北京市建筑設(shè)計研究院有限公司 董俐言 楊彩青 張 杰 祁 峰

0 引言

航站樓建筑作為公共交通的重要功能性建筑，與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，并且隨著航空運輸業(yè)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會的進(jìn)步而不斷演變[1]。《全國民用運輸機(jī)場布局規(guī)劃》計劃2025年形成京津冀、長三角、珠三角三大世界級機(jī)場群，北京、上海、廣州、成都、昆明、深圳、重慶、西安、烏魯木齊、哈爾濱等10個國際樞紐，以及長春、太原、蘭州、貴陽、廈門等29個區(qū)域樞紐[2]。航站樓建筑在體量、構(gòu)造、功能等方面均有別于一般公共建筑，其空調(diào)負(fù)荷也具有獨特的特征。因此，空調(diào)負(fù)荷特征及影響因素的研究對航站樓建筑空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及運行調(diào)節(jié)都有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究方法

民用運輸機(jī)場根據(jù)其定位、規(guī)模及航線特征，可分為樞紐機(jī)場、干線機(jī)場和支線機(jī)場[3]。不同規(guī)格機(jī)場的航站樓在建筑規(guī)模和設(shè)計吞吐量等方面存在較大差異，逐一研究不同規(guī)模航站樓的負(fù)荷特征將會帶來巨大的工作量。

圖1顯示了寒冷地區(qū)某機(jī)場T1、T2航站樓在2016年供冷季中逐日耗冷量與室外日平均溫度的關(guān)系。其中，T1航站樓建筑面積7.8萬m2，T2航站樓建筑面積33.6萬m2，二者體量差異較大。由圖1可見，T2航站樓的日耗冷量明顯高于T1航站樓，而二者的單位面積耗冷量指標(biāo)則較為接近。因此，以某一航站樓為對象，研究航站樓建筑的空調(diào)負(fù)荷特征及影響因素，對于其他不同體量的航站樓建筑也有一定的參考價值。

圖1 寒冷地區(qū)某機(jī)場航站樓耗冷量分布

1.1 研究對象及設(shè)計參數(shù)

選取嚴(yán)寒地區(qū)(C區(qū))某干線機(jī)場航站樓為研究對象，該航站樓建筑面積12.8萬m2，設(shè)計吞吐量1 100萬人次/a，平面呈“人”字形布置，由主樓和3個指廊構(gòu)成，效果圖見圖2。航站樓采用兩層半的布局方式，其中2層主要功能為值機(jī)大廳、安檢大廳和候機(jī)大廳，夾層為到港通道及中轉(zhuǎn)設(shè)施，首層為行李提取大廳、迎客大廳、VIP候機(jī)區(qū)、遠(yuǎn)機(jī)位候機(jī)廳及后勤辦公用房等。主樓剖面圖見圖3，指廊剖面圖見圖4。

圖2 航站樓效果圖

圖3 主樓剖面圖

圖4 指廊剖面圖

表1給出了航站樓各主要功能區(qū)域的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)。表2給出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)，其中嚴(yán)寒地區(qū)的數(shù)據(jù)為項目設(shè)計參數(shù)，寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)各選取一座典型城市，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)參考GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》限值選取。

表1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

1.2 研究內(nèi)容

1) 通過建立目標(biāo)航站樓的模型，分析各氣候區(qū)典型城市航站樓在設(shè)計工況下的冷熱負(fù)荷構(gòu)成，以及熱負(fù)荷與室內(nèi)得熱的關(guān)系。本研究關(guān)注的是航站樓內(nèi)人員活動區(qū)的負(fù)荷特征及設(shè)計參數(shù)選取對負(fù)荷的影響，暫不考慮廚房補風(fēng)及設(shè)備機(jī)房溫度保障所需的冷熱量。為使計算結(jié)果具有更高的可比性和更廣的適用性，均采用單位面積(空調(diào)區(qū)域計算面積)負(fù)荷指標(biāo)的形式予以呈現(xiàn)。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

