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    China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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    严寒地区航站楼冬夏热环境及渗风特性实测研究

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

    清华大学  许峥浩  刘效辰  蔺文钰  陈琪  张涛  刘晓华

           【摘  要】本文对严寒地区某机场航站楼不同季节的室内热环境及渗风情况进行了实测研究,对测试方法进行了介绍,并对不同季节的测试结果进行了分析。测试结果表明:此类高大空间建筑室内温湿度波动受室外影响显著;夏季运行时,建筑出入口实测渗风量为16~27万m3/h;冬季运行时,室内外温差大,渗风驱动力强,通过加装防风棉帘等措施加强建筑的气密性,可大幅降低不必要的渗风量,建筑出入口实测渗风量为1~2万m3/h。

           【关键词】机场航站楼,实际测试,热环境,渗透风

           【基金项目】 国家重点研发计划项目课题(2018YFC0705001)

    1 引言

           机场航站楼通常为高大空间建筑,该类型建筑多存在垂直连通的跨层空间,并较多采用大面积的玻璃幕墙。这种类型建筑的能耗较高,可达普通公共建筑的1~2倍[1],其中空调能耗占其建筑运行能耗的40%~60%[2]。由于高大空间的热压通风作用,此类建筑往往存在明显的渗风现象。

           目前已有研究人员对该类型建筑的热环境特性及渗风特性进行了实测分析。林琳等[3]采用多种测试方法对西南地区某机场航站楼各季节的渗风特性进行了实测,总结了不同测试方法的优劣,并对测试结果进行了对比分析;翁建涛等[4]对夏热冬冷地区某机场航站楼的冬季室内热环境进行了测试分析,总结了改善高大空间冬季室内热舒适性的策略;吴明洋等[5]对西安咸阳国际机场2个航站楼冬夏季室内环境进行了测试,并对不同的分层空调末端形式进行了比较分析;王崇杰等[6]对机场室内热环境现状及寒冷地区的热环境特点进行了分析讨论,总结出适合寒冷机场建筑的热环境优化策略。

           上述研究中所研究的建筑集中在夏热冬冷地区及寒冷地区。实际运行中,不同地区的气候条件对于建筑能耗影响显著。本文以严寒地区某航站楼为例,对不同季节航站楼室内热环境及渗风情况进行测试,以期为该气候区高大建筑的热环境特性及渗风特性研究提供参考。

    2 测试概况

           2.1 建筑概况

           测试建筑为我国严寒地区某机场的T3航站楼,该航站楼于2010年启用,总建筑面积为10.6万m2。该航站楼共有四层,分别为F2出发层、F1到达层、B1与B2工作区。航站楼功能区域共分成4个,如图1(a)所示,其中A区和C区为国内候机区,B区为值机大厅及迎宾大厅,D区为国际候机区。该航站楼值机大厅高30米,与室外通过大门等直接连接,大厅内采用全空气空调系统喷口送风,夏季送冷风,冬季送热风,冬季运行时采用全回风模式,无机械新风。由于严寒地区建筑冬季室内外温差较大,热压作用明显,因此航站楼在冬季运行时为减少出入口渗风带来的影响,对各外门进行了防渗风处理,加装两道棉风帘。


    图1 严寒地区某机场T3航站楼

           2.2 测试方法

           测试的主要研究对象为室内环境场的温湿度,CO2浓度及渗透风量等参数,其中温湿度,CO2均采用布置相关监测自记仪器进行连续时间段的数据采集,图1中给出了部分测点的布置图。渗风情况的测试方法通常为风速测试法及示踪气体法,林琳等[3]的研究中指出,采用 CO2浓度法、含湿量法等示踪气体法对建筑渗风进行测试时,会受到室内外CO2浓度差或室内外含湿量差过小、室内散发源状况复杂等制约;而在风出入口明确的环境下,风速测试法的测量结果相对准确。该机场航站楼出入口固定,且顶部天窗在一般情况下为关闭状态,因此风的出入口明确,故而本文采用风速测试法直接对航站楼的渗风情况进行测试。测试在T3航站楼安检以外区域开展,包含F2层值机大厅和F1层到达大厅。测试期间每隔2小时在各层的外门处测量断面上的平均风速,通过平均风速乘以面积的方法得到渗透风量。

