李司秀;胡嘉慶

(1.廣東省建筑設(shè)計研究院,廣東廣州510010;2.華森建筑與工程設(shè)計顧問有限公司廣州分公司,廣東廣州510010)

1 簡介

廣州新白云國際機(jī)場一期航站樓是一種功能復(fù)雜、系統(tǒng)繁多、規(guī)模宏大的特殊建筑類型[1],建設(shè)規(guī)模為35.3萬m2,建筑高度55.88 m,包括主樓、東連接樓、西連接樓以及東一、東二、西一、西二指廊,有地下室二層,地上三層。主樓寬300m,進(jìn)深約150m,平面呈腰鼓形,地下二層為地鐵站臺,地下一層為行李分揀房、地鐵站廳,可到達(dá)連接樓及停車樓、酒店,首層南面為商業(yè)中心,是餐廳、食街及商場,北面為控制中心及信息中心,二層為設(shè)備夾層,三層為出港辦票大廳,其中國內(nèi)部分設(shè)9個辦票島,共計144個柜臺,國際部分設(shè)2個辦票島,共計34個柜臺;東、西連接樓,分別長450m,寬55m,平面呈長弧形,首層為行李提取廳及迎客廳,二層為到達(dá)廳、國際過境廳,三層為出發(fā)廳;東一、東二、西一、西二指廊,約長300m,寬34m,平面呈長矩形,首層為遠(yuǎn)機(jī)位候機(jī)廳及附屬用房,二層為到達(dá)廊道,三層為候機(jī)廳。航站樓平面示意圖如圖1。

航站樓外墻采用通透的點式玻璃幕墻,使室內(nèi)外環(huán)境獲得更多交融,屋頂采用金屬與張拉膜采光相結(jié)合的屋面系統(tǒng),較之玻璃天窗采光避免了直射眩光,明亮柔和,營造出現(xiàn)代化航站樓的候機(jī)環(huán)境。航站樓規(guī)模為年客運(yùn)量2500萬人次,高峰小時客運(yùn)量9300人,年貨運(yùn)吞吐量為110萬噸[1]。

圖1 航站樓平面示意圖

在空調(diào)設(shè)計方面,有其各方面的特殊性。首先在確定空調(diào)負(fù)荷時,由于大部分是高大空間,外墻采用通透的點式玻璃幕墻,屋頂采用金屬與張拉膜采光相結(jié)合的屋面系統(tǒng),都有其特殊性[1],玻璃幕墻的熱工參數(shù)對空調(diào)負(fù)荷有明顯影響;由于人員密度較大,新風(fēng)負(fù)荷所占空調(diào)總負(fù)荷比例很大,甚至達(dá)到50%以上,通過逐時負(fù)荷計算和對不同負(fù)荷的具體分析[2],才確定空調(diào)的主機(jī)負(fù)荷和末端負(fù)荷;在空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)里,根據(jù)不同空間高度設(shè)置常規(guī)空調(diào)和分層空調(diào),分層空調(diào)對高大空間而言,僅對下部空間即人員停留的區(qū)域進(jìn)行空氣調(diào)節(jié),使工作區(qū)有很好的環(huán)境,而對上部空間不采用空調(diào),僅采用通風(fēng)排熱,大大降低空調(diào)負(fù)荷,節(jié)能效果明顯;根據(jù)不同裝修要求和不同送風(fēng)要求,采用各種不同風(fēng)口的送風(fēng),有散流器、雙層百葉、條形風(fēng)口、噴口、鼓型風(fēng)口等;為了更好地采用合理送風(fēng)方式,采用可靠的氣流組織分析預(yù)測,即進(jìn)行CFD模擬,CFD對室內(nèi)氣流組織分析預(yù)測和模擬可以得到較為準(zhǔn)確的室內(nèi)空氣的溫度場、速度場、壓力場、熱舒適性場等[3],可以在進(jìn)一步分析這些流場中,發(fā)現(xiàn)設(shè)計中沒有考慮或考慮不周的問題,并作進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。在空調(diào)水系統(tǒng)里,由于水路半徑較長,設(shè)置多級泵系統(tǒng),在干管上設(shè)置平衡閥,使各個干管水路相對平衡,在每個末端設(shè)置電動二通閥,自動調(diào)節(jié)水量,通過對2007和2008年的運(yùn)行情況分析,進(jìn)一步分析主機(jī)及其他設(shè)備的合理性和節(jié)能性,把系統(tǒng)調(diào)節(jié)到較為節(jié)能的狀態(tài)。

