中國建筑設計研究院有限公司 晁江月 胡建麗 潘云鋼

0 引言

機場航站樓是重要的城市基礎設施。隨著我國城鎮(zhèn)化建設需求、交通需求的持續(xù)增加，機場航站樓建筑建設量日益增大。尤其是各大區(qū)域干線機場航站樓的建設量在近10年增加了1倍。支線機場作為城鎮(zhèn)化建設、城市群建設的重要支點，預計未來10年其建設量很大。

通風空調末端系統(tǒng)是保障機場航站樓室內環(huán)境的重要設施。機場航站樓空調末端系統(tǒng)的運行負荷占其總負荷的40%～60%[1]。與普通公共建筑相比，機場航站樓的運行時間更長，客流量更大，人員密度在航站樓各區(qū)域間差異較大，而且不同規(guī)模航站樓的運行特點差異也很大。因此，準確掌握機場航站樓空調設計負荷的影響因素可以有效提高空調系統(tǒng)設計的合理性。

目前國內外關于機場供暖空調末端系統(tǒng)的設計、運行研究較少，國內相關文獻多為針對單個機場航站樓供暖空調末端系統(tǒng)設計的介紹。Kotopouleas等人通過對航站樓不同區(qū)域熱舒適現(xiàn)狀調研發(fā)現(xiàn)：旅客和機場職員由于行為、著裝等不同對熱舒適的要求不同；在旅客活動區(qū)域，旅客的舒適溫度要求比職員低，對溫度變化的容忍度高；熱比冷更容易引起不滿，冬季節(jié)能潛力大[2]。石利軍等人對成都雙流機場T1航站樓冬季室內參數(shù)實測后發(fā)現(xiàn)：夏熱冬冷地區(qū)外門的冷風侵入對室內空調效果影響較大，大空間內難免出現(xiàn)區(qū)域溫差；冬季室內相對濕度不能滿足人員舒適需求，高大空間的溫度梯度不可避免[3]。

目前，對于如何設計、構建合理的機場航站樓空調末端系統(tǒng)，如何優(yōu)化實際運行等缺乏系統(tǒng)性的研究，其中存在的共性問題尚待研究。例如：許多大型空間(包括部分航站樓和高鐵候車室)采用高位集中送風模式，低位風口的安裝高度與射流流程的關系不清、不同功能區(qū)域人員對風速的適應性不明確；大多按照現(xiàn)有規(guī)范設計而沒有考慮人員自由流動的因素；夏季供冷和冬季供熱時如何保證合理的氣流組織等。另外，新風負荷作為航站樓總負荷的最大組成部分，航站樓的設計和節(jié)能驗收并沒有專門的標準，依據(jù)GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設計標準》和JGJ/T 177—2009《公共建筑節(jié)能檢測標準》有一定的局限性[4]。

課題組通過文獻[4-20]調研對全國各氣候帶21座航站樓的設計參數(shù)進行了統(tǒng)計，分析了航站樓空調負荷的影響因素。為進一步調研評估目前航站樓內空調末端系統(tǒng)的運行效果，總結航站樓空調及供暖系統(tǒng)的優(yōu)缺點，課題組亦對國內各大機場航站樓進行了實地調研測試，包括5個典型氣候區(qū)的各級干支線機場共8個。

1 航站樓空調系統(tǒng)末端設計現(xiàn)狀

1.1 設計負荷

對21座航站樓的單位建筑面積設計負荷進行統(tǒng)計，其中嚴寒地區(qū)2座、寒冷地區(qū)5座、夏熱冬冷地區(qū)8座、夏熱冬暖地區(qū)5座、溫和地區(qū)1座，設計負荷與氣候因素的統(tǒng)計結果見圖1。寒冷地區(qū)航站樓單位建筑面積冷負荷平均為133 W/m2，單位建筑面積熱負荷平均為117 W/m2；夏熱冬冷地區(qū)航站樓單位建筑面積冷負荷平均為182 W/m2，單位建筑面積熱負荷平均為128 W/m2；夏熱冬暖地區(qū)航站樓單位建筑面積冷負荷平均為161 W/m2；溫和地區(qū)航站樓單位建筑面積冷負荷平均為95 W/m2。盡管溫和地區(qū)樣本量少，但負荷明顯小于其他氣候區(qū)，具有一定代表性。寒冷、溫和地區(qū)的冷負荷明顯小于其他氣候區(qū)。夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的設計冷負荷沒有明顯區(qū)別。從圖1可知，每個氣候區(qū)的航站樓設計冷負荷差異很大。這說明設計負荷與氣候因素有一定相關性，但不是最主要的因素。設計負荷與航站樓建設年代的統(tǒng)計結果見圖2。隨著建筑節(jié)能的推進，航站樓設計冷負荷呈現(xiàn)下降趨勢，夏熱冬冷地區(qū)下降趨勢明顯，寒冷地區(qū)普遍下降，但各航站樓間個體差異更大。這說明航站樓空調負荷很大程度取決于設計階段的主觀因素，如航站樓的規(guī)模定位、建設年代、設計客流量，所參考設計標準及所采用的空調技術合理性等。

