摘要
机场航站楼作为重要的交通枢纽，具有建筑体量大、功能复杂、室内环境营造要求高等关键特点，对空调系统优化设计与节能减排工作提出了挑战。对于新建机场航站楼，在设计阶段开展冷负荷的精确计算是实现空调系统优化设计与高效运行的关键。本文以我国夏热冬暖地区新建枢纽机场航站楼为例，从设计值选定、负荷计算方法、降低空调冷负荷关键环节等方面开展了深入研究和案例分析，以期对同类型交通枢纽建筑空调系统优化设计提供参考，推动交通枢纽建筑节能减排工作。
关键词
机场航站楼；空调系统；设计值；负荷计算；节能优化
作者
叶翠1李哲青2温嘉权2邓杰文3 廖展浩4 马明辉4
（1.广东省机场管理集团有限公司工程建设指挥部；2.广州白云国际机场股份有限公司；3.清华大学；4.广州蓝际节能科技发展有限公司）
引言
机场航站楼具有功能复杂、建筑空间大、透明幕墙比例高、运行时客流集中且变化大等特点，使其运行能耗强度远高于常规公共建筑。据统计，我国机场航站楼平均电耗约为177 kW·h/（m2·a），几乎达到GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》对于商业办公楼能耗限值的2倍。而其中，供暖空调系统的能耗占到机场建筑运行能耗的40%~70%，成为了节能减排与绿色发展的重点研究内容。
实现机场航站楼空调系统节能设计与高效运行的关键在于准确计算空调冷热负荷，特别是全年逐时冷热负荷。在设计阶段需要充分考虑实际运行需求，避免设计余量过大、系统选型不合理等问题造成初投资的增加，同时也影响系统实际运行性能，导致系统能耗增加。
机场航站楼因其建筑结构复杂、运行规律独特，负荷计算参数相比常规公共建筑更复杂，也为负荷计算提出了更高的要求与挑战。为了确保新建机场航站楼空调负荷计算结果更贴近实际运行情况，笔者所在的项目团队综合项目初设材料、相关国家及行业标准、“十二五”和“十三五”国家重点研发计划研究成果，并结合国内相同体量机场航站楼实际运行情况，以我国夏热冬暖地区某枢纽机场新建航站楼为例，从设计值选定、负荷计算方法、降低空调冷负荷关键环节等方面开展深入研究和案例分析，在保障航站楼各功能区热舒适环境的基础上，避免空调系统各设备装机容量冗余带来的成本浪费，同时也为空调系统未来高效运行提供基础条件。
项目概况
该机场位于我国夏热冬暖地区，已有T1、T2航站楼投入运营，2019年旅客吞吐量超过7 000万人次，运行航班48万架次。为提升机场保障能力，满足持续增长的航空运输需求，2020年该机场启动三期扩建工程，设计年旅客吞吐量4 000万人次。如图1所示，此次研究对象涵盖T3航站楼及其交通中心（以下统称T3航站楼），总建筑面积67.7万m2。
项目所在地全年平均气温20~22 ℃，太阳辐射较强，全年均存在供冷需求，且夏季和梅雨季除湿需求较大，对空调系统设计提出了较高要求。如图2所示，本文从更加贴近实际运行的负荷设计值、全年逐时冷负荷动态模拟计算及基于模型的敏感性分析三方面，对机场航站楼空调系统负荷精算方法进行研究与分析。
空调冷负荷设计值优化研究
明确负荷设计值是实现负荷精确计算、避免冷源选型冗余的关键所在。为了明确机场航站楼这类高大空间建筑的室内设计值，本文提出以下分析方法：
1） 充分调研同地区、同体量机场航站楼实际运行数据，特别关注空调冷源装机和实际运行指标、逐时旅客流量及其变化规律、重点区域尖峰在室人数、室内CO2浓度分布、无组织渗透风换气次数等，上述参数在运行阶段通过相关传感器和机场统计数据较易获取，对设计值的确认有很大帮助。
2） 关注相关理论研究成果，包括《航站楼高大空间节能设计和运行应用指南》、《交通场站建筑热湿环境营造》，以及机场航站楼空调系统及环境营造实测结果分析文章，为机场航站楼空调负荷的精确计算提供支撑。
3） 在充分调研同类机场实际运行情况，并参考相关研究成果的基础上，结合机场航站楼自身情况，特别是项目建设规划、可研报告等，提供更有针对性和更加落地的设计值。
