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北京机场航站楼空调负荷特性分析
北京市建筑设计研究院 夏令操、黄季宜
概要：本文以机场航站楼，这一独特的具有流线型整体屋面、巨大挑檐、建筑自身遮挡显著、高度起伏变化的玻璃幕墙、大面积的内区房间等的建筑为研究对象。运用DeST建筑模拟软件，通过全年逐时空调负荷的模拟分析计算，分析了建筑遮挡对围护结构负荷的影响，玻璃幕墙热工性能以及全年空调负荷影响因数，为建筑围护结构优化和空调方案选择提供更全面、准确的设计依据。
关键词：航站楼、建筑模拟软件、冷热负荷
1. 航站楼建筑特点
从航站楼的平面示意图1及剖面图2－4可以看出，外部造型及室内空间结构均较复杂。从建筑热工分析角度而言，航站楼具有以下特点:流线型整体屋面，巨大挑檐;建筑自身遮挡显著;高度起伏变化的玻璃幕墙;垂直连通的高大空间;大面积的内区房间和有规律排布的巨大天窗[1]。

图1.剖面位置示意图

图3. E-E剖面

图2.N-N剖面

图4. L-L剖面（局部）

航站楼的上述特点，给暖通设计工作带来的最大困难之一是无法运用传统的负荷计算方法进行空调负荷计算。原因有两个：第一，传统的负荷计算方法较难算出围护结构外表面受遮挡后的阴影面积，而航站楼这类建筑挑檐面积很大，自身遮挡十分明显，忽略这部分影响则可能导致计算结果明显偏大。第二，航站楼中大量高大空间的负荷计算对于传统负荷计算方法来说是一个十分棘手的问题。因此，为了适应日渐复杂的建筑设计方案，通过全年逐时空调负荷的模拟分析计算，为建筑围护结构优化和空调系统方案选择提供更全面、准确的设计依据，运用DeST建筑模拟软件是必要的[2][3][4]。
2. 航站楼围护结构与室内设计参数的设定
建筑模型建立完成后需要设定建筑的具体计算参数，其中包括定义建筑物的地理位置、围护结构类型及热工参数、房间功能、室内设计参数、室内热扰参数、全年内扰及空调系统作息模式等。围护结构热工参数见表1，室内设计参数见表2。

表1. 围护结构热工参数
围护结构类型
传热系数
遮阳系数SC
W/m²℃
外墙
0.80
-
玻璃幕墙
1.90
0.60
屋面
0.60
-
天窗
1.90
0.60
挑空楼板
0.60
-
内隔墙
1.50
-

表2. 室内设计参数
序号
房间类型
夏季设定
温度
冬季设定
温度
相对湿度
人员
密度
人均新
风量
灯光
设备
（℃）
（℃）
（％）
m2/per
m3/h/per
W/m2
W/m2
1
办票大厅
26
20
35-60
6
30
20
8
2
候机室
26
20
35-60
6
30
20
8
3
到达区
26
20
35-60
6
30
12
5
4
VIP休息室
24
22
35-60
30
50
20
8
5
高级办公室
26
20
35-60
5
50
20
20
6
普通办公室
26
20
35-60
5
30
20
20
7
零售商店
26
20
35-60
5
30
120
10
8
西餐厅
26
20
35-60
2
20
40
0
9
中餐厅
26
20
35-60
2
20
40
0
10
走廊
26
20
35-60
20
20
12
0

3. 建筑遮挡对围护结构负荷的影响分析
航站楼围护结构冷热负荷的计算结果见表3，建筑遮挡对围护结构负荷的影响分析见图5。从图5可以看出，如果不考虑建筑遮挡的遮阳效果，围护结构最大冷负荷将增大25%，而热负荷则下降4%左右，表明建筑遮挡对冷负荷极大值的影响比热负荷大，这是因为冬季太阳高度角较低，建筑物挑檐对太阳光线的遮挡效果减弱，此外，由于热负荷极大值一般出现在清晨或夜间，建筑遮阳对热负荷极大值的影响不明显。
有必要对考虑遮阳前后的围护结构全年累计冷热负荷进行比较。从图6可以看出，考虑遮阳后，全年累计冷负荷减少了4142MW.h，但同时全年累计热负荷增加了3856MW.h。全年累计热负荷增加的比例达到49%，远高于热负荷极大值的增加比例，这是因为在白天有太阳辐射的时刻，建筑遮阳对热负荷的影响还是较大的，因此全年累计热负荷数值增长也较多。
航站楼的屋面挑檐设计以及建筑自身的互相遮挡虽然大大降低了围护结构的冷负荷极大值及全年累计值，但同时也导致全年累计热负荷明显增加，由此可见建筑挑檐及自身遮挡对围护结构冷热负荷的影响是两面的，不同朝向的遮阳作用也不尽相同。