此文重點分析空調(diào)逐時負(fù)荷的計算和不同材料對負(fù)荷的影響,并通過對2007年和2008年主機(jī)運(yùn)行情況的分析,探討負(fù)荷計算的準(zhǔn)確性和節(jié)能性。

2 航站樓空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷特性分析

2.1 計算條件

航站樓的地下一層、首層、二層的逐時負(fù)荷與常規(guī)的商用公共建筑較為類似,但三層的最大層高達(dá)到20余米,屬于高大空間的空調(diào)。空調(diào)系統(tǒng)不同于一般建筑空調(diào),相應(yīng)的空調(diào)負(fù)荷計算也有其特殊性。目前對于高大空間空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷計算方法尚不成熟,缺乏一定的理論依據(jù)。在本項目中,只能通過一般建筑物的空調(diào)負(fù)荷計算方法計算,然后應(yīng)用計算機(jī)仿真模擬的方法對計算結(jié)果進(jìn)行修正。其計算結(jié)果與實際負(fù)荷的偏差應(yīng)在±10%以內(nèi)?？照{(diào)冷負(fù)荷主要由以下幾部分組成:太陽輻射形成冷負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷、人體散熱形成的冷負(fù)荷、照明散熱形成的冷負(fù)荷、空氣滲透形成的冷負(fù)荷、設(shè)備發(fā)熱形成的冷負(fù)荷、各種散濕過程產(chǎn)生的潛熱形成的冷負(fù)荷。由于具有對稱性,下面只介紹航站樓的三層的逐時負(fù)荷計算,包括主樓第三層、西連接樓第三層、西一指樓第三層。

2.2 空調(diào)負(fù)荷計算參數(shù)的確定

2.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用材料

在計算中,采用以下圍護(hù)結(jié)構(gòu)或材料:

屋面材料:鋁合金金屬屋面;屋面保溫層為玻璃纖維板,密度約為 11kg/m3,材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.040W/m·K,經(jīng)組裝后的厚度為110mm。

帳幕材料:BIRDAIR張拉膜,其反射率為80%,吸收率為4%,透過率為4%。

天窗材料:同幕墻材料。

幕墻材料:(1)夾膠玻璃玻璃:玻璃SUNERGY(淺綠)+透明浮法玻璃 (SUNERGY在第四層)(組合厚度為66.1mm);(2)采用中空玻璃:組合結(jié)構(gòu)為8-12-8mm(SUNERGY淺綠)(LOW-E膜面在第三層)。

金屬墻體:表面為鋁合金材料,中間用玻璃纖維板保溫材料保溫,保溫材料厚度為100 mm,密度為48 kg/m3。保溫層宜加在金屬墻體內(nèi)空間外側(cè)。

2.2.2 室內(nèi)空調(diào)計算參數(shù)的確定

夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為:t=25～26℃;φ=60%～65%。室內(nèi)人員數(shù):3 m2/人。室內(nèi)照明:20 W/m2。新風(fēng)量:20 m3/h·人 (或總風(fēng)量的 18%)。室內(nèi)設(shè)備負(fù)荷:10W/m2。

2.2.3 室外空調(diào)計算參數(shù)的確定

廣州市坐落在北緯23°08′, 東經(jīng)113°35′, 海拔高度6.6m。根據(jù) 《空氣調(diào)節(jié)設(shè)計手冊》[4],查出廣州市空調(diào)室外計算參數(shù)如下:

夏季通風(fēng)室外計算溫度:31℃;最熱月平均溫度:28.4℃;夏季空調(diào)室外計算溫度:33.5℃;夏季室外平均風(fēng)速:2.5m/s;夏季空調(diào)日平均溫度:30.1℃;夏季空調(diào)室外計算濕球溫度:27.7℃;夏季平均日較差:7.0℃。

夏季空調(diào)設(shè)計室外計算逐時溫度:

其中:

tsh—室外計算逐時溫度;

twp—夏季空調(diào)室外計算日平均溫度;

△tr—夏季室外計算平均日較差

夏季空調(diào)設(shè)計室外空氣計算逐時綜合溫度:

其中:

tzs—夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算逐時綜合溫度;tsh—夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算逐時溫度;

J—圍護(hù)結(jié)構(gòu)所在朝向的逐時太陽總輻射照度;

ρ—圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對太陽輻射熱的吸收系數(shù);

αW—圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)

2.3 冷負(fù)荷計算

2.3.1 太陽輻射形成空調(diào)冷負(fù)荷的方式以及形成的空調(diào)負(fù)荷:

透過屋頂帳幕和玻璃幕墻的太陽輻射得熱,一部分變?yōu)閷α鳠?立即變成房間的冷負(fù)荷,另一部分以輻射形式輻射到房間的樓板、設(shè)備等表面上,其中有些被吸收、儲存,然后再逐漸散入室內(nèi)空氣中,成為滯后的冷負(fù)荷。

本房間 (或樓層)屬于輕型結(jié)構(gòu) (圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的重量小于150kg/m2空調(diào)面積),故其冷負(fù)荷計算見公式 (3):

其中:

Qτ—各小時的日射冷負(fù)荷,W;

Fc—玻璃結(jié)構(gòu)的面積,m2;

Xz—玻璃結(jié)構(gòu)的遮陽系數(shù);

Jc,max—各朝向玻璃結(jié)構(gòu)得熱量最大值,W/m2;

Ccl—廣州地區(qū)冷負(fù)荷系數(shù);

ε—房間輕型結(jié)構(gòu)的修正系數(shù),ε=1.2

包括:透過東南西北玻璃幕墻的太陽輻射形成的冷負(fù)荷;透過屋面帳幕的太陽輻射形成的冷負(fù)荷;透過屋面天窗的太陽輻射形成的冷負(fù)荷。

2.3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的空調(diào)負(fù)荷計算

計算依據(jù):幕墻為淺綠色夾膠玻璃,根據(jù)提供的產(chǎn)品樣本,其傳熱系數(shù)為:K=4.0W/m2·K(其中包括:東南西北玻璃幕墻的傳熱冷負(fù)荷;屋面帳幕傳熱冷負(fù)荷;屋面天窗的傳熱冷負(fù)荷)。

2.3.3 人員、設(shè)備、照明等形成的空調(diào)負(fù)荷計算

室內(nèi)人員:3 m2/人,指樓為2 m2/人室內(nèi)照明負(fù)荷[5]:20 W/m2室內(nèi)設(shè)備負(fù)荷:10 W/m2

2.4 空調(diào)負(fù)荷計算匯總

2.4.1 主樓三層空調(diào)冷負(fù)荷匯總 (建筑面積49462 m2)

表1 采用夾膠玻璃時的空調(diào)負(fù)荷

表2 采用中空玻璃時空調(diào)負(fù)荷

2.4.2 西連接樓三層空調(diào)冷負(fù)荷匯總 (建筑面積13863 m2)

表3 采用夾膠玻璃時空調(diào)負(fù)荷

表4 采用中空玻璃時空調(diào)負(fù)荷

2.4.3 西一指樓三層空調(diào)冷負(fù)荷匯總 (建筑面積12248 m2)

表5 采用夾膠玻璃時空調(diào)負(fù)荷

表6 采用中空玻璃時空調(diào)負(fù)荷

2.5 計算結(jié)果分析及說明

根據(jù)對新機(jī)場主樓、西連接樓和西一指等大樓三層區(qū)域的空調(diào)工程冷負(fù)荷的計算結(jié)果分析,可以得到以下結(jié)論:

