北京機場航站樓空調負荷特性分析

1、北京機場航站樓空調負荷特性分析北京市建筑設計研究院夏令操、黃季宜概要：本文以機場航站樓，這一獨特的具有流線型整體屋面、巨大挑檐、建筑自身遮擋顯著、高度起伏變化的玻璃幕墻、大面積的內(nèi)區(qū)房間等的建筑為研究對象。運用 DeST建筑模擬軟件，通過全年逐時空調負荷的模擬分析計算，分析了建筑遮擋對圍護結構負荷的影響，玻璃幕墻熱工性能以及全年空調負荷影響因數(shù)，為建筑圍護結構優(yōu)化和空調方案選擇提供更全面、準確的設計依據(jù)。關鍵詞：航站樓、建筑模擬軟件、冷熱負荷1. 航站樓建筑特點從航站樓的平面示意圖 1及剖面圖2-4可以看出，外部造型及室內(nèi)空間結構均較復雜。 從建筑熱 工分析角度而言，航站樓具有以下特點：流線型

2、整體屋面，巨大挑檐；建筑自身遮擋顯著；高度起伏變化 的玻璃幕墻；垂直連通的高大空間；大面積的內(nèi)區(qū)房間和有規(guī)律排布的巨大天窗 。圖2. N-N剖面圖3. E-E剖面圖4. L-L剖面（局部）航站樓的上述特點，給暖通設計工作帶來的最大困難之一是無法運用傳統(tǒng)的負荷計算方法進行空 調負荷計算。原因有兩個：第一，傳統(tǒng)的負荷計算方法較難算出圍護結構外表面受遮擋后的陰影面積， 而航站樓這類建筑挑檐面積很大，自身遮擋十分明顯，忽略這部分影響則可能導致計算結果明顯偏大。第二，航站樓中大量高大空間的負荷計算對于傳統(tǒng)負荷計算方法來說是一個十分棘手的問題。因此， 為了適應日漸復雜的建筑設計方案，通過全年逐時空調負荷的

3、模擬分析計算，為建筑圍護結構優(yōu)化和 空調系統(tǒng)方案選擇提供更全面、準確的設計依據(jù)，運用DeST建筑模擬軟件是必要的234。2. 航站樓圍護結構與室內(nèi)設計參數(shù)的設定建筑模型建立完成后需要設定建筑的具體計算參數(shù)，其中包括定義建筑物的地理位置、圍護結構 類型及熱工參數(shù)、房間功能、室內(nèi)設計參數(shù)、室內(nèi)熱擾參數(shù)、全年內(nèi)擾及空調系統(tǒng)作息模式等。圍護 結構熱工參數(shù)見表1 ,室內(nèi)設計參數(shù)見表 2。表1.圍護結構熱工參數(shù)圍護結構類型傳熱系數(shù)W/m2 C遮陽系數(shù)SC外墻0.80-玻璃帛墻1.900.60屋向0.60-天窗1.900.60挑空樓板0.60-內(nèi)隔墻1.50-表2.室內(nèi)設計參數(shù)序號房間類型夏季設定 溫度冬季

4、設定 溫度相對濕度人員密度人均新 風量燈光設備(C)(C)(%)m2/perm 3/h/perW/m2W/m21辦票大廳262035-606302082候機室262035-606302083到達區(qū)262035-606301254VIP休息室242235-6030502085高級辦公室262035-6055020206普通辦公室262035-6053020207零售商店262035-60530120108西餐廳262035-602204009中餐廳262035-6022040010走廊262035-6020201203. 建筑遮擋對圍護結構負荷的影響分析航站樓圍護結構冷熱負荷的計算結果見表3,建

5、筑遮擋對圍護結構負荷的影響分析見圖5。從圖5可以看出，如果不考慮建筑遮擋的遮陽效果，圍護結構最大冷負荷將增大25%而熱負荷則下降 4%生右，表明建筑遮擋對冷負荷極大值的影響比熱負荷大，這是因為冬季太陽高度角較低，建筑物挑檐對 太陽光線的遮擋效果減弱，此外，由于熱負荷極大值一般出現(xiàn)在清晨或夜間，建筑遮陽對熱負荷極大 值的影響不明顯。有必要對考慮遮陽前后的圍護結構全年累計冷熱負荷進行比較。從圖6可以看出，考慮遮陽后，全年累計冷負荷減少了 4142MW.I1但同時全年累計熱負荷增加了3856MW.fi)全年累計熱負荷增加的比例達到49%遠高于熱負荷極大值的增加比例，這是因為在白天有太陽輻射的時刻，建