表3. 围护结构冷热负荷极值及出现时刻
负荷
空调总面积
最大值
最大值
日期
时刻
温度
含湿量
焓
m2
kW
W/m2
hr
℃
g/Kg
kJ/kg
冷负荷
296173
5518
18.6
8月4日
14
31.3
21.2
85.9
热负荷
8001
27.0
1月19日
7
-14.2
0.4
-13.4

图5. 遮阳对围护结构冷热负荷的影响

图6. 遮阳对围护结构全年累计冷热负荷的影响

4. 玻璃幕墙热工性能分析
航站楼的外墙除首层外，大部分采用玻璃幕墙，如图2-4所示，因此玻璃幕墙的热工性能对围护结构的冷热负荷影响最大。对玻璃幕墙而言，传热系数和遮阳系数是影响其热工性能的主要参数。为了分析幕墙传热系数和遮阳系数对围护结构冷热负荷的影响，分别设计了以下两组工况：第一组工况用于分析遮阳系数SC对冷热负荷的影响，第二组工况用于分析传热系数K（W/m2.℃）对冷热负荷的影响，见表4。本次设计玻璃幕墙采用了夹层/钢化中空Low-E玻璃，其传热系数K为1.90W/m2.℃，玻璃的遮阳系数SC为0.60。
表4. 玻璃幕墙热工性能分析计算工况列表
第一组工况
第二组工况
K（W/m2.℃）
SC
SC
K（W/m2.℃）
1.90
0.40
0.60
1.90
0.50
2.30
0.60
2.70
0.70
3.10
0.80
3.50

图7给出了SC为0.40，0.50，0.60，0.70，0.80五种工况下冷热负荷的比较。从图7可以看出，冷负荷随着SC的增加几乎是线性增加的，热负荷则随着SC的增加而递减，但冷负荷对SC的敏感度比热负荷大很多。
图8给出了K值为1.90，2.30，2.70，3.10，3.50W/m2.℃五种工况下冷热负荷的比较。此处没有选择比设计工况更小的传热系数，是因为幕墙的K值是玻璃和连接件的综合值，由于幕墙连接件的传热系数一般比玻璃大，当幕墙的综合K值为1.90 W/m2.℃时，其对应玻璃的传热系数一般不应大于1.60W/m2.℃，该数值已经是常用玻璃传热系数的低限。因此在K值比较中，其它工况的K值都比设计工况大。
从图8可以看出，热负荷随着K值的增大几乎是线性增加的，冷负荷虽然随着K值的增大略有增加，但增加幅度远小于热负荷。

图7. 不同SC值工况下的冷热负荷比较

图8.不同K值工况下的冷热负荷比较

从以上两组工况的计算结果可以看出，玻璃幕墙的遮阳系数SC对围护结构冷负荷的影响远大于其对热负荷的影响，而幕墙的传热系数K对围护结构热负荷的影响则远大于其对冷负荷的影响，由此可以得出结论，要减小围护结构冷负荷，应首先选择减小幕墙的遮阳系数，而要减小围护结构热负荷，则应首先选择减小幕墙的传热系数。
5. 全年空调负荷分析
房间内扰是影响房间热环境的另一重要因素，尤其是室内发热量较大的房间，内扰对室内热环境的影响更是占到了主导地位。
根据航站楼的室内参数、内扰及作息模式等，计算得到全年冷热负荷如表5，6所示。其中表5是不含新风负荷时全楼冷热负荷的最大值及出现时刻，并给出了该时刻对应的室外气象参数。表6则包含了新风负荷。
表5.航站楼空调冷热负荷(不含新风)
负荷(不含新风)
空调总
面积
最大值
最大值
全年最大
时刻
日期
时刻
温度
含湿量
焓
m2
kW
W/m2
hr
hr
℃
g/Kg
kJ/kg
冷负荷
296173
15893
53.7
5175
8月4日
15
32.2
22.2
89.4
热负荷
2681
9.1
439
1月19日
7
-14.2
0.4
-13.4

表6.航站楼空调冷热负荷(含新风)
负荷(含新风)
空调总
面积
最大值
最大值
全年最大
时刻
日期
时刻
温度
含湿量
焓
m2
kW
W/m2
hr
hr
℃
g/Kg
kJ/kg
冷负荷
296173
44129
149.0
5128
8月2日
16
34.6
25.6
100.5
热负荷
19065
64.4
439
1月19日
7
-14.2
0.4
-13.4

