北京機(jī)場航站樓空調(diào)負(fù)荷特性分析

1、北京機(jī)場航站樓空調(diào)負(fù)荷特性分析北京市建筑設(shè)計研究院夏令操、黃季宜概要：本文以機(jī)場航站樓，這一獨(dú)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(yùn)用 DeST建筑模擬軟件，通過全年逐時空調(diào)負(fù)荷的模擬分析計算，分析了建筑遮擋對圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷的影響，玻璃幕墻熱工性能以及全年空調(diào)負(fù)荷影響因數(shù)，為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和空調(diào)方案選擇提供更全面、準(zhǔn)確的設(shè)計依據(jù)。關(guān)鍵詞：航站樓、建筑模擬軟件、冷熱負(fù)荷1. 航站樓建筑特點(diǎn)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(jié)構(gòu)均較復(fù)雜。 從建筑熱 工分析角度而言，航站樓具有以下特點(diǎn)：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(diǎn)，給暖通設(shè)計工作帶來的最大困難之一是無法運(yùn)用傳統(tǒng)的負(fù)荷計算方法進(jìn)行空 調(diào)負(fù)荷計算。原因有兩個：第一，傳統(tǒng)的負(fù)荷計算方法較難算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(dǎo)致計算結(jié)果明顯偏大。第二，航站樓中大量高大空間的負(fù)荷計算對于傳統(tǒng)負(fù)荷計算方法來說是一個十分棘手的問題。因此， 為了適應(yīng)日漸復(fù)雜的建筑設(shè)計方案，通過全年逐時空調(diào)負(fù)荷的

3、模擬分析計算，為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和 空調(diào)系統(tǒng)方案選擇提供更全面、準(zhǔn)確的設(shè)計依據(jù)，運(yùn)用DeST建筑模擬軟件是必要的234。2. 航站樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)與室內(nèi)設(shè)計參數(shù)的設(shè)定建筑模型建立完成后需要設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu) 類型及熱工參數(shù)、房間功能、室內(nèi)設(shè)計參數(shù)、室內(nèi)熱擾參數(shù)、全年內(nèi)擾及空調(diào)系統(tǒng)作息模式等。圍護(hù) 結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)見表1 ,室內(nèi)設(shè)計參數(shù)見表 2。表1.圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shè)計參數(shù)序號房間類型夏季設(shè)定 溫度冬季

4、設(shè)定 溫度相對濕度人員密度人均新 風(fēng)量燈光設(shè)備(C)(C)(%)m2/perm 3/h/perW/m2W/m21辦票大廳262035-606302082候機(jī)室262035-606302083到達(dá)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(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷的影響分析航站樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷熱負(fù)荷的計算結(jié)果見表3,建

5、筑遮擋對圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)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(hù)結(jié)構(gòu)最大冷負(fù)荷將增大25%而熱負(fù)荷則下降 4%生右，表明建筑遮擋對冷負(fù)荷極大值的影響比熱負(fù)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(fù)荷極大值一般出現(xiàn)在清晨或夜間，建筑遮陽對熱負(fù)荷極大 值的影響不明顯。有必要對考慮遮陽前后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)全年累計冷熱負(fù)荷進(jìn)行比較。從圖6可以看出，考慮遮陽后，全年累計冷負(fù)荷減少了 4142MW.I1但同時全年累計熱負(fù)荷增加了3856MW.fi)全年累計熱負(fù)荷增加的比例達(dá)到49%遠(yuǎn)高于熱負(fù)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(fù)荷 的影響還是較大的，因此全年累計熱負(fù)荷數(shù)值增長也較多。航站樓的屋面挑檐設(shè)計以及建筑自身的互相遮擋雖然大大降低了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷極大值及全年 累計值，但同時也導(dǎo)致全年累計熱負(fù)荷明顯增加，由此可見建筑挑檐及自身遮擋對圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷熱負(fù)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(hù)結(jié)構(gòu)冷熱負(fù)荷極值及出現(xiàn)時刻負(fù)荷空調(diào)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(fù)荷296173551818.68月4日1431.321.285.9熱負(fù)荷800127.01月19日7-14.20.4-13.4圖5.遮陽對圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷熱負(fù)荷的影響圖6.遮陽對圍護(hù)結(jié)構(gòu)

7、全年累計冷熱負(fù)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(hù) 結(jié)構(gòu)的冷熱負(fù)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(hù)結(jié)構(gòu)冷熱負(fù)荷的影響，分別設(shè)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(fù)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(fù)荷的影響，見表4。本次設(shè)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(fù)荷的比較。從圖 7可以看出, 冷負(fù)荷隨著SC的增加幾乎是線性增加的，熱負(fù)荷則隨著 SC的增加而遞減，但冷負(fù)荷對 SC的敏感度比 熱負(fù)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(fù)荷的比較。此處沒有 選擇比設(shè)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(dāng)幕墻的綜合 K值為1

9、.90 W/m 2. C時，其對應(yīng)玻璃的傳熱系數(shù)一般不應(yīng)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(shè)計工況大。從圖8可以看出，熱負(fù)荷隨著K值的增大幾乎是線性增加的，冷負(fù)荷雖然隨著K值的增大略有增加，但增加幅度遠(yuǎn)小于熱負(fù)荷。圖7.不同SC值工況下的冷熱負(fù)荷比較圖8.不同K值工況下的冷熱負(fù)荷比較從以上兩組工況的計算結(jié)果可以看出，玻璃幕墻的遮陽系數(shù) SC對圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷的影響遠(yuǎn)大于其對熱負(fù)荷的影響，而幕墻的傳熱系數(shù)K對圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷的影響則遠(yuǎn)大于其對冷負(fù)荷的影響，由此可以得出結(jié)論，要減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷，應(yīng)首先選擇減小幕墻的遮陽系數(shù)，而要減

