廣州新白云國際機場一期航站樓空調負荷分析

李司秀;胡嘉慶

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

1 簡介

廣州新白云國際機場一期航站樓是一種功能復雜、系統繁多、規模宏大的特殊建筑類型[1],建設規模為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,可到達連接樓及停車樓、酒店,首層南面為商業中心,是餐廳、食街及商場,北面為控制中心及信息中心,二層為設備夾層,三層為出港辦票大廳,其中國內部分設9個辦票島,共計144個柜臺,國際部分設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,二層為到達廳、國際過境廳,三層為出發廳;東一、東二、西一、西二指廊,約長300m,寬34m,平面呈長矩形,首層為遠機位候機廳及附屬用房,二層為到達廊道,三層為候機廳。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,使室內外環境獲得更多交融,屋頂采用金屬與張拉膜采光相結合的屋面系統,較之玻璃天窗采光避免了直射眩光,明亮柔和,營造出現代化航站樓的候機環境。航站樓規模為年客運量2500萬人次,高峰小時客運量9300人,年貨運吞吐量為110萬噸[1]。

圖1 航站樓平面示意圖

在空調設計方面,有其各方面的特殊性。首先在確定空調負荷時,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合的屋面系統,都有其特殊性[1],玻璃幕墻的熱工參數對空調負荷有明顯影響;由于人員密度較大,新風負荷所占空調總負荷比例很大,甚至達到50%以上,通過逐時負荷計算和對不同負荷的具體分析[2],才確定空調的主機負荷和末端負荷;在空調風系統里,根據不同空間高度設置常規空調和分層空調,分層空調對高大空間而言,僅對下部空間即人員停留的區域進行空氣調節,使工作區有很好的環境,而對上部空間不采用空調,僅采用通風排熱,大大降低空調負荷,節能效果明顯;根據不同裝修要求和不同送風要求,采用各種不同風口的送風,有散流器、雙層百葉、條形風口、噴口、鼓型風口等;為了更好地采用合理送風方式,采用可靠的氣流組織分析預測,即進行CFD模擬,CFD對室內氣流組織分析預測和模擬可以得到較為準確的室內空氣的溫度場、速度場、壓力場、熱舒適性場等[3],可以在進一步分析這些流場中,發現設計中沒有考慮或考慮不周的問題,并作進一步改進和優化。在空調水系統里,由于水路半徑較長,設置多級泵系統,在干管上設置平衡閥,使各個干管水路相對平衡,在每個末端設置電動二通閥,自動調節水量,通過對2007和2008年的運行情況分析,進一步分析主機及其他設備的合理性和節能性,把系統調節到較為節能的狀態。

此文重點分析空調逐時負荷的計算和不同材料對負荷的影響,并通過對2007年和2008年主機運行情況的分析,探討負荷計算的準確性和節能性。

2 航站樓空調系統冷負荷特性分析

2.1 計算條件

航站樓的地下一層、首層、二層的逐時負荷與常規的商用公共建筑較為類似,但三層的最大層高達到20余米,屬于高大空間的空調。空調系統不同于一般建筑空調,相應的空調負荷計算也有其特殊性。目前對于高大空間空調系統的負荷計算方法尚不成熟,缺乏一定的理論依據。在本項目中,只能通過一般建筑物的空調負荷計算方法計算,然后應用計算機仿真模擬的方法對計算結果進行修正。其計算結果與實際負荷的偏差應在±10%以內。空調冷負荷主要由以下幾部分組成:太陽輻射形成冷負荷、圍護結構傳熱形成的冷負荷、人體散熱形成的冷負荷、照明散熱形成的冷負荷、空氣滲透形成的冷負荷、設備發熱形成的冷負荷、各種散濕過程產生的潛熱形成的冷負荷。由于具有對稱性,下面只介紹航站樓的三層的逐時負荷計算,包括主樓第三層、西連接樓第三層、西一指樓第三層。

2.2 空調負荷計算參數的確定

2.2.1 圍護結構使用材料

在計算中,采用以下圍護結構或材料:

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,材料導熱系數為0.040W/m·K,經組裝后的厚度為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:組合結構為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空間外側。

2.2.2 室內空調計算參數的確定

夏季空調室內設計參數為:t=25～26℃;φ=60%～65%。室內人員數:3 m2/人。室內照明:20 W/m2。新風量:20 m3/h·人 (或總風量的 18%)。室內設備負荷:10W/m2。

2.2.3 室外空調計算參數的確定

廣州市坐落在北緯23°08′, 東經113°35′, 海拔高度6.6m。根據 《空氣調節設計手冊》[4],查出廣州市空調室外計算參數如下:

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

夏季空調設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

夏季空調設計室外空氣計算逐時綜合溫度:

其中:

tzs—夏季空氣調節室外計算逐時綜合溫度;tsh—夏季空氣調節室外計算逐時溫度;

J—圍護結構所在朝向的逐時太陽總輻射照度;

ρ—圍護結構外表面對太陽輻射熱的吸收系數;

αW—圍護結構外表面換熱系數

2.3 冷負荷計算

2.3.1 太陽輻射形成空調冷負荷的方式以及形成的空調負荷:

