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          1. China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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            機場航站樓冬季滲透風現狀與供暖節能潛力分析

            • 作者:
            • 中國暖通空調網
            • 發布時間:
            • 2021-07-19

            清華大學  劉效辰  張濤  劉曉華  林琳  李凌杉

                   【摘  要】本文通過實地測試對比分析了我國不同氣候區7座機場航站樓的冬季滲透風現狀。測試發現,航站樓的機械新風系統幾乎處于關閉狀態,滲透風量在2.5~69.8萬m3/h(換氣次數0.06~0.56 h-1)。嚴重的滲透風使得室內CO2濃度維持在較低水平(平均478~654 ppm),滲透風散熱量和空調供熱量的比值為23%~92%?;跍y試結果,本文利用簡化計算模型討論不同減小滲透風方法的供暖節能潛力。減小底部開口、減小頂部開口和使用輻射地板分別能夠實現年供熱量比基準降低32%、68%和54%。本文研究結果將對我國機場航站樓的節能設計和運行提供有益參考。

                   【關鍵詞】機場航站樓,供暖,滲透風,實地測試,節能

                   【基金項目】國家重點研發計劃項目課題(2018YFC0705001),國家自然科學基金面上項目(51878369)

            1 引言

                   機場航站樓是重要的城市基礎設施,對我國的城鎮化建設具有極其重要的戰略意義。隨著民航業的發展,我國正處于機場航站樓的高速建設階段。2019年我國境內的民用航空運輸機場共計238個[1];依照規劃布局,其數量將在2030年達到400座[2]。由于機場航站樓建筑規模巨大同時擁有復雜的能源系統,許多研究指出其能耗強度高于一般公共建筑[3,4]。其中,暖通空調系統通常在航站樓運行能耗中占有最大比例,約為40%~80%[5,6]。在我國不同的氣候區中,嚴寒及寒冷地區的機場航站樓通常具有最高的能耗強度,其主要原因在于冬季供暖系統的長時間使用[7]。因此在當前機場航站樓高速建設的背景下,亟需開展研究揭示其冬季供暖能耗的關鍵影響因素,并提出能夠有效降低能耗的方法。

                   機場航站樓多為高大空間建筑,連續的客流使得外門長時間開啟,這樣的建筑特點容易造成嚴重的冬季滲透風[8]。學者們也曾通過實地測試在我國寒冷地區[9]和夏熱冬冷地區[10,11]的機場航站樓中發現了嚴重的冬季滲透風。實測發現冬季滲透風呈現出熱壓驅動力主導的空氣流動特征[10],即室外空氣通過底部開口(各樓層的外門等)流入室內,室內空氣通過頂部開口(天窗、檢修馬道門等)流向室外。熱壓驅動的冬季滲風造成了高大空間室內顯著的熱分層現象,同時滲透風造成的散熱量甚至和供熱量基本相當[10]。機場航站樓這類高大空間建筑冬季滲透風的影響因素可以總結為以下三種:室外天氣因素(溫度,風速等),建筑自身因素(各類建筑開口,高大空間高度等)和暖通空調系統因素(機械新排風,空調末端形式等)[12]。許多之前的研究從以上三種因素的角度出發,提出了一些減小冬季滲透風的方法,如設置外門門斗[13],采用外門空氣幕[11],關閉天窗等頂部開口[14],減小室內機械排風[15],使用輻射地板替代傳統的噴口送風末端等[16]。
            目前對于機場航站樓冬季滲透風的研究往往是針對特定案例的實測或模擬,尚未開展廣泛的實地調研揭示我國機場航站樓冬季滲透風的現狀,且缺乏研究來分析減小滲透風的供暖節能潛力。本文通過實地測試對比分析了我國不同氣候區多座機場航站樓的冬季滲透風現狀,通過實測數據總結滲透風的關鍵影響因素及其通常的取值范圍,利用簡化計算模型討論不同減小滲透風方法的供暖節能潛力,以期為我國機場航站樓的設計和運行提供有益參考。

            2 研究方法

                   2.1 航站樓概況

                   如表1所示,實地測試的建筑為我國5座機場機場航站樓(A~E),另外引用文獻中其他學者實測的2座航站樓(F~G)作為對比。以上航站樓所在的區域覆蓋了我國主要存在冬季供暖需求的氣候區,即嚴寒地區、寒冷地區和夏熱冬冷地區。以上航站樓均為高大空間建筑,值機大廳高度為16~27 m,候機大廳高度為9~16 m。高大空間的空調末端多采用噴口送風,其中A航站樓靠近出入口門的局部區域和D航站樓的主要區域采用輻射地板。