该项目围护结构热工参数，包括外墙（传热系数1.04 W/（m2·K）、外表面太阳辐射吸收比0.65）、屋面（传热系数0.32 W/（m2·K）、外表面太阳辐射吸收比0.50）、外窗及幕墙（传热系数1.63 W/（m2·K）、可见光透射比0.4、太阳得热系数0.20）均初步确认，本文重点对室内环境设计值开展优化研究。
2.1 室内温湿度设计值优化
表1给出了项目初设方案中的室内设计值，室温设计值普遍较低风幕机参数，以24~25 ℃为主。而机械新风量设计值仍然采用常规公共建筑的30 m3/（人·h），与机场航站楼实际运行需求存在差别，需要进行深入分析与优化。
根据“十三五”课题研究成果，机场航站楼末端风系统多采用喷口送风形式，环境风速较常规公共建筑大。同时机场旅客处于行走状态，进一步增大了相对风速。对于夏季室内温湿度设计值，研究表明风速对温度存在补偿关系，可适当提高环境温度，仍能保证室内环境的舒适性。因此，笔者所在的项目团队在初设方案的基础上提高了室温设计值，特别是对于走廊等人员停留时间短的区域，建议采用更高的室温设定值。
对于机械新风量的设计值，由于地上高大空间交通建筑自身的建筑结构特征，室内气流组织受到风压、热压的影响，无组织渗透风量大，多个机场航站楼新风实际处于过量供给状态。因此对于机场航站楼机械新风量的设定，不应以维持室内微正压为设计标准，而应充分考虑机场航站楼存在无组织渗透风，适当降低机械新风量设计值，同时计算无组织渗透风带来的额外供冷需求，进行综合考量。具体而言，该项目对于机场高大空间，包括出发大厅、值机大厅、候机厅、行李提取厅、门厅等区域，其机械新风量参考了GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中关于高密人群建筑每人所需最小新风量19 m3/h进行设计。同时在模拟计算中引入无组织渗透风计算模块，参考机场航站楼实测结果（换气次数0.2~0.5 h-1）进行情景分析，使得室内设计值更加贴近于实际运行情况。机场航站楼室内设计值优化结果如表2所示。
2.2 人员作息设计值优化
机场航站楼旅客流量的变化规律与常规公共建筑存在较大的区别。“十三五”国家重点研发计划研究成果梳理了我国不同机场实际客流变化规律，总结出不同设计吞吐量下可参考的航站楼人员作息，并且详细区分了进港人员与出港人员，如图3所示。
为了充分论证该结果的适用性，笔者所在项目团队调研了本项目T1、T2航站楼实际客流情况，结果如图4、5所示。可以看到，大型枢纽机场航站楼旅客流量在一天中呈现出多次高峰情况，最明显的为06：00—08：00的早高峰阶段，其次为20：00—22：00的晚高峰阶段。此外，进港旅客流量相比出港旅客流量存在一定的滞后性，这也与机场航站楼实际运行特征相符。同时，大型枢纽机场国际航班较多，因此在凌晨也存在一定比例的出港和进港客流，这与支线机场存在着较大的区别。T1、T2航站楼实际运行数据的调研与文献总结的作息变化规律基本相同，因此采用图3所示的参数对T3航站楼人员作息进行了设定。
而对于机场航站楼进港与出港的混流区及航站楼外的交通中心，考虑到同时承担进港与出港旅客的服务功能，因此根据机场航站楼进港与出港旅客作息的平均值，等效计算出混流区和交通中心人员作息变化规律，如图6所示。
同样对于灯光、照明作息，结合T1、T2航站楼实际运行情况，提供更有参考性的模型输入参数，实现了更加贴近实际运行情况的模拟分析。
空调冷负荷计算结果及其关键影响因素分析
3.1 机场航站楼空调冷负荷计算结果分析
在明确机场航站楼室内设计参数后，第二个关键环节就是建立负荷计算模型，开展全年逐时冷负荷的动态模拟。不仅要充分考虑各个功能房间的室内设计参数、围护结构热工参数等因素，更重要的是模拟外界全年逐时太阳辐射、气温的变化，以及建筑内部各功能房间使用规律的变化带来的综合影响。为此，采用DeST软件，结合建筑图纸搭建了T3航站楼及交通中心负荷计算模型（如图7所示），同时充分考虑机场航站楼外遮阳设施对负荷的影响。