2) 分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)設(shè)計參數(shù)、人員密度、新風(fēng)量指標(biāo)等因素對設(shè)計工況冷熱負(fù)荷的影響程度，參數(shù)的調(diào)整范圍以表1和表2中的設(shè)計工況為基點，結(jié)合航站樓設(shè)計現(xiàn)狀及相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行選取。

3) 基于負(fù)荷特征及負(fù)荷影響因素的分析，針對航站樓建筑常見的冷熱源(無蓄能的常規(guī)冷熱源)設(shè)備容量偏大、末端設(shè)備能力不足的現(xiàn)象，從客流分布和滲透風(fēng)現(xiàn)象等角度出發(fā)，探討航站樓建筑系統(tǒng)負(fù)荷與末端負(fù)荷的差異。

1.3 研究方法

1) 現(xiàn)場調(diào)研與文獻(xiàn)調(diào)研相結(jié)合。對多座航站樓建筑進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，了解其室內(nèi)熱舒適現(xiàn)狀及耗冷量、耗熱量水平；查閱設(shè)計資料和相關(guān)文獻(xiàn)，掌握近年來航站樓主流的設(shè)計參數(shù)范圍。通過現(xiàn)場調(diào)研和文獻(xiàn)調(diào)研工作，為發(fā)現(xiàn)問題、分析問題奠定基礎(chǔ)。

2) 定量分析與定性分析相結(jié)合。負(fù)荷特征及影響因素的研究采用定量分析的方法，選用HDY-SMAD 4.0版空調(diào)負(fù)荷計算軟件對不同氣候區(qū)設(shè)計工況下的冷熱負(fù)荷進(jìn)行計算，采用敏感性分析法研究各因素對空調(diào)負(fù)荷的影響，在調(diào)整某一因素的設(shè)置參數(shù)時，其他參數(shù)保持設(shè)計工況不變，直觀體現(xiàn)該因素對空調(diào)負(fù)荷的影響程度。系統(tǒng)負(fù)荷與末端負(fù)荷的差異則采用定性分析的方法，基于調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合工程經(jīng)驗，闡述計算負(fù)荷與冷熱源設(shè)備、末端設(shè)備容量之間的關(guān)系。

2 航站樓空調(diào)負(fù)荷構(gòu)成

基于如前所述的模型和參數(shù)進(jìn)行計算，得到各氣候區(qū)典型城市設(shè)計工況下的冷熱負(fù)荷指標(biāo)，如圖5所示。由圖5可見，除溫和地區(qū)外，其余氣候區(qū)的冷負(fù)荷指標(biāo)水平相當(dāng)，均在110～125 W/m2范圍內(nèi)，熱負(fù)荷指標(biāo)明顯呈現(xiàn)出嚴(yán)寒地區(qū)>寒冷地區(qū)>夏熱冬冷地區(qū)>夏熱冬暖地區(qū)的趨勢，嚴(yán)寒地區(qū)熱負(fù)荷指標(biāo)高達(dá)132 W/m2，夏熱冬暖地區(qū)熱負(fù)荷指標(biāo)僅為44 W/m2。溫和地區(qū)的冷熱負(fù)荷指標(biāo)差異不大，均在70 W/m2左右，其冷負(fù)荷為各氣候區(qū)最低，熱負(fù)荷則處于中間位置。

圖5 不同氣候區(qū)冷負(fù)荷及熱負(fù)荷指標(biāo)