            表1 實地測試的機場航站樓

                   2.2 滲透風實地測試方法

                   本文主要利用風速測試法對航站樓高大空間的滲透風量進行測量。具體而言,排查高大空間中可能造成室內外空氣流動的底部開口(各樓層外門和通道、行李提取轉盤的開口等)與頂部開口(天窗、檢修馬道門等)。測量以上各種開口的斷面尺寸與平均風速,兩者相乘從而計算得到空氣流量。斷面平均風速為每個斷面上均勻布置的6至12個測點所得風速的均值。風速測量的誤差主要來自未發現或難以測量的圍護結構縫隙,因此需要在測量后進行風量平衡校核,從而確認滲透風量計算的準確性。在風速測試法的基礎上,本文采用CO2濃度法、含濕量法和熱量平衡法對測量的滲透風進行對比分析,進一步驗證測試結果的準確性。以上測試方法在作者之前的研究中(即本文中的航站樓E)進行了詳細說明和驗證[10]。

                   2.3 滲透風簡化計算方法

                   總結實地測量中發現的機場航站樓高大空間滲透風特征,本文利用簡化模型來計算滲透風量和供熱量,并進行節能潛力分析。如圖1所示,簡化模型考慮三種常見的航站樓空間形式,即單體空間建筑、二樓層建筑、三樓層建筑。單體空間建筑可以代表支線機場。二樓層建筑代表典型的干線機場或者樞紐機場(如表1中的A、B、C、F和G),其中F2層為出發層,F1層為到達層。三樓層建筑代表綜合樞紐機場(如表1中的D和E),B1層通常為換乘層,同樣和室外環境直接相連。


            圖1 機場航站樓高大空間簡化模型: (a) 單體空間建筑, (b) 二樓層建筑, (c) 三樓層建筑

                   該簡化模型在作者之前的研究中進行了詳細說明[12]。模型計算的基本方程包含了室內溫度分布方程、空氣流量平衡方程、能量平衡方程、滲透風驅動力方程,求解以上方程組可以計算得到滲透風量及供熱量。下文以二樓層建筑為例(如圖1(a))對滲透風的計算進行簡要說明。二樓層建筑內的空氣流量平衡方程如式(1)。

                   G1+G2+Gf=Gr+Gex    (1)

                   式中G1和G2分別為通過F1層和F2層的底部開口流入室內的滲透風流量;Gr為通過頂部開口流向室外的空氣流量;Gex為航站樓內的機械排風量;Gf為航站樓內的機械新風量。

                   通過底部和頂部開口的空氣流量由室內外的熱壓差(Δp)驅動,如式(2)和(3)所示。

                          (2)

                          (3)

                   式中ρ為空氣密度;c和A分別為底部開口的無量綱流量系數和開口面積,下標1和2表示F1層和F2層;cr和Fr分別為頂部開口的無量綱流量系數和整體屋面面積。其中c和cr可以用上式和實測數據計算得到,可用于評價底部和頂部開口的實際情況。

            3 實地測試結果

                   如圖2所示,4座航站樓的室內風量平衡測試結果顯示出顯著的熱壓驅動滲透風現象。室外空氣通過各樓層門滲透進入室內,直接影響了人員活動區域的熱環境;同時由于頂部存在各類開口,導致室內被加熱的空氣直接從頂部流出。此外由于航站樓中存在一定量餐飲和衛生間排風,且機械新風(補風)系統幾乎處于關閉狀態,因此一定程度增加了滲透風量。

                   表1中7座航站樓的滲透風情況匯總如表2。航站樓外門的開啟時間占比高達55%~99%,造成室外空氣從各樓層外門滲透進入室內。以上航站樓的滲透風換氣次數在0.06~0.56 h-1。雖然換氣次數和一般小空間建筑(如住宅、辦公等)的數值類似,但是由于航站樓巨大的建筑體積,實際滲透風量可達到2.5~69.8萬m3/h,甚至超過空調系統可能提供的機械新風量。嚴重的滲透風使得室內CO2濃度維持在較低水平(平均478~654 ppm)。同時滲透風造成了巨大的空調供暖負荷,滲透風散熱量和空調供熱量的比值為23%~92%。由此可見減小滲透風對于降低航站樓供暖能耗具有重大意義。


            圖2 實測機場航站樓室內風量平衡情況: (a) A, (b) C, (c) D, (d) E
            表2 機場航站樓滲透風量實地測試結果

                   使用式(2)和(3)可以通過實測數據計算得到各個航站樓底部開口和頂部開口的無量綱流量系數。該系數體現了空氣流經某通道時的阻力,因此可以用來評價建筑的氣密性。作者對其中4座航站樓的底部開口無量綱流量系數(c)和頂部開口無量綱流量系數(cr)進行了詳細測試,結合文獻中一座單體空間高鐵站的測試[16],以上結果匯總如表3。

