T2航站樓春夏過渡季空調負荷分析及應用

王 磊　 王 東

（北京首都機場動力能源有限公司,北京　100621）

·研究與探討·

T2航站樓春夏過渡季空調負荷分析及應用

王 磊 王 東

（北京首都機場動力能源有限公司,北京100621）

對首都機場二號航站樓空調在春夏過渡季出現的問題及相關空調負荷進行特性分析，找出了在實際運行過程中空調運行在不同供送狀況下的臨界狀態和規律。

過渡季；冷負荷；空調供冷；新風供送

一、研究背景

首都機場T2航站樓在春夏過渡季的空調運行模式主要是通過引入新風來消除樓內余熱。伴隨旅客吞吐量的逐年遞增，在每年的4月底到5月初集中供冷開始之前，當室外溫度連續超過20℃時，室內熱效應極為明顯。特別在國內、國際安、邊檢大廳的人流密集區域，隨著旅客出港高峰期的到來，頻頻出現環境溫度較高，體感不舒適的情況。為保證首都機場的服務品質，解決過渡季航站樓內部分區域的高溫問題迫在眉睫。

二、研究目的

在過渡季節，一般認為室外空氣焓值低于室內，若室內有供冷需求時，可以利用新風供冷。而采用新風供冷方式時，會存在風機能耗與節省冷量兩者之間的平衡問題。

為此，根據首都機場T2航站樓內的實際情況，首先要判斷出室外空氣狀態在標準為多少的臨界值下，可以使用新風消除冷負荷；其次，根據負荷狀態及室外空氣狀態，確認機組24h運行的臨界點；最后，確認供送供冷的臨界點。

三、研究區域概況及冷負荷分析

1.研究區域概況

選擇過渡季節溫度較高的T2航站樓國內安檢現場大廳作為典型區域，該研究區域由設在地下機房的單臺型號為39F-980的全自動雙風機臥式組合式空氣處理機組供送風，單臺空調機組額定風量為60000m3，額定冷量為373kW。

2.研究區域負荷分析

研究區域的過渡季節冷負荷主要包含4部分：人體散熱量；照明散熱量；機械設備、管道及其他內部熱源的散熱量；通過維護結構傳入的熱量。

（1）人體散熱量

近年來，首都機場2號航站樓旅客吞吐量快速增加，嚴重影響了過渡季樓內的熱平衡，樓內冷負荷上升明顯，造成部分區域出現30℃的高溫，產生悶熱和不舒適的感覺。

T2航站樓國內安檢區域大約2700m2，設定室溫為26℃，相對濕度為60%。該區域的日平均旅客量為33820人，每日旅客經過安檢區域的有效時間為16h，即區域內平均每小時旅客量為2114人。

根據人體散熱引起的冷負荷計算公式:

CL=μn(qsCcl+qr)

式中：CL——人體散熱引起的冷負荷，W；

Ccl—— 人體顯熱散熱冷負荷系數；

μ——群集系數，參考百貨商店的群集系數0.89（為了實際計算方便，以成年男子為基礎，乘以不同建筑內人員組成比例系數，稱為群集系數）；

n—— 室內人數，平均2114人/h；

qs—— 不同室溫和勞動性質時成年男子顯熱散熱量,W；

qr——不同室溫和勞動性質時成年男子潛熱散熱量,W(過渡季可忽略)。

在確保T2航站樓安檢區域過渡季溫度為26℃、相對濕度為60%的條件下，qs=58,Ccl=0.49。則每小時因人體散熱產生的冷負荷為53.47kW(0.89×2114 ×58×0.49)。