圖1 設計負荷與氣候因素的關系

圖2 設計負荷與建設年代的關系

1.2 空調末端系統(tǒng)形式

在近10年的航站樓空調系統(tǒng)設計中，高大空間(出發(fā)大廳等區(qū)域)的空調系統(tǒng)以全空氣系統(tǒng)為主。在過渡季較長、氣候較溫和的地區(qū)，通過天窗自然通風是一種輔助空調方式。自然通風的利用主要出現(xiàn)在近5年新建航站樓項目中，說明充分利用自然通風的設計理念正在逐步被采納。送回風口末端形式在各大機場中的應用基本一致，不同功能區(qū)略有不同。一般出發(fā)大廳采用島式噴口送風，同側回風；到達通廊區(qū)域采用側送同側回的氣流組織形式；行李分揀大廳轉盤上設噴口送風?？刂剖侄屋^單一，調研結果顯示，目前的機場運營并不能做到自動控制，基本需要工作人員手動調節(jié)，因此無法實現(xiàn)實時調控。自動控制僅限于設備啟停。另外與末端相對應的冷源形式較單一，幾乎均為電制冷冷水機組，部分機場結合當?shù)仉妰r、燃氣價格和冷熱負荷比會考慮增設蓄冷裝置、溴化鋰吸收式冷熱水機組。而機場的規(guī)模、定位對末端空調形式的選擇沒有明顯的影響。

冬季末端形式的選擇則與氣候有顯著關系。在嚴寒、寒冷地區(qū)，冬季熱負荷較大，基本采用地面輻射供暖和散熱器供暖形式，同時玻璃幕墻附近設置地面散流器。在夏熱冬冷和溫和地區(qū)，冬季負荷較小時，一般采用空調系統(tǒng)冷/熱工況切換的方式。這種切換方式會導致冬夏季氣流組織不同，這也是未來新型送風末端需要解決的重要問題之一。表1中D航站樓采用地板輻射供熱+置換送風系統(tǒng)可以解決上述問題，但由于溫濕度獨立控制系統(tǒng)的自控問題及對設計要求較高(防結露問題等)，因此其在夏季的應用受到一定限制。今后應研發(fā)安全可靠、易操作的溫濕度獨立控制系統(tǒng)。

表1 典型航站樓功能區(qū)空調末端形式

與功能區(qū)相比，航站樓指廊、商鋪等區(qū)域的末端形式單一，幾乎全部為風機盤管加新風系統(tǒng)。這與這些區(qū)域客流波動性大、個性調控需求大有很大關系。因此在這些區(qū)域應根據(jù)其波動性合理設計，兼顧節(jié)能。冬季這些區(qū)域的末端形式較多。在冬季負荷較大的嚴寒、寒冷地區(qū)，根據(jù)所在區(qū)域的特點，末端形式的選擇也不一樣，空調供暖、散熱器供暖都有。而在冬季負荷較小的地區(qū)，風機盤管+新風系統(tǒng)供冷熱是一種較為經(jīng)濟的末端形式。

1.3 氣流組織

調研結果顯示，盡管各航站樓的空調末端形式趨同，但末端形式的排布對航站樓內尤其是大空間內的氣流組織有很大影響。較為突出的問題有以下幾點。

1) 各層分散送風、單層集中回風的氣流組織形式會導致室內溫度分布不均勻，送風阻力大，氣流組織不理想。例如：表1中G航站樓為鏤空結構，2、3、4層中間鏤空，空調送風口分布在各層，回風口均在2層，加上5層為餐廳(廚房有明火，熱源大、排風量大)，冷負荷大，4層為出發(fā)大廳，人員密集，導致4、5層特別熱，1、2層特別冷。該航站樓位于深圳，因常年雨水較多，頂部沒有設置排風排熱裝置，消防天窗常年不開，引發(fā)此問題。