为了对比优化效果，同样采用初设参数开展了模拟研究，此时采用0.5 h-1无组织渗透风换气次数，折合渗风量63.46万m3/h。计算得到该项目全年8 760 h冷负荷模拟结果，分别如图8、9所示。
根据初设参数模拟计算得到T3航站楼尖峰冷负荷为92 916 kW（26 419 rt），折合单位建筑面积尖峰冷负荷为137.2 W/m2。而优化设计参数后模拟计算得到尖峰冷负荷为69 945 kW（19 888 rt），单位空调面积尖峰冷负荷为103.3 W/m2，相比初设参数设置降低了24.7%，可有效避免供冷装机冗余，降低初投资。
为了进一步验证负荷精算结果的准确性，对我国多个枢纽机场实际冷负荷进行了实测调研，结果如表3所示，其中项目A、B、C、H包含机场航站楼及交通中心。可以看到，冷源系统普遍存在选型偏大的情况，实际尖峰负荷仅为装机容量的42%~72%。
通过对比已运行的T1、T2航站楼（分别对应表3中项目G、H）实际运行尖峰负荷及T3航站楼模拟计算结果可以看到，T3航站楼模拟计算单位面积尖峰负荷指标与T1航站楼实际运行情况仅相差7.1 W/m2，与T2航站楼实际运行情况仅相差12.0 W/m2，由此证明T3航站楼空调冷负荷模拟结果能够实现对于未来实际运行情况的准确预测，避免了冷源装机冗余。
图10、11分别为T3航站楼采用初设参数及优化设计参数后的冷负荷延续图。统计得到，根据初设参数模拟得到的全年累计供冷量为24 234.6万kW·h，折合单位空调面积年累计供冷量为358.0 kW·h/m2。而通过优化设计参数模拟得到的全年累计供冷量降低至15 912.3万kW·h，折合单位空调面积年累计供冷量降低至235.0 kW·h/m2，全年累计供冷量降低34.3%。
图12为T3航站楼采用优化设计参数后的冷负荷频数分布图，统计得到全年冷负荷大于5万kW的时间仅为391 h，大于4万kW的时间仅为1 267 h，总占比仅为14.5%。而全年预计有69%的时间运行在低负荷率下（负荷率小于30%），因此对于冷源系统设计选型，需要从制冷机容量搭配、系统高效运行调控等方面重点考虑，以提升制冷机运行全年平均负荷率，避免制冷机过低负荷率运行导致效率偏低的问题。
3.2 无组织渗透风对空调冷负荷影响的分析
在建立负荷计算模型的基础上开展基于模型的敏感性分析，对影响负荷的关键因素及其影响趋势进行分析，可以为系统设计提供更全面的指导。通过前述分析，机场航站楼建筑具有空间高大、出入口多、中庭贯穿面积大的特点，容易造成冬季和夏季无组织渗透风严重、增大航站楼冷热负荷的问题。因此无组织渗透风是需要重点关注的影响因素。
利用负荷计算模型，分别设置了0、0.2、0.5、1.0 h-1无组织渗透风换气次数，对应0、25.4万、63.5万、126.9万m3/h无组织渗透风量，开展定量分析。
图13、14分别给出了不同无组织渗透风换气次数下T3航站楼的尖峰冷负荷及全年累计供冷量。可以看到，当航站楼无组织渗透风换气次数为0 h-1时，尖峰冷负荷为60 085 kW；当无组织渗透风换气次数增大到1.0 h-1时，尖峰冷负荷上升至78 506 kW，上涨31%。无组织渗透风换气次数的增大导致全年累计供冷量大幅度增加，1.0 h-1换气次数对应的全年累计供冷量（16 473万kW·h）相比0 h-1换气次数（15 087万kW·h）增加了9.2%。
无组织渗透风换气次数对负荷的正、反面影响主要取决于室外空气比焓。项目所在地室外空气比焓大于55 kJ/kg（对应温度25 ℃、相对湿度60%）的时长为5 041 h，占比57.5%，这一阶段需防止无组织渗透风增大冷负荷。但在10月中旬至第二年3月中旬的大部分时间，室外空气比焓均小于55 kJ/kg，此时增大渗透风换气次数使得室外大量低比焓空气进入室内，可实现免费供冷，降低机械供冷需求。
