航站楼通常具有最高的能耗强度,其主要原因在于冬季供暖系统的长时间使用[7]。因此在当前机场航站楼高速建设的背景下,亟需开展研究揭示其冬季供暖能耗的关键影响因素,并提出能够有效降低能耗的方法。

           机场航站楼多为高大空间建筑,连续的客流使得外门长时间开启,这样的建筑特点容易造成严重的冬季渗透风[8]。学者们也曾通过实地测试在我国寒冷地区[9]和夏热冬冷地区[10,11]的机场航站楼中发现了严重的冬季渗透风。实测发现冬季渗透风呈现出热压驱动力主导的空气流动特征[10],即室外空气通过底部开口(各楼层的外门等)流入室内,室内空气通过顶部开口(天窗、检修马道门等)流向室外。热压驱动的冬季渗风造成了高大空间室内显著的热分层现象,同时渗透风造成的散热量甚至和供热量基本相当[10]。机场航站楼这类高大空间建筑冬季渗透风的影响因素可以总结为以下三种:室外天气因素(温度,风速等),建筑自身因素(各类建筑开口,高大空间高度等)和暖通空调系统因素(机械新排风,空调末端形式等)[12]。许多之前的研究从以上三种因素的角度出发,提出了一些减小冬季渗透风的方法,如设置外门门斗[13],采用外门空气幕[11],关闭天窗等顶部开口[14],减小室内机械排风[15],使用辐射地板替代传统的喷口送风末端等[16]
    目前对于机场航站楼冬季渗透风的研究往往是针对特定案例的实测或模拟,尚未开展广泛的实地调研揭示我国机场航站楼冬季渗透风的现状,且缺乏研究来分析减小渗透风的供暖节能潜力。本文通过实地测试对比分析了我国不同气候区多座机场航站楼的冬季渗透风现状,通过实测数据总结渗透风的关键影响因素及其通常的取值范围,利用简化计算模型讨论不同减小渗透风方法的供暖节能潜力,以期为我国机场航站楼的设计和运行提供有益参考。

    2 研究方法

           2.1 航站楼概况

           如表1所示,实地测试的建筑为我国5座机场机场航站楼(A~E),另外引用文献中其他学者实测的2座航站楼(F~G)作为对比。以上航站楼所在的区域覆盖了我国主要存在冬季供暖需求的气候区,即严寒地区、寒冷地区和夏热冬冷地区。以上航站楼均为高大空间建筑,值机大厅高度为16~27 m,候机大厅高度为9~16 m。高大空间的空调末端多采用喷口送风,其中A航站楼靠近出入口门的局部区域和D航站楼的主要区域采用辐射地板。

    表1 实地测试的机场航站楼

           2.2 渗透风实地测试方法

           本文主要利用风速测试法对航站楼高大空间的渗透风量进行测量。具体而言,排查高大空间中可能造成室内外空气流动的底部开口(各楼层外门和通道、行李提取转盘的开口等)与顶部开口(天窗、检修马道门等)。测量以上各种开口的断面尺寸与平均风速,两者相乘从而计算得到空气流量。断面平均风速为每个断面上均匀布置的6至12个测点所得风速的均值。风速测量的误差主要来自未发现或难以测量的围护结构缝隙,因此需要在测量后进行风量平衡校核,从而确认渗透风量计算的准确性。在风速测试法的基础上,本文采用CO2浓度法、含湿量法和热量平衡法对测量的渗透风进行对比分析,进一步验证测试结果的准确性。以上测试方法在作者之前的研究中(即本文中的航站楼E)进行了详细说明和验证[10]

           2.3 渗透风简化计算方法

           总结实地测量中发现的机场航站楼高大空间渗透风特征,本文利用简化模型来计算渗透风量和供热量,并进行节能潜力分析。如图1所示,简化模型考虑三种常见的航站楼空间形式,即单体空间建筑、二楼层建筑、三楼层建筑。单体空间建筑可以代表支线机场。二楼层建筑代表典型的干线机场或者枢纽机场(如表1中的A、B、C、F和G),其中F2层为出发层,F1层为到达层。三楼层建筑代表综合枢纽机场(如表1中的D和E),B1层通常为换乘层,同样和室外环境直接相连。