（2）照明散熱量

國內安檢現場光源照明引起的熱負荷如下：

①節能燈：該區域設有216組，每組2支35W節能燈，所產生的供冷需求負荷共計216×2×35W=15120W；

②日光燈：該區域設有369組，每組3支40WT5日光燈，所產生的供冷需求負荷共計369×3×40W=44280W；

③廣告燈箱日光燈：共計30×2×40W=2400W。

此區域的開燈時間為24h/d，根據照明燈具散熱所產生的冷負荷計算公式：

CL=n1n2NCcl

式中：CL——燈具散熱引起的冷負荷,W；

N ——燈具所需功率，W；

n1——鎮流器消耗功率系數，當燈具的鎮流器

裝設在頂棚內時，取其值為1.0；

n2——燈罩隔熱系數，針對燈罩無通風孔，則視頂棚內通風情況取0.6～0.8，此處取其值為0.8；

Ccl——照明散熱冷負荷系數，航站樓內為0.96。

因此，照明燈具散熱產生的冷負荷總計為47.46kW [1×0.8×(15120+44280+2400)×0.96]。

（3）機械設備、管道及其他內部熱源的散熱量

經測算，航站樓內機械設備冷負荷可達10W/m2。即因機械設備、管道及其他內部熱源的散熱量產生的冷負荷為27kW。

（4）通過維護結構傳入的熱量

經由維護結構傳入的熱量和室內外溫差息息相關。據統計，在北京，近年來過渡季室外氣溫≥25℃的高溫天數不斷增加，2014年4月達到12天，平均室外溫度達23℃，出現極端高溫天氣時，室外溫度達29℃。室外高溫和太陽照射導致樓內冷負荷增加，但通過維護結構傳入的熱量在轉化為冷負荷的過程中，存在衰減和延遲，因選定區域地處航站樓中間地帶，所受影響相對較小，可以忽略。

四、研究區域消除冷負荷的風量計算

因T2航站樓建筑的特點是首層地面與室外無高差，又無窗井可供新風引入，造成地下室空調機的新風引入很困難，特別是中間段的4座地下空調機房位于建筑中心區內（此次涉及的供送國內安檢現場的機組就置于該機房內）因此，每一座空調機房設有1根直徑2m的新風豎管，全高20m，從14.5m標高的屋面上采風。在2m直徑的新風管頂部各安裝1臺扇葉直徑2.4m的進風型屋頂軸流蘑菇型風機，風量為19.85萬m3/h，風壓228Pa，轉速480r/ min，電機功率18.5kW，用此屋頂進風機向地下室機房供送新風，其新風量約占每座空調機房總送風量的1/3。

1.過渡季使用全新風消除冷負荷的臨界狀態

過渡季期間，T2航站樓內維持的空氣狀態參數為溫度tN=26℃、濕度φN=60%，空氣密度依照平均密度為1.20kg/m3計算。

考慮空調機組供送的最大風量為60000m3/h，那么供送的新風量為送風量的1/3：Q=72000/3=24000kg/ h=6.67kg/s。

根據熱平衡公式：GhO+Q=GhN

可得: G=Q/(hN-hO) （1）hO=hN-Q/G （2）

式中：G——送風風量，kg/s；

Q——室內總冷負荷，kW；

hN—— 室內空氣的狀態焓值，kJ/kg（室內溫度tN=26℃、濕度φN=60%時，hN=58.4kJ/kg）；

hO——室外空氣的狀態焓值，kJ/kg。

研究區域內的冷負荷主要由人體散熱量、照明散熱量以及機械設備、管道、其他內部熱源的散熱量組成，所以Q=53.47+47.46+27=127.93kW。

依 公 式（2） 計 算 可 得hO=hN-Q/G=58.4-127.93/6.67=39.2kJ/kg。

通過對照空氣焓值參數及2014年4月北京室外空氣焓值變化圖（圖1）可知，對應的室外溫度大約為19℃。也就是說，在過渡季，當室外溫度≤19℃時，在T2航站樓內為國內安檢區域供送的新風可以滿足供冷需求負荷。

圖1　2014年4月北京室外空氣焓值變化圖

考慮在此期間提供冷源消除冷負荷的臨界狀態，即國內安檢區域的空調總供送風量為60000m3/h，全部作為冷源使用，即Q=60000×1.2=72000kg/h= 20kg/s時，根據公式（2），計算可得hO=hN-Q/G=58.4-127.93/20=52kJ/kg。

查空氣焓值表可得：對應的空氣溫度約為24℃。也就是說，當送風溫度≤24℃時，在T2航站樓內為國內安檢區域供送全風量可以滿足需求，超過24℃時，則該區域的溫度出現上升趨勢。

2.室外溫度和理論供送新風量的關系

事實上，T2航站樓在過渡季的空調運行模式主要是通過引入新風來消除樓內余熱，即當國內安檢區域的空調總供送新風風量為20000m3/h、tO＝10～19℃時，依據焓值參數變化，根據公式（1）計算得出所需新風風量如表1所示。