            表3 底部和頂部開口無量綱流量系數實地測試結果

                   對于正常使用的外門,底部開口的c值基本在0.25~0.55。D航站樓B1層幾乎無人使用,外門處于關閉狀態,因此c值極小。其中A航站樓的建筑外門安裝有厚重的棉風簾,因此可以顯著降低c值至0.28;其余案例中均為一般推拉門,c值較為類似,平均值為0.45。由此可見,安裝棉風簾能夠有效降低外門的c值,增加空氣流動阻力,從而有效減小滲透量。

                   頂部開口的cr值基本在1×10-5~1×10-3。其中在C航站樓、E航站樓和高鐵站[16]中,作者在建筑頂部都發現了明顯的開口,如開啟的天窗和檢修馬道門等,在此情況下cr值均在10-4量級。而在其余案例中未發現明顯的頂部開口,因此室內空氣基本通過屋面縫隙等較小的開口流出,在此情況下cr值基本小于1×10-4。由此可見,有效密封屋面可以量化為降低屋面的cr值。從可操作性角度出發,可將目標的cr值設置為1×10-4,即關閉明顯的屋面開口。

                   在滲透風的作用下,各種空調末端會造成高大空間內不同的垂直溫度分布,如圖3所示。對于噴口送風,噴口以上的空間溫度均勻;但噴口以下的區域(即設計時認為的空調控制區)通常存在一定程度的溫度梯度,這是底部冷風滲入導致的結果。但在D航站樓中,輻射地板在高大空間底部提供了均勻的熱量,即使有滲透風的影響,室內垂直方向的溫度依舊呈現均勻分布。因此,當目標是控制人員活動區溫度相同時,輻射地板可以使得全空間平均溫度低于噴口送風的情況,因此具有較小的滲透風熱壓驅動力,存在減小滲透風的潛力。


            圖3 值機大廳垂直溫度分布(黃色區域為空調控制區): (a) A, (b) E, (c) C, (d) D

            4 減小滲透風的供暖節能潛力分析

                   基于實測結果,本節將利用簡化模型分析三種減小滲透風方法的供暖節能潛力,即減小底部開口、減小頂部開口和使用輻射地板。減小底部開口的方式為使用A航站樓中的外門棉風簾,具體量化為外門的c值從0.45降至0.25。減小頂部開口的方式為關閉明顯的屋面開口,具體量化為屋面的cr值從1×10-3降至1×10-4。使用輻射地板替換傳統的5m高度噴口送風,可以實現全空間垂直溫度分布均勻。用于分析以上三種減小滲透風方法的計算案例如表4所示。

            表4 分析減小滲透風節能潛力的計算案例

                   為了計算圖1中三類典型航站樓的年供熱量,本文選取烏魯木齊、北京和上海三座城市的全年室外氣象參數進行計算,其分別代表嚴寒地區、寒冷地區和夏熱冬冷地區。計算中保證各個案例中人員活動區域的熱舒適狀態相同。年供熱量的計算結果如圖4所示,減小底部開口、減小頂部開口和使用輻射地板分別能夠實現年供熱量比基準平均降低32%、68%和54%。因此,以上三種方法均能夠有效控制滲透風造成的負荷,從而顯著降低供熱能耗。


            圖4 減小滲透風的供暖節能潛力分析: (a) 單體空間建筑, (b) 二樓層建筑, (c) 三樓層建筑

            5 總結

                   本文通過實地測試對比分析了我國不同氣候區7座機場航站樓的冬季滲透風現狀,并利用簡化計算模型討論不同降低滲透風方法的供暖節能潛力,得到的主要結論如下:

                   (1)實測發現,航站樓的機械新風系統幾乎處于關閉狀態,外門的開啟時間占比高達55%~99%,造成室外空氣從各樓層外門滲透進入室內,滲透風量在2.5~69.8萬m3/h(換氣次數0.06~0.56 h-1)。嚴重的滲透風使得室內CO2濃度維持在較低水平(平均478~654 ppm),滲透風散熱量和空調供熱量的比值為23%~92%。

                   (2)量化分析底部開口、頂部開口和空調末端對于滲透風的影響。底部開口用無量綱流量系數c來描述(一般在0.25~0.55),對外門安裝棉風簾可將c從0.45降低至0.28。頂部開口用無量綱流量系數cr來描述(一般在1×10-5~1×10-3),關閉明顯的屋面開口可將cr降低至1×10-4以下。使用輻射地板替換傳統的噴口送風,可實現全空間垂直溫度分布均勻。

                   (3)在嚴寒、寒冷和夏熱冬冷三個氣候區條件下計算典型航站樓的年供熱量。發現減小底部開口、減小頂部開口和使用輻射地板分別能夠實現年供熱量比基準降低32%、68%和54%。因此,以上三種方法可以考慮在新建航站樓設計或既有航站樓運行中使用,從而實現有效降低機場航站樓的供暖能耗。

            致謝:

                   本研究受國家重點研發計劃項目課題(2018YFC0705001)和國家自然科學基金面上項目(51878369)資助,特此致謝。

            參考文獻

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                   備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊 總第37期(第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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