2) 外門長時間開啟帶來的冷風/熱風侵入問題。航站樓外門較多，且開啟時間較長，門斗過高過大，風幕送風無法完全阻擋室外空氣入侵，因此無論嚴寒地區(qū)還是夏熱冬暖地區(qū)都存在冷風/熱風侵入問題。對于較溫暖地區(qū)，航站樓出發(fā)大廳入口處安裝空氣幕(無加熱功能，僅考慮阻擋冷風入侵)，冬季會造成強烈的吹風感，夏季又會阻擋室內的冷空氣，因此門口的安檢人員不愿開啟空氣幕。針對冷風侵入問題，從使用效果看，目前較好的方法是設置門斗，加大門斗的進深，兩道門的開口位置錯開布置，但是會影響建筑的空間效果。

3) 工藝要求造成的氣密性不佳(如行李提取區(qū)域等)及其他原因造成的無組織滲透風對空調負荷影響很大。無組織滲透風還存在路徑不易明確、風量波動且不易確定等多種不規(guī)律性特征。這既可能加大新風量，對空調設計產(chǎn)生正面影響，也可能因此帶來負荷增加等負面影響。目前的設計對此問題沒有很好的解決辦法。一方面，滲透風計算方法在大空間建筑中的應用存在諸多局限性[21]；另一方面，滲透風的影響因素也有待進一步分析，如季節(jié)風向等氣候條件、航站樓建筑形式、功能布局及連通開口數(shù)量、廚房餐飲排風均可能對滲透風的來源、大小等產(chǎn)生影響。

4) 航站樓內/外區(qū)新風需求不同。航站樓內既存在高大空間，也存在層高較低的內區(qū)較狹小空間，由于內外區(qū)滲透風量不同、人員停留時間不同、視覺等因素造成的心理感受不同，這些區(qū)域的新風量需求并不只與人員密度和人員活動強度相關。部分凈高較低區(qū)域或內區(qū)，如貴賓候機室，有時人員密集，呼吸造成空間內瞬時CO2濃度上升，空調控制系統(tǒng)如果不能及時加大新風量或進行有效通風，旅客就會產(chǎn)生憋悶感。但是在高大空間中，如出發(fā)大廳，盡管新風機組經(jīng)常處于未開啟狀態(tài)，但旅客很少出現(xiàn)感覺空氣質量不佳的情況，這與大廳容積大(可以有效降低瞬時CO2濃度)和外門開啟漏風量大有關。因此大型交通建筑必須重視內區(qū)新風，而外區(qū)高大空間可以適當降低新風量，以達到節(jié)能效果。

5) 高大空間豎直溫差明顯。實地調研發(fā)現(xiàn)，多個航站樓有多層貫通區(qū)域(通高可能達到40 m以上)，此類區(qū)域豎直溫差達10 ℃左右。例如：表1中B航站樓是一個多連通的結構，1層出入口、2層GTC(交通中心)連接處、4層車道邊4層通高，滲透風明顯。表1中E航站樓陸側出入口處4層通高，豎直溫度梯度導致頂層夏季高層偏熱，冬季底層偏冷。按目前的負荷計算方法所得到的頂層設計冷負荷偏小，頂層空調末端夏季供冷量不足。冬季需要將頂層的空調機組熱水閥關閉，以保證頂層的環(huán)境溫度。冬季底層供暖溫度由于豎直溫差影響已經(jīng)偏低，如果關閉頂層供暖設備后溫度會更低，因此設計時應考慮高大空間豎直溫差影響的附加值。

6) 從現(xiàn)有航站樓供冷/熱空調系統(tǒng)設計工況分析中可看出，供熱需求大的地區(qū)一般直接采用地板供暖和散熱器供暖，供熱需求少的地區(qū)采用空調供暖。對于供冷和供熱工況轉換的空調系統(tǒng)，冬夏季轉換引起的送回風氣流組織不合理問題不容忽視。因此應研究空調系統(tǒng)冷/熱工況的切換方式對氣流組織的影響，降低熱壓和溫度梯度，減少滲透風影響。

7) 廚房排油煙實際運行與設計工況不符，破壞了空調系統(tǒng)風平衡。目前廚房排油煙設計補風量按負壓考慮，但通過調研發(fā)現(xiàn)，實際運行時多通過啟動新風機組實現(xiàn)補風，且新風機組通常不變頻。表1中F航站樓內還存在后期增設的多處餐飲單位采用開放式廚房的情況，從空調區(qū)直接引冷風對廚房排油煙進行補風，破壞了空調系統(tǒng)的風平衡。