6、筑遮陽對熱負荷 的影響還是較大的，因此全年累計熱負荷數(shù)值增長也較多。航站樓的屋面挑檐設計以及建筑自身的互相遮擋雖然大大降低了圍護結構的冷負荷極大值及全年 累計值，但同時也導致全年累計熱負荷明顯增加，由此可見建筑挑檐及自身遮擋對圍護結構冷熱負荷 的影響是兩面的，不同朝向的遮陽作用也不盡相同。表3.圍護結構冷熱負荷極值及出現(xiàn)時刻負荷空調總面積取大值取大值日期時刻溫度含濕量粉2 mkW2W/m2hrCg/KgkJ/kg冷負荷296173551818.68月4日1431.321.285.9熱負荷800127.01月19日7-14.20.4-13.4圖5.遮陽對圍護結構冷熱負荷的影響圖6.遮陽對圍護結構

7、全年累計冷熱負荷的影響4. 玻璃幕墻熱工性能分析航站樓的外墻除首層外，大部分采用玻璃幕墻，如圖 2-4所示，因此玻璃幕墻的熱工性能對圍護 結構的冷熱負荷影響最大。對玻璃幕墻而言，傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)是影響其熱工性能的主要參數(shù)。為 了分析幕墻傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)對圍護結構冷熱負荷的影響，分別設計了以下兩組工況：第一組工況 用于分析遮陽系數(shù) SC對冷熱負荷的影響，第二組工況用于分析傳熱系數(shù)K (W/rn. C)對冷熱負荷的影響，見表4。本次設計玻璃幕墻采用了夾層 /鋼化中空Low-E玻璃，其傳熱系數(shù) K為1.90W/m2. C,玻璃 的遮陽系數(shù)SC為0.60。表4.玻璃幕墻熱工性能分析計算工況列表第一

8、組工況第二組工況K (W/m2. C)SCSCK (W/m2 C)1.900.400.601.90圖7給出了 SC為0.40 , 0.50 , 0.60 , 0.70 , 0.80五種工況下冷熱負荷的比較。從圖 7可以看出, 冷負荷隨著SC的增加幾乎是線性增加的，熱負荷則隨著 SC的增加而遞減，但冷負荷對 SC的敏感度比 熱負荷大很多。圖8給出了 K值為1.90 , 2.30 , 2.70 , 3.10 , 3.50W/m2. C五種工況下冷熱負荷的比較。此處沒有 選擇比設計工況更小的傳熱系數(shù)，是因為幕墻的K值是玻璃和連接件的綜合值，由于幕墻連接件的傳熱系數(shù)一般比玻璃大，當幕墻的綜合 K值為1

9、.90 W/m 2. C時，其對應玻璃的傳熱系數(shù)一般不應大于 1.60W/m2. C，該數(shù)值已經(jīng)是常用玻璃傳熱系數(shù)的低限。因此在K值比較中，其它工況的 K值都比設計工況大。從圖8可以看出，熱負荷隨著K值的增大幾乎是線性增加的，冷負荷雖然隨著K值的增大略有增加，但增加幅度遠小于熱負荷。圖7.不同SC值工況下的冷熱負荷比較圖8.不同K值工況下的冷熱負荷比較從以上兩組工況的計算結果可以看出，玻璃幕墻的遮陽系數(shù) SC對圍護結構冷負荷的影響遠大于其對熱負荷的影響，而幕墻的傳熱系數(shù)K對圍護結構熱負荷的影響則遠大于其對冷負荷的影響，由此可以得出結論，要減小圍護結構冷負荷，應首先選擇減小幕墻的遮陽系數(shù)，而要減

10、小圍護結構熱負荷， 則應首先選擇減小幕墻的傳熱系數(shù)。5. 全年空調負荷分析房間內(nèi)擾是影響房間熱環(huán)境的另一重要因素，尤其是室內(nèi)發(fā)熱量較大的房間，內(nèi)擾對室內(nèi)熱環(huán)境 的影響更是占到了主導地位。根據(jù)航站樓的室內(nèi)參數(shù)、內(nèi)擾及作息模式等，計算得到全年冷熱負荷如表5, 6所示。其中表5是不含新風負荷時全樓冷熱負荷的最大值及出現(xiàn)時刻，并給出了該時刻對應的室外氣象參數(shù)。表6則包含了新風負荷。表5.航站樓空調冷熱負荷（不含新風）負荷（不含新風）空調總面積最大值最大值全年最大時刻日期時刻溫度含濕量2 mkWW/m2hrhrCg/KgkJ/kg冷負荷2961731589353.751758月4日1532.222.28

11、9.4熱負荷26819.14391月19日7-14.20.4-13.4表6.航站樓空調冷熱負荷（含新風）負荷（含新風）空調總 面積最大值最大值全年最大 時刻日期時刻溫度含濕量2 mkWW/m2hrhrCg/KgkJ/kg冷負荷29617344129149.051288月2日1634.625.6100.5熱負荷1906564.44391月19日7-14.20.4-13.4對比表5,6可以看出，考慮新風前后，除了負荷值本身變化外，冷負荷最大值的出現(xiàn)日期及時刻 也發(fā)生了變化。這是因為考慮新風負荷后，全樓負荷的數(shù)值大小與室外空氣粉值緊密相關，冷負荷最 大值一般出現(xiàn)在外氣粉值較高的時刻。表6中最大冷負荷