    图1 机场航站楼高大空间简化模型: (a) 单体空间建筑, (b) 二楼层建筑, (c) 三楼层建筑

           该简化模型在作者之前的研究中进行了详细说明[12]。模型计算的基本方程包含了室内温度分布方程、空气流量平衡方程、能量平衡方程、渗透风驱动力方程,求解以上方程组可以计算得到渗透风量及供热量。下文以二楼层建筑为例(如图1(a))对渗透风的计算进行简要说明。二楼层建筑内的空气流量平衡方程如式(1)。

           G1+G2+Gf=Gr+Gex    (1)

           式中G1和G2分别为通过F1层和F2层的底部开口流入室内的渗透风流量;Gr为通过顶部开口流向室外的空气流量;Gex为航站楼内的机械排风量;Gf为航站楼内的机械新风量。

           通过底部和顶部开口的空气流量由室内外的热压差(Δp)驱动,如式(2)和(3)所示。

                  (2)

                  (3)

           式中ρ为空气密度;c和A分别为底部开口的无量纲流量系数和开口面积,下标1和2表示F1层和F2层;cr和Fr分别为顶部开口的无量纲流量系数和整体屋面面积。其中c和cr可以用上式和实测数据计算得到,可用于评价底部和顶部开口的实际情况。

    3 实地测试结果

           如图2所示,4座航站楼的室内风量平衡测试结果显示出显著的热压驱动渗透风现象。室外空气通过各楼层门渗透进入室内,直接影响了人员活动区域的热环境;同时由于顶部存在各类开口,导致室内被加热的空气直接从顶部流出。此外由于航站楼中存在一定量餐饮和卫生间排风,且机械新风(补风)系统几乎处于关闭状态,因此一定程度增加了渗透风量。

           表1中7座航站楼的渗透风情况汇总如表2。航站楼外门的开启时间占比高达55%~99%,造成室外空气从各楼层外门渗透进入室内。以上航站楼的渗透风换气次数在0.06~0.56 h-1。虽然换气次数和一般小空间建筑(如住宅、办公等)的数值类似,但是由于航站楼巨大的建筑体积,实际渗透风量可达到2.5~69.8万m3/h,甚至超过空调系统可能提供的机械新风量。严重的渗透风使得室内CO2浓度维持在较低水平(平均478~654 ppm)。同时渗透风造成了巨大的空调供暖负荷,渗透风散热量和空调供热量的比值为23%~92%。由此可见减小渗透风对于降低航站楼供暖能耗具有重大意义。


    图2 实测机场航站楼室内风量平衡情况: (a) A, (b) C, (c) D, (d) E
    表2 机场航站楼渗透风量实地测试结果

           使用式(2)和(3)可以通过实测数据计算得到各个航站楼底部开口和顶部开口的无量纲流量系数。该系数体现了空气流经某通道时的阻力,因此可以用来评价建筑的气密性。作者对其中4座航站楼的底部开口无量纲流量系数(c)和顶部开口无量纲流量系数(cr)进行了详细测试,结合文献中一座单体空间高铁站的测试[16],以上结果汇总如表3。

    表3 底部和顶部开口无量纲流量系数实地测试结果

           对于正常使用的外门,底部开口的c值基本在0.25~0.55。D航站楼B1层几乎无人使用,外门处于关闭状态,因此c值极小。其中A航站楼的建筑外门安装有厚重的棉风帘,因此可以显著降低c值至0.28;其余案例中均为一般推拉门,c值较为类似,平均值为0.45。由此可见,安装棉风帘能够有效降低外门的c值,增加空气流动阻力,从而有效减小渗透量。

           顶部开口的cr值基本在1×10-5~1×10-3。其中在C航站楼、E航站楼和高铁站[16]中,作者在建筑顶部都发现了明显的开口,如开启的天窗和检修马道门等,在此情况下cr值均在10-4量级。而在其余案例中未发现明显的顶部开口,因此室内空气基本通过屋面缝隙等较小的开口流出,在此情况下cr值基本小于1×10-4。由此可见,有效密封屋面可以量化为降低屋面的cr值。从可操作性角度出发,可将目标的cr值设置为1×10-4,即关闭明显的屋面开口。