各氣候區(qū)分項冷負(fù)荷指標(biāo)計算結(jié)果見圖6。人員負(fù)荷、照明負(fù)荷、設(shè)備及其他負(fù)荷不受室外氣象參數(shù)的影響，因此不同氣候區(qū)之間的冷負(fù)荷差異主要體現(xiàn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷上。由圖6可見，溫和地區(qū)的負(fù)荷特征與其他幾個氣候區(qū)差異較大，除溫和地區(qū)外，其余氣候區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷與新風(fēng)負(fù)荷之和比較接近。圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷指標(biāo)：嚴(yán)寒地區(qū)>寒冷地區(qū)>夏熱冬暖地區(qū)>夏熱冬冷地區(qū)，新風(fēng)負(fù)荷指標(biāo)：夏熱冬暖地區(qū)>夏熱冬冷地區(qū)>寒冷地區(qū)>嚴(yán)寒地區(qū)，二者大致呈相反的趨勢，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于新風(fēng)負(fù)荷由室內(nèi)外空氣比焓差決定，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷受室內(nèi)外溫差和太陽輻射兩方面因素影響，并且該航站樓建筑除首層外墻之外，大部分采用玻璃幕墻，盡管航站樓的挑檐對自身形成了遮擋(如圖3和圖4所示)，但太陽輻射仍是圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷的重要組成部分。

圖6 各氣候區(qū)冷負(fù)荷指標(biāo)

嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷中輻射負(fù)荷與傳熱負(fù)荷的對比見圖7，可見不同氣候條件下，太陽輻射得熱在圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷中的占比也有差別。夏令操等人的研究表明，對于寒冷地區(qū)的航站樓建筑，考慮建筑遮擋的遮陽效果，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大冷負(fù)荷比不考慮遮陽時降低20%左右[4]。

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷構(gòu)成

各氣候區(qū)冷負(fù)荷構(gòu)成比例見圖8，不同氣候區(qū)的分項負(fù)荷占比有差別。溫和地區(qū)由于其氣候的特殊性，冷負(fù)荷以室內(nèi)熱擾為主，人員負(fù)荷占比最高，約為38%，人員、照明、設(shè)備等內(nèi)擾占總冷負(fù)荷的70%；其他各氣候區(qū)的冷負(fù)荷構(gòu)成有一定相似性，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷與新風(fēng)負(fù)荷之和占總冷負(fù)荷的60%左右，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、新風(fēng)、人員負(fù)荷共占總負(fù)荷的80%以上。

圖9給出了各氣候區(qū)熱負(fù)荷及冬季得熱構(gòu)成。冬季工況下，為滿足室內(nèi)熱環(huán)境高保障性的要求，計算熱負(fù)荷時未考慮太陽輻射及人員、燈光、設(shè)備等得熱的折減，因此熱負(fù)荷僅由圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷兩部分組成，負(fù)荷的高低主要由室內(nèi)外溫差和比焓差決定，因此新風(fēng)熱負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷與總熱負(fù)荷呈現(xiàn)出一致的變化趨勢。而新風(fēng)熱負(fù)荷與圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷的比例則有差別：嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的新風(fēng)熱負(fù)荷比例最高，達(dá)60%以上；夏熱冬冷地區(qū)和溫和地區(qū)新風(fēng)熱負(fù)荷與圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷相近；僅夏熱冬暖地區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷高于新風(fēng)熱負(fù)荷。

圖9 不同氣候區(qū)熱負(fù)荷及冬季得熱構(gòu)成

實際上，太陽輻射和各項內(nèi)擾得熱對熱負(fù)荷有一定抵消作用，各氣候區(qū)冬季得熱量指標(biāo)比較接近，都在75～95 W/m2范圍內(nèi)，嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的得熱量低于熱負(fù)荷，夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)的得熱量高于熱負(fù)荷。盡管設(shè)計工況下冬季得熱量很高，但不宜據(jù)此對系統(tǒng)熱負(fù)荷進(jìn)行大量折減。因為太陽輻射得熱受晝夜更替的限制和天氣變化的影響，人員散熱量與客流波動相關(guān)，燈光和設(shè)備的散熱量則相對穩(wěn)定，折減部分內(nèi)區(qū)的燈光和設(shè)備散熱量在理論上是可行的，在工程應(yīng)用中則需要進(jìn)行細(xì)致的定量分析。