透過屋頂帳幕和玻璃幕墻的太陽輻射得熱,一部分變為對流熱,立即變成房間的冷負荷,另一部分以輻射形式輻射到房間的樓板、設備等表面上,其中有些被吸收、儲存,然后再逐漸散入室內空氣中,成為滯后的冷負荷。

本房間 (或樓層)屬于輕型結構 (圍護結構材料的重量小于150kg/m2空調面積),故其冷負荷計算見公式 (3):

其中:

Qτ—各小時的日射冷負荷,W;

Fc—玻璃結構的面積,m2;

Xz—玻璃結構的遮陽系數;

Jc,max—各朝向玻璃結構得熱量最大值,W/m2;

Ccl—廣州地區冷負荷系數;

ε—房間輕型結構的修正系數,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荷;透過屋面帳幕的太陽輻射形成的冷負荷;透過屋面天窗的太陽輻射形成的冷負荷。

2.3.2 圍護結構傳熱形成的空調負荷計算

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

2.3.3 人員、設備、照明等形成的空調負荷計算

室內人員:3 m2/人,指樓為2 m2/人室內照明負荷[5]:20 W/m2室內設備負荷:10 W/m2

2.4 空調負荷計算匯總

2.4.1 主樓三層空調冷負荷匯總 (建筑面積49462 m2)

表1 采用夾膠玻璃時的空調負荷

表2 采用中空玻璃時空調負荷

2.4.2 西連接樓三層空調冷負荷匯總 (建筑面積13863 m2)

表3 采用夾膠玻璃時空調負荷

表4 采用中空玻璃時空調負荷

2.4.3 西一指樓三層空調冷負荷匯總 (建筑面積12248 m2)

表5 采用夾膠玻璃時空調負荷

表6 采用中空玻璃時空調負荷

2.5 計算結果分析及說明

根據對新機場主樓、西連接樓和西一指等大樓三層區域的空調工程冷負荷的計算結果分析,可以得到以下結論:

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

表7 采用夾膠玻璃的房間各冷負荷分布

表8 采用中空玻璃的房間各冷負荷分布

從兩表可以看出:在空調系統的空調負荷中,室內人員、設備和照明形成的空調冷負荷占有主要份額,透過玻璃幕墻形成的冷負荷對空調系統冷負荷的貢獻也達到了30%左右,也是一個不可忽視的冷負荷來源。因此,要降低空調系統冷負荷,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效果尤其明顯。在主樓空調系統的冷負荷構成中,屋頂帳幕和天窗的冷負荷占23%以上 (其中:帳幕占20.8%)。

(2)根據各部分使用的材料,對空調系統冷負荷的影響如下:

采用玻璃幕墻材料對空調系統冷負荷的影響見表9。

1)采用中空玻璃后,在相同條件下可以使空調系統的冷負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)。對于縮小空調系統規模有利,對降低空調系統運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系統冷負荷的影響

2)金屬屋面材料對空調系統冷負荷的影響:由于金屬屋面的良好隔熱性能,其空調冷負荷相對來說較小 (對總冷負荷貢獻為12W/m2左右),但其傳熱系數每增加 0.1W/m2·K,對主樓增加150518 W空調負荷,能量損耗可觀。考慮其經濟性,宜采用玻璃纖維板保溫層,密度約為11kg/m3,材料導熱系數為0.040W/m·K,經組裝后的厚度為110mm。

3)關于西連接樓的外遮陽問題對空調系統冷負荷的影響見表10。

表10 外遮陽對空調系統冷負荷的影響

通過有外遮陽,空調冷負荷減少了17.7%～30.7%,這個比例相當大,所以,在廣州此類冬暖夏熱地區,應設如遮陽板、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 航站樓空調運行數據分析

根據本工程大致對稱的具體情況,分別在東、西側設置二個中央制冷系統,每個制冷系統為28135 kW(8000USRT),收集東主機房的1～4號主機在2007年和2008年的運行記錄,并對此進行統計分析。

圖2 2007年1號機組的負荷率

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

圖3 2008年1號機組的負荷率

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

圖4 2007年2號機組的負荷率

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

圖5 2008年2號機組的負荷率

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

圖6 2007年3號機組的負荷率

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

圖7 2008年3號機組的負荷率

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

圖8 2007年4號機組的負荷率

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

圖9 2008年4號機組的負荷率

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

4 結論

通過對航站樓高大區域的空調冷負荷計算結果的分析可知,在空調系統的空調負荷中,室內人員、設備和照明形成的空調冷負荷占有主要份額,透過玻璃幕墻形成的冷負荷對空調系統冷負荷的貢獻也達到了30%左右,也是一個不可忽視的冷負荷來源。

因此,要降低空調系統冷負荷,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%。

設置外遮陽,空調冷負荷減少了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年的運行數據分析,負荷率接近100%,證明選擇制冷主機的容量較為準確和機組控制策略正確。

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

[2] 空氣調節[M].北京:中國建筑工業出版社,1991

[3] 電子工業部第十設計研究院.空氣調節設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社

[4] 建筑照明設計標準GB 50034-2004[S].北京:中華人民共和國建設部,2004

(1)周孝清等.新機場空調負荷計算方法及能耗分析研究報告[R]