2 航站樓空調末端系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

目前航站樓空調末端系統(tǒng)設計工況趨同，但實際運行情況與設計工況差異較大。

1) 各大樞紐機場普遍處于超負荷運行狀態(tài)，實際旅客吞吐量遠大于設計值。如首都國際機場3座航站樓設計吞吐量8 200萬人次/a，2019年年旅客吞吐量已超過1億人次；深圳寶安機場2012年建成，設計旅客吞吐量4 500萬人次/a，2018年年旅客吞吐量已超過4 900萬人次；成都雙流機場設計旅客吞吐量5 000萬人次/a，2018年年旅客吞吐量已超過5 200萬人次；昆明長水機場設計旅客吞吐量3 800萬人次/a，2019年年旅客吞吐量已超過5 000萬人次。

2) 末端容量和冷熱源容量不匹配。調研結果顯示，絕大部分航站樓的能源站裝機容量足夠大，可以滿足最不利工況時的負荷需求，但空調末端設備容量偏小，且有的末端排布不合理，沒有考慮豎直溫差等問題，導致過冷和過熱區(qū)域同時存在，無法滿足航站樓需求，既不舒適，也不節(jié)能?？紤]到后期改造時能源站加裝機組相對容易，但末端側改造困難較大，因此空調末端設計的不合理對整個航站樓空調設計將產(chǎn)生不可逆的影響，需要格外重視。

3) 航站樓實際全天負荷波動很大，尤其在全天溫差較大的地區(qū)更明顯。因此實際運行時需要改變設計運行策略，通過延長運行時間、調整室內設計溫度、圍護結構蓄冷等方式滿足最不利工況。造成逐時負荷波動過大的主要原因有：玻璃幕墻熱阻小、熱惰性較差，氣密性并不理想；太陽輻射熱波動性強，透過玻璃幕墻對室內熱環(huán)境的影響大。例如，在嚴寒地區(qū)長春，冬季巡檢發(fā)現(xiàn)溫度較低時，會加大鍋爐供熱量；夜間采取增加鍋爐開啟數(shù)量、延長運行時間等措施。每天最高負荷與最低負荷大概相差10 MW。

4) 光熱環(huán)境對人員活動規(guī)律造成影響。航站樓內玻璃幕墻附近太陽輻射過強，某些候機指廊端頭位置出現(xiàn)了多個方向玻璃幕墻造成的眩光，導致局部光環(huán)境和熱環(huán)境舒適性都很差，這是目前空調末端系統(tǒng)設計中被忽視的問題。例如：表1中A航站樓有部分區(qū)域采用幕墻結構，太陽照射強，夏季冷負荷大。17：00—18:00，陽光直射到旅客，舒適性較差，旅客會選擇避開太陽直射的區(qū)域及座位，導致實際人員密度與設計值產(chǎn)生較大差異。

5) 人員密度設計值與實際情況存在較大差異。比如，遠機位候機區(qū)與近機位候機區(qū)人員密度差異明顯。航空公司出于成本控制的考慮和機場發(fā)展政策的導向，遠機位候機區(qū)人員十分密集，并持續(xù)有乘客排隊登機，指廊候機區(qū)域則人員相對少。此類機位分配的問題在設計階段無法預料，而無差異化末端設計模式不能完全適應實際運營的要求。

6) 實際運行中，新風機組并不是一直開啟。一方面，對于空氣質量較差地區(qū)，新風機組過濾材料消耗快，導致成本增加，運維人員往往會選擇關閉新風機組；另一方面，對于冷負荷較大地區(qū)，高溫時段、航班延誤旅客滯留時段，為保證室內參數(shù)，運維人員會關閉新風機組，加大空調機組送風量。

7) 后期裝修等不可控因素導致實際工況與設計工況差異較大。例如表1中E航站樓的商鋪采取的措施是由商戶自行選擇接入全空氣系統(tǒng)或自行安裝風機盤管。由于商鋪的空調計費與運行時間無關，大多數(shù)商鋪選擇接風管，以節(jié)省運行費用。商鋪自行安裝的風管不設置調節(jié)措施，風路平衡性較差，各風口送風不均勻的情況很明顯，遠端的風口甚至基本無風。另外商鋪的裝飾性構件有遮擋公共區(qū)域送風口的情況。因此應在今后設計中注意合理分區(qū)、獨立控制，以減少后期改造對系統(tǒng)的不利影響。

8) 空調控制系統(tǒng)的施工與設計不匹配，使得自控系統(tǒng)的可用性差，導致實際運行并不節(jié)能。與普通建筑不同，航站樓空調系統(tǒng)的控制分為三部分：一是航站樓內的末端設施設備，二是冷熱源設備，三是空調系統(tǒng)的自動控制平臺。航站樓的自控系統(tǒng)主要關注航線、航班動態(tài)，空調自控系統(tǒng)的優(yōu)先級非常低。