3 負(fù)荷影響因素分析

從以上負(fù)荷分析結(jié)果可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷和人員負(fù)荷是空調(diào)負(fù)荷的主要組成部分，本章分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)設(shè)計溫度、人員密度和新風(fēng)量等因素對空調(diào)負(fù)荷的影響。由于后勤辦公區(qū)與旅客活動區(qū)相對獨立，其層高、內(nèi)擾、作息等特征更接近常規(guī)辦公建筑，而貴賓休息區(qū)雖屬于旅客活動區(qū)，但熱舒適需求與其他區(qū)域差別較大，因此在分析負(fù)荷影響因素時，暫不考慮后勤辦公區(qū)和貴賓休息區(qū)，僅關(guān)注值機(jī)大廳、候機(jī)大廳、到達(dá)大廳等常規(guī)旅客活動區(qū)，以及與之相連通的商鋪和餐飲區(qū)域。

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)對負(fù)荷的影響包括體形系數(shù)、窗墻面積比、傳熱系數(shù)及透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的太陽得熱系數(shù)(SHGC)等多個方面。航站樓建筑體形通常比較規(guī)整，體形系數(shù)較小，MH/T 5033—2017《綠色航站樓標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的航站樓體形系數(shù)不應(yīng)大于0.2[5]，并且體形系數(shù)對空調(diào)負(fù)荷的影響難以直接衡量；另一方面，為了獲得良好的自然采光，營造舒適開闊的視覺環(huán)境，航站樓多采用大面積玻璃幕墻。因此，本研究暫不考慮對研究對象的體形系數(shù)和窗墻面積比進(jìn)行調(diào)整，僅分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對空調(diào)負(fù)荷的影響。

由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)種類多樣，熱工參數(shù)各不相同，故采用無量綱化的方式，在表2中表述的熱工參數(shù)基礎(chǔ)上分別優(yōu)化5%和10%，以衡量圍護(hù)結(jié)構(gòu)對負(fù)荷的影響，結(jié)果如圖10所示?？梢姡照{(diào)負(fù)荷與圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)大致呈線性關(guān)系，將線段的斜率稱為影響因數(shù)，影響因數(shù)越大，表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對負(fù)荷的影響越大。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)對冷負(fù)荷的影響因數(shù)范圍為0.22～0.37，對熱負(fù)荷的影響因數(shù)范圍為0.37～0.58，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對熱負(fù)荷的影響大于對冷負(fù)荷的影響，這是因為設(shè)計工況(夏季26 ℃，冬季20 ℃)下，冬季室內(nèi)外溫差大于夏季(見圖11)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷在總熱負(fù)荷中的比例比在冷負(fù)荷中的比例高。而不同氣候區(qū)中圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷占總負(fù)荷的比例不同，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)對負(fù)荷的影響因數(shù)也略有差別，嚴(yán)寒地區(qū)冷負(fù)荷受圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響最大，熱負(fù)荷中影響因數(shù)最大的是夏熱冬暖地區(qū)。

圖11 各氣候區(qū)典型城市設(shè)計工況下的室內(nèi)外空氣溫差

MH/T 5033—2017《綠色航站樓標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：航站樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能指標(biāo)宜優(yōu)于GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的限值5%及以上[5]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)優(yōu)化5%時，冷負(fù)荷可降低1%～2%，熱負(fù)荷可降低2%～3%。

3.2 室內(nèi)設(shè)計溫度

除了人員、照明及設(shè)備的散熱量與室內(nèi)設(shè)計參數(shù)關(guān)聯(lián)較小外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和新風(fēng)的冷熱負(fù)荷均受到室內(nèi)設(shè)計參數(shù)的影響，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷僅與設(shè)計溫度有關(guān)，新風(fēng)負(fù)荷則同時受溫度和相對濕度影響。由于航站樓建筑對室內(nèi)相對濕度的要求較為寬泛，因此本研究主要分析室內(nèi)設(shè)計溫度對空調(diào)負(fù)荷的影響。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，國內(nèi)航站樓夏季室內(nèi)設(shè)計溫度多為24～26 ℃，冬季室內(nèi)設(shè)計溫度為18～22 ℃[4,6]。朱穎心等人對不同氣候區(qū)、不同人員活動水平下各功能區(qū)域的操作溫度給出了建議值[7]。