           在渗透风的作用下,各种空调末端会造成高大空间内不同的垂直温度分布,如图3所示。对于喷口送风,喷口以上的空间温度均匀;但喷口以下的区域(即设计时认为的空调控制区)通常存在一定程度的温度梯度,这是底部冷风渗入导致的结果。但在D航站楼中,辐射地板在高大空间底部提供了均匀的热量,即使有渗透风的影响,室内垂直方向的温度依旧呈现均匀分布。因此,当目标是控制人员活动区温度相同时,辐射地板可以使得全空间平均温度低于喷口送风的情况,因此具有较小的渗透风热压驱动力,存在减小渗透风的潜力。


    图3 值机大厅垂直温度分布(黄色区域为空调控制区): (a) A, (b) E, (c) C, (d) D

    4 减小渗透风的供暖节能潜力分析

           基于实测结果,本节将利用简化模型分析三种减小渗透风方法的供暖节能潜力,即减小底部开口、减小顶部开口和使用辐射地板。减小底部开口的方式为使用A航站楼中的外门棉风帘,具体量化为外门的c值从0.45降至0.25。减小顶部开口的方式为关闭明显的屋面开口,具体量化为屋面的cr值从1×10-3降至1×10-4。使用辐射地板替换传统的5m高度喷口送风,可以实现全空间垂直温度分布均匀。用于分析以上三种减小渗透风方法的计算案例如表4所示。

    表4 分析减小渗透风节能潜力的计算案例

           为了计算图1中三类典型航站楼的年供热量,本文选取乌鲁木齐、北京和上海三座城市的全年室外气象参数进行计算,其分别代表严寒地区、寒冷地区和夏热冬冷地区。计算中保证各个案例中人员活动区域的热舒适状态相同。年供热量的计算结果如图4所示,减小底部开口、减小顶部开口和使用辐射地板分别能够实现年供热量比基准平均降低32%、68%和54%。因此,以上三种方法均能够有效控制渗透风造成的负荷,从而显著降低供热能耗。


    图4 减小渗透风的供暖节能潜力分析: (a) 单体空间建筑, (b) 二楼层建筑, (c) 三楼层建筑

    5 总结

           本文通过实地测试对比分析了我国不同气候区7座机场航站楼的冬季渗透风现状,并利用简化计算模型讨论不同降低渗透风方法的供暖节能潜力,得到的主要结论如下:

           (1)实测发现,航站楼的机械新风系统几乎处于关闭状态,外门的开启时间占比高达55%~99%,造成室外空气从各楼层外门渗透进入室内,渗透风量在2.5~69.8万m3/h(换气次数0.06~0.56 h-1)。严重的渗透风使得室内CO2浓度维持在较低水平(平均478~654 ppm),渗透风散热量和空调供热量的比值为23%~92%。

           (2)量化分析底部开口、顶部开口和空调末端对于渗透风的影响。底部开口用无量纲流量系数c来描述(一般在0.25~0.55),对外门安装棉风帘可将c从0.45降低至0.28。顶部开口用无量纲流量系数cr来描述(一般在1×10-5~1×10-3),关闭明显的屋面开口可将cr降低至1×10-4以下。使用辐射地板替换传统的喷口送风,可实现全空间垂直温度分布均匀。

           (3)在严寒、寒冷和夏热冬冷三个气候区条件下计算典型航站楼的年供热量。发现减小底部开口、减小顶部开口和使用辐射地板分别能够实现年供热量比基准降低32%、68%和54%。因此,以上三种方法可以考虑在新建航站楼设计或既有航站楼运行中使用,从而实现有效降低机场航站楼的供暖能耗。

    致谢:

           本研究受国家重点研发计划项目课题(2018YFC0705001)和国家自然科学基金面上项目(51878369)资助,特此致谢。

    参考文献

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           备注:本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊 总第37期(第22届全国暖通空调制冷学术年会文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。

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