(1)對研究區(qū)域的空調(diào)冷負(fù)荷計算結(jié)果可知:采用夾膠玻璃和中空玻璃的房間,其各部分形成的空調(diào)冷負(fù)荷占空調(diào)總冷負(fù)荷的比例分別見表7和表8。

表7 采用夾膠玻璃的房間各冷負(fù)荷分布

表8 采用中空玻璃的房間各冷負(fù)荷分布

從兩表可以看出:在空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)負(fù)荷中,室內(nèi)人員、設(shè)備和照明形成的空調(diào)冷負(fù)荷占有主要份額,透過玻璃幕墻形成的冷負(fù)荷對空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的貢獻(xiàn)也達(dá)到了30%左右,也是一個不可忽視的冷負(fù)荷來源。因此,要降低空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷,一是提高玻璃幕墻的隔熱性能,二是增加遮陽措施,并后者在冬暖夏熱地區(qū)效果尤其明顯。在主樓空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷構(gòu)成中,屋頂帳幕和天窗的冷負(fù)荷占23%以上 (其中:帳幕占20.8%)。

(2)根據(jù)各部分使用的材料,對空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的影響如下:

采用玻璃幕墻材料對空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的影響見表9。

1)采用中空玻璃后,在相同條件下可以使空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷較采用夾膠玻璃下降12.73%(主樓)、21.74%(西連接樓)和 14.90%(西一指樓)。對于縮小空調(diào)系統(tǒng)規(guī)模有利,對降低空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費用和降低整個建筑物能耗水平效果明顯。

表9 玻璃幕墻材料對空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的影響

2)金屬屋面材料對空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的影響:由于金屬屋面的良好隔熱性能,其空調(diào)冷負(fù)荷相對來說較小 (對總冷負(fù)荷貢獻(xiàn)為12W/m2左右),但其傳熱系數(shù)每增加 0.1W/m2·K,對主樓增加150518 W空調(diào)負(fù)荷,能量損耗可觀?？紤]其經(jīng)濟(jì)性,宜采用玻璃纖維板保溫層,密度約為11kg/m3,材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.040W/m·K,經(jīng)組裝后的厚度為110mm。

3)關(guān)于西連接樓的外遮陽問題對空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的影響見表10。

表10 外遮陽對空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的影響

通過有外遮陽,空調(diào)冷負(fù)荷減少了17.7%～30.7%,這個比例相當(dāng)大,所以,在廣州此類冬暖夏熱地區(qū),應(yīng)設(shè)如遮陽板、屋檐、挑檐、挑陽臺、百葉板、窗簾等遮陽措施。

4)在西一指樓和連接樓的局部位置,使用了金屬墻體,為了提高其隔熱性能,建議在兩鋁合金板夾層處,增加100～120mm厚的隔熱層,隔熱材料為玻璃纖維板,密度為48 kg/m3。

3 航站樓空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

根據(jù)本工程大致對稱的具體情況,分別在東、西側(cè)設(shè)置二個中央制冷系統(tǒng),每個制冷系統(tǒng)為28135 kW(8000USRT),收集東主機(jī)房的1～4號主機(jī)在2007年和2008年的運(yùn)行記錄,并對此進(jìn)行統(tǒng)計分析。

圖2 2007年1號機(jī)組的負(fù)荷率

分析:圖中將近90%的負(fù)荷率位于95%～105%之間,最低的負(fù)荷率為 76%,位于76%與95%之間的負(fù)荷率較少,大約為10%。

圖3 2008年1號機(jī)組的負(fù)荷率

分析:1號機(jī)組在2007年運(yùn)行大部分為滿負(fù)荷或者超負(fù)荷運(yùn)行,但是到了2008年明顯的可以看到機(jī)組在6～12月之間非滿負(fù)荷或者非超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)有所增加。圖中將近75%的負(fù)荷率位于95%～105%之間,最低的負(fù)荷率為65%,位于65%與95%之間的負(fù)荷率有所增加,大約為25%。