由于本研究計算所選取的溫和地區(qū)典型城市夏季空調(diào)室外設(shè)計干球溫度為26.2 ℃，與室內(nèi)設(shè)計溫度非常接近，故分析室內(nèi)設(shè)計溫度對冷負(fù)荷的影響時暫不考慮溫和地區(qū)。

計算結(jié)果見圖12?？梢钥闯觯焊鳉夂騾^(qū)冷負(fù)荷受室內(nèi)設(shè)計溫度影響的程度非常接近，室內(nèi)設(shè)計溫度每升高1 ℃，冷負(fù)荷降低4%～5%；熱負(fù)荷則呈現(xiàn)出較大的差異，總體而言，總熱負(fù)荷越小、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)越大的地區(qū)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷占比越高，室內(nèi)設(shè)計溫度對熱負(fù)荷的影響越顯著。室內(nèi)設(shè)計溫度每降低1 ℃，夏熱冬暖地區(qū)熱負(fù)荷降低約10%，夏熱冬冷地區(qū)及溫和地區(qū)熱負(fù)荷降低約6%～7%，寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)熱負(fù)荷分別降低約4%和3%。

根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》第3.0.2條及其條文說明，機(jī)場航站樓屬于人員短期逗留區(qū)，室內(nèi)設(shè)計溫度可比長期逗留區(qū)放寬1～2 ℃。與航站樓建筑中其他功能區(qū)域相比，候機(jī)大廳中人員的停留時間相對較長，可將候機(jī)大廳視為人員長期逗留區(qū)，其他旅客活動區(qū)視為人員短期逗留區(qū)，為航站樓不同功能區(qū)域選擇不同的室內(nèi)設(shè)計溫度，在保障人員熱舒適的前提下降低空調(diào)負(fù)荷。

3.3 人員密度

人員密度對冷負(fù)荷的影響包括人員負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷兩部分，對熱負(fù)荷的影響則全部為新風(fēng)負(fù)荷。由圖7和圖9可見，各氣候區(qū)人員負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷之和占總冷負(fù)荷的比例為45%～60%，與新風(fēng)負(fù)荷在總熱負(fù)荷中的占比相近。因此人員密度是空調(diào)負(fù)荷的重要影響因素。目前機(jī)場主要旅客活動區(qū)的設(shè)計人員密度多取4～6 m2/人[4,6,8-9]。

不同功能區(qū)域人員密度變化對負(fù)荷的影響見圖13，擬合的趨勢線為敏感度最高和最低的2個氣候區(qū)，其余氣候區(qū)則處于二者之間?？梢钥闯?，不同氣候區(qū)之間人員密度對負(fù)荷的影響程度有一定差異。冷負(fù)荷受人員密度影響最大的是夏熱冬暖地區(qū)，最小的是嚴(yán)寒地區(qū)；熱負(fù)荷受人員密度影響最大的是嚴(yán)寒地區(qū)，最小的是夏熱冬暖地區(qū)。

a 候機(jī)廳及餐飲零售 b 迎客大廳

c 值機(jī)大廳 d 安檢大廳

“m2/人”是設(shè)計工作中常用的人員密度表達(dá)方式，對于一定面積的區(qū)域或建筑，人員密度每變化1 m2/人，研究對象內(nèi)總?cè)藬?shù)的變化是非線性的，因而圖13中各區(qū)域的冷熱負(fù)荷與人員密度也呈非線性關(guān)系。將人員密度的量綱由“m2/人”折算成“人/m2”后，可知人員密度每增大0.1人/m2，負(fù)荷增加約15%～20%。

3.4 新風(fēng)量指標(biāo)

新風(fēng)負(fù)荷是空調(diào)負(fù)荷的重要組成部分，其數(shù)值的高低受到人員密度、新風(fēng)量指標(biāo)及室內(nèi)外空氣比焓差的影響。人員密度對負(fù)荷的影響已在第3.3節(jié)中進(jìn)行了討論，對于任一具體工程，當(dāng)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)確定后，即可得到設(shè)計工況下室內(nèi)外空氣的比焓差。