           2.3 夏季测试结果

           (1)温湿度及CO2测试结果

           夏季测试期间T3航站楼温度变化曲线如图2所示。测试期间,7月23日和7月24日为典型夏季工况,在空调运行时间内,人员活动区温度变化范围为24~28℃,略高于设计值25℃。其中位于F2层的值机区域温度整体高于候机区域温度,候机区域温度整体高于F1层迎宾区域温度。在垂直方向上的温度分布如图2(b)所示,7m高度靠近射流送风口,可以发现送风口及以下区域温度基本均匀;送风口以上区域温度不断升高,且在一天之内随室外温度波动。受到太阳辐射的影响,高大空间高处的温度甚至高于室外温度,在7月23日下午甚至高达49℃。其中30m高度出的测点位于马道以上接近天窗的位置,其波动幅度和室外太阳辐射强度密切相关。


    图2 严寒地区某机场T3航站楼温度分布(夏季)

           夏季测试期间T3航站楼人员活动区的含湿量变化曲线如图3所示。测试期间,人员活动区含湿量变化范围为7~12g/kg,均低于设计值13g/kg,且和室外值较为接近,垂直方向上的湿度分布相对均匀。


    图3 严寒地区某机场T3航站楼湿度分布(夏季)

           夏季测试期间T3航站楼人员活动区的CO2浓度变化曲线如图4所示。测试期间,人员活动区CO2浓度变化范围为300~750ppm,均低于规范要求的1000ppm。


    图4 严寒地区某机场T3航站楼CO2分布(夏季)

           (2)渗透风情况

           图5所示为夏季测试期间典型日的渗透风量及室内外压差变化。F1层和F2层大门处均测得室内空气稳定向室外流动,其中F1层在一天之内的渗透风量范围在9.4~14.5万m³/h,F2层在6.8~14.7万m³/h,总渗透风量范围在16.2~27.4万m³/h。此外渗透风量在一天内呈现出先减小后增大的趋势,这个变化规律也与测试得到的室内外压力差△P变化吻合。压力分布体现出典型的夏季热压通风模式:在高大空间底部(F1层和F2层)呈现室内正压状态,室内外压差△P在3~10Pa范围内,室内空气通过开启的外门向室外流动;在高大空间顶部呈现室内负压状态,室内外压差△P在-1Pa左右,室外空气通过天窗或缝隙向室内流动。


    图5 严寒地区某机场T3航站楼渗风测试(夏季)

           2.4 冬季测试结果

           (1)温湿度及CO2测试结果

           冬季测试期间T3航站楼温度变化曲线如图6所示。测试期间,室外温度为-10~3℃,人员活动区温度变化集中在20~29℃。其中,位于F2层的温度整体高于F1层的温度;垂直方向上的温度分布相对均匀,变化范围为25~27℃。


    图6 严寒地区某机场T3航站楼温度分布(冬季)

           冬季测试期间 T3航站楼人员活动区的含湿量变化曲线如图7所示,人员活动区的大部分区域含湿量变化范围为3~6g/kg,在设计值5g/kg附近波动。垂直方向上的湿度分布相对均匀,仅在1m处受人员散湿影响略高于其他区域。


    图7 严寒地区某机场T3航站楼湿度分布(冬季)

           冬季测试期间T3航站楼人员活动区的CO2浓度变化曲线如图8所示。测试期间,人员活动区CO2浓度变化范围为400~800ppm,均低于规范要求的1000ppm。


    图8 严寒地区某机场T3航站楼CO2分布(冬季)

           (2)渗透风情况

           图9所示为冬季测试期间典型日的渗透风量及室内外压差变化。F1层大门处测得空气稳定向室内流动,F2层大门处测得空气稳定向室外流动,其中F1层在一天之内的渗透风量在1.6~2.4万m3/h,F2层在1.1~1.5万m3/h。由于航站楼在冬季运行时,各外门加装了棉风帘,因此渗透风量显著小于夏季。此外渗透风量在一天内呈现出先减小后增大的趋势,这个变化规律也与测试得到的室内外压力差变化吻合。压力分布具有典型的冬季热压通风特征:在高大空间底部(F1层)呈现室内负压状态,室内外压差△P在-5Pa左右,室外空气通过开启的外门向室内流动;在高大空间的顶部呈现室内正压状态,室内空气通过天窗或缝隙向室外流动。由于严寒地区建筑的密封性良好,因此顶部的渗透风情况不明显,使得热压差梯度变化更大,室内外压差△P达45Pa,零压面更低,出现在了建筑5m高度处,故而F2也呈现室内正压状态,室内外压差△P在5Pa左右,室内空气通过开启的外门向室外流动。


    图9 严寒地区某机场T3航站楼渗风测试(冬季)