12、出現(xiàn)時刻對應的外氣粉值為100.5kJ/kg,已經(jīng)非常接近全年的最高粉值：110.1 kJ/kg 。將表6中的冷熱負荷按圍護結構負荷、室內(nèi)負荷、新風負荷進行分類，可以得到表7,8的結果。需要特別說明的是，由于 DeST在進行負荷計算時，冬季熱負荷與加濕負荷是分別計算的，因此表 8中 的冬季室內(nèi)熱負荷及新風熱負荷均指顯熱負荷。表7.航站樓空調冷負荷分類冷負荷分類負荷值負荷值比例kW2W/m圍護負荷491416.6 11.1% n室內(nèi)負荷1534751.834.8%新風負荷P 2386880.654.1%總負荷44129149.0100%表8.航站樓空調熱負荷分類熱負何分類負荷值負荷值比例kW2W

13、/m2圍護負荷800127.0 一28.5% n室內(nèi)負荷-8977-30.3-新風負荷2004167.771.5%總負荷1906564.4-54%超過了圍護結構71%比一般的估算指從表乙8可以看出，在冷負荷構成中，新風冷負荷占總負荷的百分比達到 和室內(nèi)發(fā)熱形成的冷負荷之和，而在熱負荷組成中，新風熱負荷的比例更是高達標（新風熱負何占總熱負何的1/3左右）大很多，這是因為航站樓的內(nèi)區(qū)面積很大，占全樓空調面積的一半以上，并且內(nèi)區(qū)房間的新風標準較高（內(nèi)區(qū)辦公房間新風標準：50mi/h.人，5希/人），導致航站樓的圍護結構熱負荷面積指標相對較小，新風熱負荷面積指標則相對較高，因此新風熱負荷占總負荷 的比

14、例比一般估算指標高很多。綜上所述，新風負荷是航站樓空調能耗的最大組成部分，要想減小航 站樓的全年空調能耗，應首先采用減小新風負荷的節(jié)能措施。航站樓全年逐時冷熱負荷（含新風負荷）及分布如圖9-12所示。從圖9,11可以看出，航站樓出現(xiàn) 冷熱負荷同時存在的情況，經(jīng)統(tǒng)計，冷熱同供的時間為 2985小時，占全年時間的34%主要集中在13月及11、12月。這是因為T3A航站樓內(nèi)有大量的內(nèi)區(qū)房間，這類房間基本上全年均需供冷，因此在采 暖季節(jié)，就會出現(xiàn)外區(qū)房間需要供熱，內(nèi)區(qū)房間仍需供冷的情形。從圖10的冷負荷分布圖，可以看出全樓冷負荷大于35000kW的小時數(shù)只有40小時，因此在確定冷源容量時可以不考慮這

15、40小時，而以35000kW作為冷源的最大容量。此外，圖 10還顯示，全樓冷 負荷小于1000kW的時間為3754小時，占全年時間的 42.9%,因此在確定冷源最小機組容量時，應設置 一臺1000kW的冷機，以適應低負荷時的供冷要求。50000400003000020000100000時刻（h）5000=00 1000100010000100002000020000350003500045000冷負荷范圍(kW)'0Q'0Q'0Q'0Q OOOOOOOO 50505050 44332211&數(shù)時小現(xiàn)出圖9.航站樓全樓逐時冷負荷圖10.航站樓全樓冷負何分布

16、圖20000荷負熱總0150001000050000100020003000400050006000700080009000=0。1000100卜5000500卜 10000100041500015004 20000熱負荷范圍（kW）時刻(h)圖11.航站樓全樓逐時熱負荷圖12.航站樓全樓熱負何分布圖6. 結論使用建筑模擬分析軟件 DeST對航站樓進行了空調負荷的全年逐時模擬分析。通過對計算結果的分 析，得出以下結論：1）對于航站樓這類外部造型及室內(nèi)空間結構均比較復雜的建筑，使用傳統(tǒng)的負荷計算方法無法獲得較準確的負荷計算結果，采用建筑模擬分析軟件進行動態(tài)負荷計算及系統(tǒng)分析，對于航站樓這類相對 復雜的建筑來說是十分必要的。2）航站樓大面積的建筑挑檐及自身互遮擋，可以大大減少玻璃幕墻的太陽輻射得熱，對于減少圍護 結構冷負荷有顯著作用，同時不會導致冬季圍護結構熱負荷的明顯增加。3）對于航站樓這類幾乎全幕墻結構的建筑，玻璃幕墻的熱工參數(shù)對圍護結構的冷熱負荷影響十分顯著，其中玻璃幕墻的遮陽系數(shù)SC對圍護結構冷負荷的影響遠大于其對熱