各氣候區(qū)典型城市設(shè)計工況(夏季26 ℃/55%，冬季20 ℃/30%)下室內(nèi)外空氣比焓差見圖14。嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和溫和地區(qū)典型城市的冬季室內(nèi)外空氣比焓差大于夏季，其中嚴(yán)寒地區(qū)冬夏季室內(nèi)外空氣比焓差的差異最大，差值高達(dá)37.7 kJ/kg，夏熱冬暖地區(qū)冬季室內(nèi)外空氣比焓差小于夏季，這一結(jié)論與第3.3節(jié)中人員密度變化對冷熱負(fù)荷的影響趨勢一致。夏熱冬冷地區(qū)冬夏季室內(nèi)外空氣比焓差的差異最小，差值僅為6.5 kJ/kg，對于該氣候區(qū)的其他城市，或當(dāng)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)改變時，可能出現(xiàn)冬季室內(nèi)外空氣比焓差大于夏季的情況。

圖14 各氣候區(qū)典型城市設(shè)計工況下的室內(nèi)外空氣比焓差

由圖14還可以看出，設(shè)計工況下溫和地區(qū)夏季室內(nèi)外空氣比焓差僅為3.7 kJ/kg，因此在制冷季的夜間及過渡季存在大量室外空氣比焓低于室內(nèi)的情況，充分利用自然通風(fēng)可以縮短制冷機(jī)運行時間，降低冷源設(shè)備和輸配系統(tǒng)的能耗，若采用機(jī)械通風(fēng)手段加強(qiáng)空氣流通，則會增大末端風(fēng)機(jī)能耗。此部分內(nèi)容有待下一步深入研究。

新風(fēng)負(fù)荷與新風(fēng)量指標(biāo)呈正線性相關(guān)，即新風(fēng)量指標(biāo)越高，新風(fēng)負(fù)荷和總負(fù)荷越大。設(shè)計工況下室內(nèi)外空氣比焓差越大，單位新風(fēng)量的負(fù)荷越大，新風(fēng)量指標(biāo)對負(fù)荷的影響就越大；新風(fēng)負(fù)荷在總負(fù)荷中的比例越高，新風(fēng)量指標(biāo)對負(fù)荷的影響也越大。

文獻(xiàn)[10]對航站樓內(nèi)各區(qū)域新風(fēng)量指標(biāo)的設(shè)計值進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果表明旅客活動區(qū)的新風(fēng)量指標(biāo)大多集中在15～25 m3/(人·h)。研究對象設(shè)計參數(shù)中餐飲區(qū)域的新風(fēng)量指標(biāo)與其他區(qū)域稍有差別(見表1)，為便于結(jié)果的對比分析，在計算不同新風(fēng)量指標(biāo)下的冷熱負(fù)荷時，將各功能區(qū)域的新風(fēng)量指標(biāo)設(shè)置為相同的數(shù)值，仍以設(shè)計工況下的負(fù)荷作為100%的基準(zhǔn)值。計算結(jié)果見圖15，人均新風(fēng)量指標(biāo)每增大5 m3/(人·h)，冷負(fù)荷升高2%～10%，熱負(fù)荷升高10%～15%。

新風(fēng)的設(shè)置主要是為了滿足室內(nèi)人員的衛(wèi)生需求，以CO2濃度作為其衡量指標(biāo)。多個航站樓室內(nèi)環(huán)境調(diào)研結(jié)果表明，航站樓內(nèi)的CO2濃度普遍較低，即使在過渡季新風(fēng)不開啟的情況下，室內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)仍未超過1 000×10-6，這表明航站樓中存在過量的新鮮空氣，因而從這一角度來說，機(jī)械新風(fēng)量宜根據(jù)各區(qū)域所處的位置和使用功能靈活設(shè)置，例如，值機(jī)大廳、到達(dá)大廳等與室外多開口連通的區(qū)域可設(shè)置較低的新風(fēng)量指標(biāo)，航站樓內(nèi)區(qū)及候機(jī)廳等可能因航班延誤造成人員聚集的區(qū)域，可按人均新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。