如图15所示，通过供冷高峰期避免无组织渗透风，保障无组织渗透风换气次数在0.2 h-1以下，接近0 h-1，在室外空气比焓低于室内空气比焓时采用全新风免费制冷（对应换气次数1.0 h-1），T3航站楼全年累计供冷量降至14 404.1万kW·h，单位建筑面积年耗冷量降至212.7 kW·h/m2，折合0.77 GJ/m2，处于MH/T 5112—2016《民用机场航站楼能效评价指南》引导值（0.60 GJ/m2）与约束值（0.80 GJ/m2）之间，起到了较为明显的降低负荷作用。
3.3 机场航站楼高大空间无组织渗透风防治措施
如图16所示，降低机场航站楼供冷季无组织渗透风需要从增大渗透风阻力、降低渗透风驱动力两方面入手。其中增大渗透风阻力包括增强围护结构气密性、减小贯穿中庭面积、合理设置外门形式及开启策略等关键环节。
具体而言，除了在施工阶段进行严格的把控和检查外，在设计阶段和运营阶段采取优化措施，增强围护结构的气密性。主要建议包括：1） 外门采用多层外门或门斗设计风幕机参数，形成缓冲空间，增加通风路径阻力，降低流出的空气量。2） 在主要出入口的外门、地下停车场外门、行李传输通道设置无冷量的风幕机，增加通风路径阻力。3） 设置可开启外窗，在过渡季充分利用室外低温新风供冷。4） 减小贯穿中庭面积，增大各层间空气流通阻力，避免形成冷气下坠、无组织渗透风贯穿通道。
而对于降低渗透风驱动力，则需要从以下关键环节入手：1） 项目所在地供冷季平均主导风为东南风及东风，平均风速较低。因此T3航站楼主体建筑需关注东风导致风压增大的影响，采用门斗、风幕机等措施降低风压的影响。2） 合理设置空调风口，形成有效的室内温度分层，降低室内外平均温差，从而有效降低室内外热压。3） 餐饮排、补风联动，避免只排不补导致室内严重负压、增强无组织渗透风驱动力的问题。
通过前述分析，避免无组织渗透风是机场航站楼在设计、施工和运行阶段需要关注的重点环节。但由于机场航站楼的结构特点，渗透风往往难以控制。根据相关研究与机场航站楼实测结果，通过采取增强围护结构气密性、合理设置外门、降低空调送风口高度以减小热压等措施，机场航站楼夏季无组织渗透风换气次数可有效控制在0.2 h-1以下，因此，建议以0.2 h-1无组织渗透风换气次数作为模拟计算输入条件。以该项目为例，0.2 h-1无组织渗透风换气次数对应的新风量为25.4万m3/h，该项目可研报告预测的尖峰逐时在室人数接近2万人，折合人均无组织渗透新风量达到12.7 m3/（人·h），结合机械新风量19 m3/（人·h），能够有效保障室内新风供应需求，同时也可避免机械新风的过量设计。
总结
本文结合实际工程项目的开展情况，从更加贴近实际运行的负荷设计值、全年逐时冷负荷动态模拟计算及基于模型的敏感性与情景分析三方面，对机场航站楼空调系统负荷精算方法进行了研究与分析，得出以下结论与建议：
1） 机场航站楼末端风系统多采用喷口送风形式，环境风速较常规公共建筑大。同时机场旅客大多处于行走状态，进一步增大了相对风速。因此夏季室内温度设计值可适当提高至26 ℃。对于走廊等人员停留时间短的局部区域，可适当提高至27 ℃。
2） 机场航站楼为地上高大空间建筑，室内气流组织受到风压、热压影响，无组织渗透风量大（换气次数多为0.2~0.5 h-1），新风实际处于过量供给状态。在设计阶段应充分考虑到这一客观事实，适当降低机械新风量设计值，同时充分考虑无组织渗透风带来的额外供冷需求，使得室内设计值更加贴近实际运行情况。
3） 对于机场航站楼人员作息设定，应充分结合机场运行特征。大型枢纽机场航站楼旅客流量在一天中呈现出多次高峰情况，且进港旅客流量相比出港旅客流量存在一定的滞后性。同时，大型枢纽机场国际航班较多，在凌晨也存在一定比例的出港和进港客流，应进行充分考虑。
4） 空调负荷的精确计算不仅要充分考虑尖峰负荷，更重要的是明确全年8 760 h的负荷变化规律，从而在优化冷热源设备容量搭配与选型的同时，更有针对性地给出运行调控策略，起到整体优化与节能降耗的作用。
本文刊登于《暖通空调》2023年第4期
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