圖4 2007年2號機(jī)組的負(fù)荷率

分析:2號機(jī)組相對于1號機(jī)組來說在2007年運(yùn)行時間較少,但在運(yùn)行的時間內(nèi)滿負(fù)荷或者超負(fù)荷運(yùn)行即負(fù)荷率位于95%～105%之間的負(fù)荷率仍然將近有80%,最低的負(fù)荷率為65%,位于65%與95%之間的負(fù)荷率大約為20%。

圖5 2008年2號機(jī)組的負(fù)荷率

分析:2號機(jī)組到了2008年明顯的可以看到機(jī)組在3～5月、7～8月之間非滿負(fù)荷或者非超負(fù)荷較多,這其中大部分集中在80%到100%之間。但是圖中仍有將近60%的負(fù)荷率位于100%～105%之間,最低的負(fù)荷率為63%,位于63%與80%之間的負(fù)荷率大約為15%。

圖6 2007年3號機(jī)組的負(fù)荷率

分析:3號機(jī)組在2007年的負(fù)荷率與1號機(jī)組2007年的負(fù)荷率較為相似。圖中將近 90%的負(fù)荷率位于 95%～105%之間,最低的負(fù)荷率為76%,位于 76%與95%之間的負(fù)荷率較少,大約為10%。

圖7 2008年3號機(jī)組的負(fù)荷率

分析:3號機(jī)組2008年負(fù)荷率與3號機(jī)組2007年負(fù)荷率較為相似。圖中將近95%的負(fù)荷率位于95%～105%之間,最低的負(fù)荷率為64%,位于64%與95%之間的負(fù)荷率較少,大約為5%。

圖8 2007年4號機(jī)組的負(fù)荷率

分析:4號機(jī)組2007年負(fù)荷率與1號機(jī)組2007年負(fù)荷率較為相似。圖中將近90%的負(fù)荷率位于95%～105%之間,最低的負(fù)荷率為73%,位于73%與95%之間的負(fù)荷率較少,大約為15%。

圖9 2008年4號機(jī)組的負(fù)荷率

分析:4號機(jī)組2008年的運(yùn)行明顯的可以看到機(jī)組在全年非滿負(fù)荷或者非超負(fù)荷運(yùn)行時間與滿負(fù)荷或者超負(fù)荷運(yùn)行時間差不多。圖中差不多50%的負(fù)荷率位于95%～105%之間,最低的負(fù)荷率為63%,位于63%與95%之間的負(fù)荷率也差不多為50%。

4 結(jié)論

通過對航站樓高大區(qū)域的空調(diào)冷負(fù)荷計算結(jié)果的分析可知,在空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)負(fù)荷中,室內(nèi)人員、設(shè)備和照明形成的空調(diào)冷負(fù)荷占有主要份額,透過玻璃幕墻形成的冷負(fù)荷對空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的貢獻(xiàn)也達(dá)到了30%左右,也是一個不可忽視的冷負(fù)荷來源。

因此,要降低空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷,提高玻璃幕墻的隔熱性能是一條途徑。

對于玻璃幕墻材料,采用中空玻璃較采用夾膠玻璃至少下降12%。

設(shè)置外遮陽,空調(diào)冷負(fù)荷減少了17.7%～30.7%。

對于金屬屋面和金屬墻體,宜采用玻璃纖維板保溫層。

另外,通過對2007年、2008年的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析,負(fù)荷率接近100%,證明選擇制冷主機(jī)的容量較為準(zhǔn)確和機(jī)組控制策略正確。

[1] 陳雄.廣州新白云國際機(jī)場一期航站樓[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006

[2] 空氣調(diào)節(jié)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1991

[3] 電子工業(yè)部第十設(shè)計研究院.空氣調(diào)節(jié)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社

[4] 建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB 50034-2004[S].北京:中華人民共和國建設(shè)部,2004

(1)周孝清等.新機(jī)場空調(diào)負(fù)荷計算方法及能耗分析研究報告[R]