4 系統(tǒng)負(fù)荷與末端負(fù)荷的差異

對多個機(jī)場航站樓的現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，能源站的冷熱源設(shè)備通常處于部分負(fù)荷運行的狀態(tài)，甚至出現(xiàn)設(shè)備閑置的現(xiàn)象，而與此同時，又存在夏季頂層過熱或冬季底層過冷等室內(nèi)熱環(huán)境不滿足設(shè)計要求的情況。除了受高大空間熱壓造成的豎向溫度梯度影響外，也在一定程度上說明了冷熱源設(shè)備容量和末端設(shè)備容量均與實際需求存在差異。

前文所分析的負(fù)荷特征和影響因素均針對設(shè)計條件下的建筑計算負(fù)荷，按照設(shè)計計算負(fù)荷直接確定冷熱源設(shè)備容量和末端設(shè)備容量顯然是不適宜的，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚蚋郊?。將用于確定冷熱源設(shè)備容量的負(fù)荷稱為系統(tǒng)負(fù)荷，系統(tǒng)負(fù)荷反映的是建筑整體對總冷熱量的需求，對于常規(guī)公共建筑(如辦公建筑)的冷熱源系統(tǒng)而言，系統(tǒng)負(fù)荷約等于設(shè)計計算負(fù)荷；用于確定各末端設(shè)備容量的負(fù)荷稱為末端負(fù)荷，總末端負(fù)荷相當(dāng)于各區(qū)域負(fù)荷的累計最大值。

由于蓄能系統(tǒng)的冷熱源裝機(jī)容量需要根據(jù)負(fù)荷曲線、蓄能率、能源價格等因素綜合確定，通常小于建筑設(shè)計負(fù)荷(即設(shè)計工況下的計算負(fù)荷)，本研究暫不考慮蓄能系統(tǒng)的能源設(shè)備容量設(shè)計，僅討論常規(guī)冷熱源系統(tǒng)負(fù)荷與末端負(fù)荷之間的差異。

4.1 客流分布

人員流動性和客流分布的不均勻性是航站樓等交通建筑的一大特征，航站樓內(nèi)的人員流動比常規(guī)公共建筑大得多，總體而言，分為旅客出發(fā)流程和旅客到達(dá)流程。出發(fā)流程中，旅客進(jìn)入航站樓后，依次經(jīng)過值機(jī)大廳、安檢大廳、候機(jī)大廳，直至登機(jī)；到達(dá)流程中，旅客經(jīng)由到港通道，經(jīng)過行李提取廳和到達(dá)大廳離開航站樓。由于出發(fā)流程和到達(dá)流程的時序性，各個區(qū)域的人員密度不會在同一時刻達(dá)到高峰值。李凌杉等人對西南地區(qū)某樞紐機(jī)場航站樓值機(jī)區(qū)域與候機(jī)區(qū)域的人員密度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：航站樓各典型功能區(qū)域的人員密度調(diào)研結(jié)果與其設(shè)計值較為接近，但各區(qū)域?qū)嶋H總?cè)藬?shù)與設(shè)計總?cè)藬?shù)之間存在顯著差異[11]。

另外，航站樓內(nèi)客流高峰出現(xiàn)的時間與室外氣象參數(shù)最不利的時刻未必重合。文獻(xiàn)[11]調(diào)研得到的客流峰值在早上，而夏季室外溫度最高、太陽輻射最強(qiáng)的時刻通常為14:00左右，冬季室外溫度最低的時間則是凌晨。

末端設(shè)備容量需滿足各功能區(qū)域的負(fù)荷峰值，并適當(dāng)考慮航班延誤等特殊情況造成的人員聚集，在冷熱源設(shè)計時可考慮一定的同時使用系數(shù)，以降低能源設(shè)備的冗余度。