对比表5,6可以看出，考虑新风前后，除了负荷值本身变化外，冷负荷最大值的出现日期及时刻也发生了变化。这是因为考虑新风负荷后，全楼负荷的数值大小与室外空气焓值紧密相关，冷负荷最大值一般出现在外气焓值较高的时刻。表6中最大冷负荷出现时刻对应的外气焓值为100.5kJ/kg,已经非常接近全年的最高焓值：110.1 kJ/kg。
将表6中的冷热负荷按围护结构负荷、室内负荷、新风负荷进行分类，可以得到表7,8的结果。需要特别说明的是，由于DeST在进行负荷计算时，冬季热负荷与加湿负荷是分别计算的，因此表8中的冬季室内热负荷及新风热负荷均指显热负荷。

表7. 航站楼空调冷负荷分类
冷负荷分类
负荷值
负荷值
比例
kW
W/m2
围护负荷
4914
16.6
11.1%
室内负荷
15347
51.8
34.8%
新风负荷
23868
80.6
54.1%
总负荷
44129
149.0
100%

表8.航站楼空调热负荷分类
热负荷分类
负荷值
负荷值
比例
kW
W/m2
围护负荷
8001
27.0
28.5%
室内负荷
-8977
-30.3
-
新风负荷
20041
67.7
71.5%
总负荷
19065
64.4
-

从表7，8可以看出，在冷负荷构成中，新风冷负荷占总负荷的百分比达到54%，超过了围护结构和室内发热形成的冷负荷之和，而在热负荷组成中，新风热负荷的比例更是高达71%，比一般的估算指标（新风热负荷占总热负荷的1/3左右）大很多，这是因为航站楼的内区面积很大，占全楼空调面积的一半以上，并且内区房间的新风标准较高（内区办公房间新风标准：50m3/h.人，5m2/人），导致航站楼的围护结构热负荷面积指标相对较小，新风热负荷面积指标则相对较高，因此新风热负荷占总负荷的比例比一般估算指标高很多。综上所述，新风负荷是航站楼空调能耗的最大组成部分，要想减小航站楼的全年空调能耗，应首先采用减小新风负荷的节能措施。
航站楼全年逐时冷热负荷(含新风负荷)及分布如图9-12所示。从图9,11可以看出，航站楼出现冷热负荷同时存在的情况，经统计，冷热同供的时间为2985小时，占全年时间的34%，主要集中在1~3月及11、12月。这是因为T3A航站楼内有大量的内区房间，这类房间基本上全年均需供冷，因此在采暖季节，就会出现外区房间需要供热，内区房间仍需供冷的情形。
从图10的冷负荷分布图，可以看出全楼冷负荷大于35000kW的小时数只有40小时，因此在确定冷源容量时可以不考虑这40 小时，而以35000kW作为冷源的最大容量。此外，图10还显示，全楼冷负荷小于1000kW的时间为3754小时，占全年时间的42.9%，因此在确定冷源最小机组容量时，应设置一台1000kW的冷机，以适应低负荷时的供冷要求。

图9.航站楼全楼逐时冷负荷

图11.航站楼全楼逐时热负荷

图10.航站楼全楼冷负荷分布图

图12.航站楼全楼热负荷分布图

6. 结论
使用建筑模拟分析软件DeST对航站楼进行了空调负荷的全年逐时模拟分析。通过对计算结果的分析，得出以下结论：
1） 对于航站楼这类外部造型及室内空间结构均比较复杂的建筑，使用传统的负荷计算方法无法获得较准确的负荷计算结果，采用建筑模拟分析软件进行动态负荷计算及系统分析，对于航站楼这类相对复杂的建筑来说是十分必要的。
2） 航站楼大面积的建筑挑檐及自身互遮挡，可以大大减少玻璃幕墙的太阳辐射得热，对于减少围护结构冷负荷有显著作用，同时不会导致冬季围护结构热负荷的明显增加。
3） 对于航站楼这类几乎全幕墙结构的建筑，玻璃幕墙的热工参数对围护结构的冷热负荷影响十分显著，其中玻璃幕墙的遮阳系数SC对围护结构冷负荷的影响远大于其对热负荷的影响，而幕墙的传热系数K对围护结构热负荷的影响则远大于其对冷负荷的影响，因此要减小围护结构冷负荷，应首先选择减小幕墙的遮阳系数，而要减小围护结构热负荷，则应首先选择减小幕墙的传热系数。
4） 通过对航站楼空调负荷的构成分项分析，得知航站楼的新风负荷是全楼总负荷的最大组成部分，其占总冷负荷的比例达54%，占热负荷的比例更是高达71%，因此要想减小航站楼的全年空调能耗，应首先采用减小新风负荷的节能措施。
5） 通过对航站楼空调负荷的全年分布统计，可以得到冷热负荷在不同数值范围的分布情况，为冷热源的初步选择提供设计依据。