10、小圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷， 則應(yīng)首先選擇減小幕墻的傳熱系數(shù)。5. 全年空調(diào)負(fù)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(dǎo)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(fù)荷如表5, 6所示。其中表5是不含新風(fēng)負(fù)荷時全樓冷熱負(fù)荷的最大值及出現(xiàn)時刻，并給出了該時刻對應(yīng)的室外氣象參數(shù)。表6則包含了新風(fēng)負(fù)荷。表5.航站樓空調(diào)冷熱負(fù)荷（不含新風(fēng)）負(fù)荷（不含新風(fēng)）空調(diào)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(fù)荷2961731589353.751758月4日1532.222.28

11、9.4熱負(fù)荷26819.14391月19日7-14.20.4-13.4表6.航站樓空調(diào)冷熱負(fù)荷（含新風(fēng)）負(fù)荷（含新風(fēng)）空調(diào)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(fù)荷29617344129149.051288月2日1634.625.6100.5熱負(fù)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(fēng)前后，除了負(fù)荷值本身變化外，冷負(fù)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(fēng)負(fù)荷后，全樓負(fù)荷的數(shù)值大小與室外空氣粉值緊密相關(guān)，冷負(fù)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(fù)荷

12、出現(xiàn)時刻對應(yīng)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(fù)荷按圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、室內(nèi)負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷進(jìn)行分類，可以得到表7,8的結(jié)果。需要特別說明的是，由于 DeST在進(jìn)行負(fù)荷計算時，冬季熱負(fù)荷與加濕負(fù)荷是分別計算的，因此表 8中 的冬季室內(nèi)熱負(fù)荷及新風(fēng)熱負(fù)荷均指顯熱負(fù)荷。表7.航站樓空調(diào)冷負(fù)荷分類冷負(fù)荷分類負(fù)荷值負(fù)荷值比例kW2W/m圍護(hù)負(fù)荷491416.6 11.1% n室內(nèi)負(fù)荷1534751.834.8%新風(fēng)負(fù)荷P 2386880.654.1%總負(fù)荷44129149.0100%表8.航站樓空調(diào)熱負(fù)荷分類熱負(fù)何分類負(fù)荷值負(fù)荷值比例kW2W

13、/m2圍護(hù)負(fù)荷800127.0 一28.5% n室內(nèi)負(fù)荷-8977-30.3-新風(fēng)負(fù)荷2004167.771.5%總負(fù)荷1906564.4-54%超過了圍護(hù)結(jié)構(gòu)71%比一般的估算指從表乙8可以看出，在冷負(fù)荷構(gòu)成中，新風(fēng)冷負(fù)荷占總負(fù)荷的百分比達(dá)到 和室內(nèi)發(fā)熱形成的冷負(fù)荷之和，而在熱負(fù)荷組成中，新風(fēng)熱負(fù)荷的比例更是高達(dá)標(biāo)（新風(fēng)熱負(fù)何占總熱負(fù)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(diào)面積的一半以上，并且內(nèi)區(qū)房間的新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)較高（內(nèi)區(qū)辦公房間新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)：50mi/h.人，5希/人），導(dǎo)致航站樓的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷面積指標(biāo)相對較小，新風(fēng)熱負(fù)荷面積指標(biāo)則相對較高，因此新風(fēng)熱負(fù)荷占總負(fù)荷 的比

14、例比一般估算指標(biāo)高很多。綜上所述，新風(fēng)負(fù)荷是航站樓空調(diào)能耗的最大組成部分，要想減小航 站樓的全年空調(diào)能耗，應(yīng)首先采用減小新風(fēng)負(fù)荷的節(jié)能措施。航站樓全年逐時冷熱負(fù)荷（含新風(fēng)負(fù)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(fù)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(fù)荷分布圖，可以看出全樓冷負(fù)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(fù)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(jī)組容量時，應(yīng)設(shè)置 一臺1000kW的冷機(jī)，以適應(yīng)低負(fù)荷時的供冷要求。50000400003000020000100000時刻（h）5000=00 1000100010000100002000020000350003500045000冷負(fù)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(fù)荷圖10.航站樓全樓冷負(fù)何分布

16、圖20000荷負(fù)熱總0150001000050000100020003000400050006000700080009000=0。1000100卜5000500卜 10000100041500015004 20000熱負(fù)荷范圍（kW）時刻(h)圖11.航站樓全樓逐時熱負(fù)荷圖12.航站樓全樓熱負(fù)何分布圖6. 結(jié)論使用建筑模擬分析軟件 DeST對航站樓進(jìn)行了空調(diào)負(fù)荷的全年逐時模擬分析。通過對計算結(jié)果的分 析，得出以下結(jié)論：1）對于航站樓這類外部造型及室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)均比較復(fù)雜的建筑，使用傳統(tǒng)的負(fù)荷計算方法無法獲得較準(zhǔn)確的負(fù)荷計算結(jié)果，采用建筑模擬分析軟件進(jìn)行動態(tài)負(fù)荷計算及系統(tǒng)分析，對于航站樓這類相對 復(fù)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(hù) 結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷有顯著作用，同時不會導(dǎo)致冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷的明顯增加。3）對于航站樓這類幾乎全幕墻結(jié)構(gòu)的建筑，玻璃幕墻的熱工參數(shù)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷熱負(fù)荷影響十分顯著，其中玻璃幕墻的遮陽系數(shù)SC對圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷的影響遠(yuǎn)大于其對熱