4.2 滲透風(fēng)

航站樓屬于跨層連通、不同高度多開口的高大空間，熱壓作用顯著。模擬和實測結(jié)果表明，冬季和夏季均存在相當(dāng)可觀的滲透風(fēng)量，并以冬季為甚，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計新風(fēng)量[12]。因而滲透風(fēng)會造成大量的冷熱負(fù)荷，而在目前的航站樓設(shè)計中，滲透風(fēng)的影響尚未被納入負(fù)荷計算中。

第3.4節(jié)分析指出，滲透風(fēng)的存在使得出于衛(wèi)生需求考慮的機(jī)械新風(fēng)量有降低的可能性，而當(dāng)室外空氣質(zhì)量較差，如PM2.5超標(biāo)時，為保障室內(nèi)人員的健康，仍需采取機(jī)械新風(fēng)的方式。

建議在冷熱源設(shè)備選型時適當(dāng)折減與室外多開口連通區(qū)域的新風(fēng)負(fù)荷，以降低設(shè)備容量；而在末端設(shè)計中，滿足設(shè)計人均新風(fēng)量指標(biāo)之余，宜對滲透風(fēng)負(fù)荷予以一定的考慮，以保障局部區(qū)域的舒適性。

5 結(jié)語

本文通過分析不同氣候區(qū)典型城市航站樓建筑空調(diào)負(fù)荷的構(gòu)成及各主要因素對負(fù)荷的影響，得出以下結(jié)論：

1) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷和人員負(fù)荷是空調(diào)負(fù)荷的主要組成部分，除溫和地區(qū)外，其他各氣候區(qū)的冷負(fù)荷指標(biāo)水平相當(dāng)，均為110～125 W/m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷與新風(fēng)負(fù)荷之和占總冷負(fù)荷的60%左右；熱負(fù)荷明顯呈現(xiàn)出嚴(yán)寒地區(qū)>寒冷地區(qū)>夏熱冬冷地區(qū)>夏熱冬暖地區(qū)的趨勢，負(fù)荷指標(biāo)差異較大；溫和地區(qū)的冷熱負(fù)荷指標(biāo)差異不大，均為70 W/m2左右，冷負(fù)荷以室內(nèi)熱擾為主，人員、照明、設(shè)備等內(nèi)擾占總冷負(fù)荷的70%。

2) 人員密度和新風(fēng)量指標(biāo)是對負(fù)荷影響較大的因素，人員密度每增大0.1人/m2，負(fù)荷升高約15%～20%；人均新風(fēng)量指標(biāo)每增大5 m3/(人·h)，冷負(fù)荷升高2%～10%，熱負(fù)荷升高10%～15%；圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)優(yōu)化5%，冷負(fù)荷降低1%～2%，熱負(fù)荷降低2%～3%；室內(nèi)設(shè)計溫度每升高1 ℃，冷負(fù)荷降低4%～5%，熱負(fù)荷降低3%～10%。

3) 系統(tǒng)負(fù)荷和末端負(fù)荷之間存在一定差異，建議綜合考慮客流波動、滲透風(fēng)的影響等因素，慎重確定冷熱源設(shè)備的裝機(jī)容量和末端設(shè)備的選型。

受時間所限，本研究存在一些不足之處，后續(xù)將進(jìn)行更為深入的研究：

1) 本研究關(guān)注的是設(shè)計工況下的空調(diào)負(fù)荷特征及影響因素，后續(xù)研究可對客流波動和滲透風(fēng)等因素對設(shè)計負(fù)荷的影響進(jìn)行定量分析，優(yōu)化負(fù)荷計算及系統(tǒng)設(shè)計，并面向全年動態(tài)負(fù)荷，為空調(diào)系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)提供參考。

2) 本研究僅分析了各個因素作為單一變量對空調(diào)負(fù)荷的影響，未納入各因素之間的相互作用，后續(xù)可綜合考慮各因素對負(fù)荷的影響，深入開展空調(diào)負(fù)荷的敏感性分析。