    3 结果分析

           室内外CO2浓度差值能够很好的反映建筑的新风供给情况,建筑的新风供给来自于机械新风以及与外界连通的出入口处的渗透风。在室内CO2散发源强度较低(人员较少)或建筑存在大量新风供应(机械新风+渗透风)时,建筑室内的CO2浓度则会趋近于室外CO2浓度。从表1和图4可以看到:航站楼夏季室内CO2浓度的最低值为与室外浓度基本一致,航站楼室内的CO2浓度日波动规律类似,日最低值出现在夜间航班数量较少,室内人员稀疏时CO2浓度与室外CO2浓度基本一致。对于冬季而言,航站楼室内CO2浓度的日最低值同样出现在航班数量较少,室内人员稀疏的夜间,而此时室内的CO2浓度则在400ppm以上,明显高于室外的CO2浓度,航站楼内的新风供给量(机械新风+渗透风)较少,在图9冬季出入口渗风情况的测试结果中也表明冬季航站楼的渗风量较小,航站楼的密封性良好。

    表1 航站楼CO2浓度测试结果

           出入口处的渗风由风压和热压共同驱动,图10为夏季及冬季测试期间典型时刻的室内外压差及渗风量测试结果,可以看出,夏季航站楼一二层室内均为正压,因此各出入口均为往外出风;在冬季运行时,航站楼为减少渗透风影响,对各出入口加装了防风棉帘,测试期间,一层室内为负压,二层为正压,此时一层各出入口往里进风,二层各出入口往外出风,冬季的渗风量明显小于夏季渗风量。


    图10 严寒地区某机场T3航站楼渗风测试结果

           将结果与文献中测得的我国其他地区航站楼冬季的渗风数据进行比较,可以看到,该地室内外温差较大,驱动力较强,而该航站楼通过加装防风门帘的方式使得渗风量大幅减小。

    表2 各航站楼冬季渗风情况对比

    4 总  结

           本文对严寒地区某机场航站楼不同季节的热环境进行了实测研究,得到的主要结论如下:

           (1)从航站楼温湿度及CO2的测试结果来看:夏季测试期间,航站楼人员活动区温度集中在24~28℃,湿度集中在7~12g/kg,CO2浓度集中在300~750ppm;冬季测试期间,航站楼人员活动区温度集中在25~27℃,湿度集中在3~6g/kg,CO2浓度集中在400~800ppm;

           (2)从各季节的渗透风量来看,航站楼的夏季渗风量较大,测试期间的渗风量在16~27万m3/h间,而对于冬季,由于加装了防风棉帘,渗风量显著减少,仅有1~2万m3/h,防风棉帘对于减小高大空间渗风的作用显著;

           (3)从不同机场的情况对比来看,在冬季室内外温差大驱动力强的情况下,该严寒地区航站楼的渗风量远小于其他地区航站楼,建筑的气密性较好。

    致  谢:

           本研究受国家重点研发计划项目课题(2018YFC0705001)资助,特此致谢。

    参考文献

           [1] Balaras CA, Dascalaki E, Gaglia A, Droutsa K. Energy conservation potential, HVAC installations and operational issues in Hellenic airports. Energy Build 2003; 35: 1105-1120.
           [2] Zhao HT. A field study on energy consumption and indoor environment quality of terminals in China. Master Thesis, Tsinghua University, Beijing, 2015.
           [3] 林琳, 刘效辰, 张涛,刘晓华. 机场航站楼等高大空间建筑不同季节渗风特性研究[J]. 建筑环境与能源, 2018(10):139-143.
           [4] 翁建涛,赵康,章鸿.航站楼高大空间冬季室内热环境实测分析[J].暖通空调,2018,48(01):72-77.
           [5] 吴明洋,刘晓华,赵康,张伦,周敏.西安咸阳国际机场T2和T3航站楼高大空间室内环境测试[J].暖通空调,2014,44(05):135-139+96.
           [6] 王崇杰,弭羽高,尹红梅.寒冷地区机场室内热环境优化研究[J].建筑节能,2018,46(10):55-58.
           [7] Xiaochen Liu,Lin Lin,Xiaohua Liu,Tao Zhang,Xiangyang Rong,Ling Yang,Dizhan Xiong. Evaluation of air infiltration in a hub airport terminal: On-site measurement and numerical simulation[J]. Building and Environment,2018,143.
           [8] Kang Zhao,Jiantao Weng,Jian Ge. On-site measured indoor thermal environment in large spaces of airports during winter[J]. Building and Environment,2020,167.

           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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