9) 自控系統(tǒng)需要針對能源系統(tǒng)、末端系統(tǒng)等進行協(xié)同控制，每個系統(tǒng)相對獨立控制并不能達到良好的使用體驗和節(jié)能效果。表1中D航站樓采用溫濕度獨立控制系統(tǒng)，但原有能源系統(tǒng)控制與末端相獨立，能源側看不到末端的數(shù)據(jù)，無法了解末端的實際需求，運行人員根據(jù)經(jīng)驗猜測末端的需求，或者以制冷機節(jié)能為出發(fā)點進行控制，與航站樓的實際需求存在偏差。后建立空調協(xié)同控制系統(tǒng)，涵蓋了能源和水輸配系統(tǒng)，可實現(xiàn)冷源和水泵設備的遠程控制、各支路的供回水溫度和壓力及空調末端設備運行狀態(tài)的監(jiān)測，但仍未覆蓋末端設備。

3 結語與展望

從以上分析可以看出，航站樓空調末端系統(tǒng)的設計受氣候、能源等客觀條件的影響，但更多地還是取決于設計的合理性及自控系統(tǒng)的有效性。

除嚴寒地區(qū)的冷負荷明顯偏小外，其他地區(qū)現(xiàn)有航站樓空調末端系統(tǒng)設計負荷并未顯示出明顯的氣候區(qū)相關性。隨著建筑節(jié)能技術的發(fā)展，航站樓設計冷負荷呈現(xiàn)下降趨勢，但個體差異依然較大。這說明航站樓空調負荷很大程度上取決于設計的主觀因素即建筑本身，比如航站樓的規(guī)模定位、建設年代、設計客流量，所參考設計標準及所采用的空調技術合理性等。

在近10年的航站樓空調末端系統(tǒng)設計中，高大空間(出發(fā)大廳等區(qū)域)中空調末端系統(tǒng)形式主要以全空氣系統(tǒng)為主。對于過渡季較長、氣候較溫和的地區(qū)，自然通風是一種輔助空調方式，航站樓的空調設計冷負荷低于同地區(qū)的平均值，具有一定的節(jié)能效果。除嚴寒、寒冷地區(qū)外，由于冬季熱負荷較大，航站樓基本都采用地面輻射供暖和散熱器供暖形式，同時玻璃幕墻附近設置地面散流器，其他地區(qū)供冷/熱末端形式基本相同。航站樓的規(guī)模定位、建設年代、設計客流量等因素對末端空調形式的選擇并沒有明顯的影響。

盡管各航站樓空調末端形式趨同，但由于建筑內空間結構差異較大，氣流組織形式差異較大。調研結果顯示，目前設計中存在局部氣流組織不合理、溫度梯度大、空調系統(tǒng)冷/熱工況的切換方式對氣流組織的影響較大等問題。因此需要進一步構建高效氣流組織形式，重點研究適合各類熱舒適需求的送風口安裝位置、高度及送風方式，空調系統(tǒng)冷/熱工況的切換方式，合理改變氣流組織，降低熱壓作用和溫度梯度，以滿足供冷和供熱的需求。

合理確定航站樓供冷/熱空調末端系統(tǒng)的負荷是構建高效空調末端系統(tǒng)的基礎；合理確定設計工況、減少實際運行過程中的差異對空調末端系統(tǒng)的影響是實現(xiàn)空調系統(tǒng)高效運行的重要環(huán)節(jié)。

調研結果顯示，現(xiàn)有航站樓空調末端系統(tǒng)實際運行工況與設計工況存在較大差異。因此在今后設計中應重視和充分考慮航站樓內各區(qū)域人員密度及其波動性、空調系統(tǒng)的冷熱源及末端系統(tǒng)形式的匹配、近遠期航站樓旅客吞吐量發(fā)展趨勢的適應性，瞬時負荷波動的影響、滲透風的影響及作用規(guī)律等問題。

自控系統(tǒng)的實際運行效果和可靠性分析需要進一步深入研究。目前的航站樓建筑空調末端系統(tǒng)中，絕大部分采用的是傳統(tǒng)的一次回風全空氣系統(tǒng)。而溫濕度獨立控制系統(tǒng)作為一種較先進的暖通空調技術形式，節(jié)能性好，但由于實際運行中控制策略的復雜性較高，應用并不廣泛。因此，應進一步研究輻射末端(輻射板制品、輻射樓板)和分布式干工況空調機組的設置方法、設置容量、調控方式等技術應用問題；同時，分析低位送風末端方式(不切換)對冷熱供應的適應性和實施可行性，以構建適合航站樓建筑高大空間的溫濕度獨立控制空調系統(tǒng)。