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机场航站楼等高大空间建筑不同季节渗风特性研究
发布时间:2021-09-30 15:59:54浏览次数:

清华大学  林琳、刘效辰、张涛、刘晓华

      【摘  要】本文对西南地区某机场航站楼不同季节的渗风情况进行了实测研究,在介绍航站楼渗风测试方法的基础上,重点分析了不同室内热湿环境下航站楼渗风量情况,并对不同季节的测试结果及渗透风造成的冷热负荷进行了对比分析。结果表明:冬季航站楼渗风量较大,且冬季渗风负荷与供热量基本相当,可通过减小渗风量,降低渗风负荷可以有效降低航站楼冬季空调能耗;过渡季与夏季渗风量较小,渗风负荷所占比例低。

      【关键词】机场航站楼,季节,渗透风,实际测试 

      【基金项目】国家重点研发计划项目课题(2016YFC0700704)

1 引言

      机场航站楼通常设计为高大空间建筑,出于美观原因和照明要求,存在跨层垂直连通空间以及大面积的玻璃幕墙。这类建筑能耗较高,是普通公共建筑的1-2倍[1] ,其中空调能耗占其建筑运行能耗的40%-60% [2] 。由于机场航站楼的客流量较大,值机大厅大门常开,导致大量空气渗透,尤其是冬季当室外温度较低、室内供暖时更加严重[3] ,但目前对此类建筑的实际渗透风量状况仍缺少较好地定量化研究结果。

      针对渗透风的测量与分析计算,从国内外研究来看,方法主要有实测法、示踪气体法和模拟计算法。刘加根等[4-6]分别对南京南火车站、苏州火车站和新广州火车站的渗风情况进行了研究,通过软件模拟预测铁路站台渗透风的大小,并通过实地测试对模拟结果进行验证,同时也对无组织渗风的影响因素进行了分析,为大型铁路站房设计阶段渗透风的预测设计提供了依据。刘燕[7]对全国16个大型铁路客站进行了调研测试,得到了各个客站的无组织渗风量及渗风特点,并且通过数值计算对门斗等渗风控制设备进行模拟。Shi Y[8]使用PM2.5作为示踪物,考虑PM2.5的渗透、产生和沉降,利用质量平衡来计算北京某大型购物中心的渗风量并用实测数据进行校核。Pascal等[9]利用多区域网络模型对大型商业建筑渗风量进行计算,并结合实测数据进行验证,提出了一种考虑建筑形式、室内温度等影响因素的计算方法。

      对大空间建筑进行渗透风量测试计算时,上述研究中仅针对某单一季节进行模拟或测试。本文以西南地区某机场航站楼为实例,采用多种测试分析方法其各季节的渗风量进行测试计算,并对不同季节的渗风特性进行对比分析,以期为航站楼等大空间建筑的各季节渗风特性分析提供参考。

2 测试概况

      2.1 建筑概况

      测试建筑为我国西南地区某机场的T2航站楼,如图1所示,该航站楼在2012年7月投入试运行,建筑面积达35万m2,主要负责除本地航空外的其他国内航班。该航站楼共有四层,分别为F3出发层、F2办公层、F1到达层与B2换乘层。航站楼外侧区域总面积9.8万m2,包括由B2至F4长40米的中庭连接的值机大厅、到达大厅和换乘层。其中值机大厅高25.4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。

机场航站楼等高大空间建筑不同季节渗风特性研究 - 中国暖通空调网(图1)

2.2 渗风量测试计算方法

      本文利用风速测试法、CO2浓度法、含湿量法和热量平衡法对此航站楼值机大厅的渗风情况进行测试分析计算。

      对于风速测试法,测量可能造成空气渗透的每个楼层的出入口与顶部天窗的尺寸与风速,测量误差来自围护结构其他未发现或难以测试的缝隙,因此需要在测量后进行风量平衡校核,从而得到渗透风量的测试结果。

      由于示踪气体法的准确性受大空间内CO2与含湿量的不均匀性影响,因此将该值机大厅分为几个典型区域并认为每个区域中CO2浓度、含湿量分布均匀,如图2所示,对各区域的参数进行加权平均得到室内的各参数值如式(1)所示:

机场航站楼等高大空间建筑不同季节渗风特性研究 - 中国暖通空调网(图2)

机场航站楼等高大空间建筑不同季节渗风特性研究 - 中国暖通空调网(图3)

 式中X代表室内CO2浓度C或室内含湿量d;Xin为室内参数(CO2浓度,mg/m3;空气含湿量,g/kg干空气);Xin,i为第i个区域内的参数;Vi为第i个区域的体积,m3。 

      对于CO2法与含湿量法,可将航站楼值机大厅视为一个控制体,利用浓度稳定段的守恒方程,如式(2-a)与(2-c),即可计算得到值机大厅白天稳定段的渗风量:

机场航站楼等高大空间建筑不同季节渗风特性研究 - 中国暖通空调网(图4)

式中,Xout为室外参数(CO2浓度,mg/m3;空气含湿量,g/kg干空气);G为渗风量,m3/s;τ为时间,s;FR为人员释放率(CO2释放率,mg/s;产湿率,g/s);V为房间体积,m3。此外,空气处理机组在冬季和过渡季没有加湿和除湿过程,而夏季空调开启时会对空气进行除湿,由于除湿量难以准确测量,因此含湿量法在夏季白天(空调开启时段)不适用。

      当夜间航站楼关闭、无室内CO2与湿散发源(FR=0)时,利用式(2-c),通过拟合ln(Xin-Xout)~τ即可计算出渗风量,其中c为常数:

机场航站楼等高大空间建筑不同季节渗风特性研究 - 中国暖通空调网(图5)

人员散发量与室内人数和人均散发量有关,通过实际调研得到了机场值机大厅的在室人数[10] ,根据调研的人员信息进行计算[11-13] ,乘客的平均CO2释放率为10.58mg/s,产湿率冬季和过渡季为37.22mg/s、夏季为46.39mg/s(与室内温度相关)。

3 测试结果

      利用上述三种方法分别进行各季节航站楼渗透风量的测试计算,通过测试出入口尺寸、风速等得到风速法的测试结果,通过测试CO2浓度、含湿量等变化得到CO2法和含湿量法的计算结果。表1为各季节的测试基本情况。

机场航站楼等高大空间建筑不同季节渗风特性研究 - 中国暖通空调网(图6)

 图3为各季节F3层门9(见图2)各点测得的风速情况,从图中可以看出冬季与夏季具有主流风向,冬季流入、夏季流出,过渡季则不具有典型的主流风向,在同一扇大门上风向有进有出;冬季渗透风风速较大,过渡季风速较小。

机场航站楼等高大空间建筑不同季节渗风特性研究 - 中国暖通空调网(图7)

   图4为典型日室内平均CO2和含湿量变化曲线,可以看出各季节夜间(航站楼关闭,无人员、设备灯光产热)室内外CO2差与含湿量差变化量较小(0-100ppm、0.6-1g/kg干空气),在白天都存在一段浓度与含湿量稳定段,可利用式(2-b)进行渗风量的计算。

机场航站楼等高大空间建筑不同季节渗风特性研究 - 中国暖通空调网(图8)

 计算结果如表2所示,其中测试得夏季机械新风量为6.8万m3/h,过渡季机械新风量为20.4万m3/h。由于仪器精度限制(CO2测试仪:±50ppm、温湿度自记仪:±3%),室内外浓度差与含湿量差较小,示踪气体法的计算数据误差较大,白天总体在42%-82%之间,而夜间,误差最高可达到331%。


4 对比分析

      通过测试计算,得到了西南某机场航站楼的各季节白天稳定段的渗透风结果如图5(a)所示,由图可以看出航站楼冬季渗风量较大,达到69.8万m3/h,显著高于过渡季和夏季。由图5(b)可知,冬季和夏季由于室内供暖、供冷设备开启,室内垂直温度梯度较大导致热压作用较为明显,过渡季由于室内仅供应新风,热压作用影响较小。

机场航站楼等高大空间建筑不同季节渗风特性研究 - 中国暖通空调网(图9)

    基于上述渗透风量测试结果,可以进一步分析渗透风造成的冷热负荷对该航站楼建筑的影响。图6(a)~(c)分别为各季节的负荷拆分结果,其中冬季热量损失(散热量)主要由围护结构传热、渗透风两部分构成,而热量来源(得热量)则包含室内人员、灯光设备等热源及供暖空调系统的供热量;夏季渗透风、人员、设备等是得热量的来源,而空调系统供冷量则负责排除各类热量。从各季节的负荷拆分结果来看,冬季渗风负荷占到散热量的78%,而空调的供热量占到70%,可以看出渗风负荷与供热量基本相当,因此减小渗风量,降低渗风负荷可以有效降低航站楼空调能耗;过渡季内由于热压与风压作用的驱动力都较小,导致航站楼渗风负荷仅占到总负荷的12%,因此采用全新风排热;夏季室内热源(人员、灯光设备)成为主要的热量来源,占到总负荷的53%,而渗风负荷仅占到32%。

机场航站楼等高大空间建筑不同季节渗风特性研究 - 中国暖通空调网(图10)

将结果与文献中高大空间建筑的渗透风数据进行比较,结果如表4所示,由于关于机场航站楼类实际渗透风量的研究有限,表中也列出了其他几种高大空间建筑(最大内部高度为40m)的空气渗透情况。表中可以看出冬季渗风量在9.6-68.1万m3/h,夏季渗风量在15.7-49.1万m3/h,过渡季在12.2-68.1万m3/h,在相似的室外风速条件下,冬季渗风量最大。此外,冬天由空气渗透造成的热量损失(Qa)与系统供热量(Qs)之间的比值在76%-115%之间,可以看出冬季渗透风对于能耗的影响十分显著,采取适当的措施降低渗透风的影响,对于降低此类建筑中的冬季供暖能耗具有重要意义。

机场航站楼等高大空间建筑不同季节渗风特性研究 - 中国暖通空调网(图11)

 *:风向是室外风与立面表面法线之间的水平角(α= 0°垂直于表面),正向旋转为逆时针。

5 总结

      本文对西南地区某机场航站楼不同季节的渗风情况进行了实测研究,给出了航站楼各季节渗透风量的测试计算结果,得到的主要结论如下:

      (1)采用多种方法对该航站楼内的渗透风量进行了测试计算,其中CO2浓度法、含湿量法在实际测试中会受到室内外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。

      (2)从各季节渗透风量结果来看,冬季航站楼渗风量较大,不同测试方法得到的渗风量结果多在40~70万m3/h;过渡季与夏季渗风量较小,不同测试方法得到的渗风量结果多在10~40万m3/h。

      (3)从各季节负荷拆分结果来看,测试工况下冬季渗风负荷占到该航站楼总散热量的78%,与空调系统的供热量基本相当,因此减小渗风量、降低渗风负荷对降低航站楼冬季空调能耗具有重要意义。

      致谢:本研究受国家重点研发计划项目课题(2016YFC0700704)资助,特此致谢。


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