表1

由表1可知，室外溫度tO和理論新風量G成顯著的正比例關系。

3.全天冷負荷與機組運行時間的關系

（1）不同室外平均溫度下，供送新風的空調機組運行時間

針對T2航站樓安檢區域全天所需的冷負荷，主要仍由人體散熱量（每天旅客流量有效小時數為16h）、照明散熱量以及機械設備、管道、其他內部熱源的散熱量組成，那么所需供冷負荷：Q=53.47×16+47.46 ×24+27×24=2642.56kW·h。

該區域在過渡季是通過引入新風來消除樓內余熱，空調供送新風風量為20000m3/h時，根據公式（2），計算可得：hN-hO=Q/G=2642.56×3600/24×20000 ×1.2=16.52kJ/kg，則hO=58.4-16.56=41.9kJ/kg。

通過查找焓值參數表，此時空氣的溫度約為19℃。以北京2014年4月天氣為例，日最低平均氣溫為16℃（出現在4月19日，氣溫為12～16℃），日最高平均氣溫為21℃的情況（出現在4月30日，氣溫為13～29℃）。根據公式（1）計算所得不同室外平均溫度下供送新風的空調機組運行時間如表2所示。

由表2可得，當臨界點即室外平均溫度大約為19℃時，為安檢區域供送新風的空調機組需要全天24h運行，才能保證該區域的冷負荷得以消除，區域溫度滿足要求。歷史數據統計顯示，2014年4月，北京有9天的平均氣溫超過19℃，所以單獨依靠供送新風無法滿足需求。

表2

（2）全面供冷時，不同供送溫度下空調機組運行時間

如果在該安檢區域進行全面供冷，即當空調供送風量為60000m3/h時，根據公式（1）計算可得：hN-hO=Q/G=2642.56×3600/24× 60000×1.2=5.5kJ/kg，則hO=58.4-5.5 =52.9kJ/kg。

通過查找焓值參數表，此時空氣溫度約為24℃。不同供送溫度下全面供冷的空調機組運行時間表如表3所示。

表3

由表3可得，當供送溫度為24℃時，為安檢區域供冷的空調機組需要全天24h運行，才能保證該區域溫度滿足要求。

五、控制過渡季冷負荷的建議

1.基于供冷負荷組成分析的可行性建議

由分析計算得到，研究區域內的冷負荷主要由人體散熱量、照明散熱量以及機械設備、管道、其他內部熱源的散熱量組成，其結構如圖2所示。

圖2　區域內分項冷負荷分布結構圖

在航站樓的實際運行中，考慮到旅客不可控、設備散熱基本固化，因而選擇從照明設備入手，通過更換低散熱照明設備來降低該區域的冷負荷。

2.降低冷負荷效果分析和對比

表4

表5

表6

當照明設備改為LED時，不僅會減少耗電量，同時會減少供冷負荷，據測算，照明散熱量可降至40%，那么研究區域內的冷負荷約為99.5kW（53.47+47.46×40%+27），相比更換前降低約22%；每日的總冷負荷約為1959kW·h(53.47×16+47.46 ×40%×24+27×24)，相比更換前降低約26%。

（1）降低冷負荷后，過渡季使用全新風消除冷負荷的臨界狀態為hO=hN-Q/G=58.4-99.5/6.67=43.5kJ/kg。

通過查找焓值參數表，此時空氣的溫度約為20℃。當tO＝10～20℃時，依據焓值參數變化，根據公式（1）計算得出所需新風風量和原所需新風風量G如表4所示。

降低冷負荷后，不同室外平均溫度下，供送新風的空調機組運行時間和原運行時間對比見表5。

降低冷負荷后，全面供冷時，不同供送溫度下空調機組運行時間和原運行時間對比見表6。

通過對比可以判斷出，相比于前，降低照明冷負荷后過，T2航站樓國內安檢區域在春夏過渡季使用全新風消除冷負荷的效果得到了顯著提升。

[1]劉魁星.航站樓負荷動態模擬和特性分析[J].

[2]周靖,潘旗.首都國際機場新航站樓暖通空調設計[J].暖通空調，2001.

TU831

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1671-0711（2015）06-0040-04

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