航站樓值機廳的圍護結構外窗比率優化研究

李彥春

近些年，環境保護成了在經濟發展的同時不得不面對的問題，首要任務便是限制對碳的排放。除了普通居民住宅、行政辦公建筑之外，飛機作為人們主要的出行交通工具，其航樓站的碳排放也占到相當一部分比例。因此發展綠色航樓站成了目前不少學者的研究對象[1-3]。董健康[4]基于Visual Studio.NET平臺，設計了一種具備較高可靠性的航樓站環境數據監測平臺來對機場航樓站各種環境數據進行實時監測，通過對比天津濱海國際機場T2航站樓值機大廳的實測數據進行對比，發現所設計的監測系統具備較高的精確度和可靠性。王萌[5]以西安咸陽國際機場為對象，借助LED光源的優點，對西安咸陽國際機場航樓站的節能減排進行了設計，通過對比航樓站實際監測數據，發現借助LED光源設計的航樓站相比原航樓站具有更好的節能減排效果。魏文罡[6]對我國北方寒冷地區的機場航樓站進行了研究，并建立了供冷負荷預測模型，并基于負荷模型對冷水輸送系統進行了優化研究，在實時監測的基礎上不斷對運行效果進行優化，發現優化后的系統系統工作效率更高。徐越輝[7]對武漢天河機場T2航樓站的中央空調冷卻水系統進行了研究，并指出了其中存在的問題，根據所發現的問題提出了具體的整改方式，并通過模擬發現所提出的整改方案初步具備安全運行和節能減排的效用。雖然學者們對機場航樓站的減排措施進行了不少研究，卻鮮有研究在航樓站結構設計方面進行具體的減排研究。因此本文尼日利亞機場航樓站為對象，通過建立建筑信息模型，對航樓站的天窗比率與能耗以及自然采光三者相關性進行研究，以此揭示建筑結構與能耗二者之間的相關性，為機場航樓站的綠色設計提供一定參考依據。

1 工程概況

航站樓項目分別位于阿布賈（Abuja）、拉各斯（Lagos）、哈爾科特（Port Harcourt）、卡諾（Kano），均為尼日利亞重要城市，地理位置重要，政治地位顯著，經濟發展相對活躍。尼日利亞全國地形復雜多樣，地勢北高南低。沿海為寬約80公里的帶狀平原；南部低山丘陵，大部分地區海拔200～500米；中部為尼日爾—貝努埃河谷地；北部豪薩蘭高地超過全國1/4面積，平均海拔900米；東部邊境為山地，西北和東北分別為索科托盆地和乍得湖湖西盆地。從濱海到內陸，沿線地勢先抬升，后又逐漸降低，整體呈兩頭低中間高，地面高程0～1 280 m。沿線經過沖海積平原、剝蝕平原、剝蝕淺丘、高原等多種地貌單元。植被較發育，分布有次生林、稀疏草原林等。尼日利亞自建國以來未發生過地震，也沒有專門的地震部門記錄該方面的資料，且當地市政、公路和水電等方面的基礎建設均未進行抗震設防，參考聯合國全球地震危險評估計劃（GSHAP，1999）發表的《全球地震危險圖》（GLOBAL SEISMIC HAZARD MAP），尼日利亞全境50年超越概率10%、重現期475年下的地震動峰值加速度PGA＜0.2 m/s2，對應于中國標準條件下抗震設防烈度的小于6度區。

航站樓項目分為一期工程、二期工程和附屬工程三部分。航站樓一期工程建筑面積近16萬平米，主要工程項目包括：客運航站樓主樓及指廊、登機廊橋安裝、行李系統設備安裝、標識標牌安裝、柜臺安裝、座椅安裝、換乘中心、客運航站樓機場新建道路、停機坪（土方開挖、土方回填及壓實、水穩層施工，水電管道預埋安裝，管道井砼結構及砌體砌筑，混凝土完成，排水明溝等）。

二期工程以航站樓專用的設備和設施配備為主附屬配套工程包括四個航站樓的供配電、供排水、消防、道路、停車等，主要內容包括：機場道路及收費站的新建和改造、供變電站及機場內部分水電設備的升級改造、阿布賈機場消防站拆遷及新建、阿布賈機場站坪控制室的新建、拉各斯站坪范圍內的設施拆遷（職工宿舍、實驗室等）及站坪擴建、阿布賈及拉各斯新老航站樓與其他功能區域的連廊走廊、個別機場范圍內的綠化及拆遷等內容。

2 模型建立

由于尼日利亞機場航樓站大部近似呈現為矩形，因此為了保證模擬的效果，本文將尼日利亞機場直接簡化為432 m×120 m×20 m的矩形結構（圖1），為了排除其他因素的干擾，本文將航樓站東西兩側的墻體設置為熱工絕熱墻體，并將樓板設計為熱工絕緣樓板。

圖1 簡化后的圍護結構界面（來源：作者自繪）

除此之外，為了將天氣因素確保在可控范圍內，將當地實際的氣象參數作為模擬的天氣參數。其傳熱系數、太陽得熱系數、可見光透射比等基本參數如表1所示。

表1 圍護結構模型的基本天氣參數

除了天氣參數和航樓站本身設計之外，還需確定運行人員的參數設置。圖2為2018年1～6月當地民航局統計的航樓站在不同時間段的人員分布圖。從圖中可以看出，在各時段人員分布比率不同，在0：00～4：00段無人員出行，在4：00～8：00人員流量開始增加并在12：00與20：00分別達到峰值，最終在20：00～24：00開始下降。

圖2 各時段人員分布曲線（來源：作者自繪）

采用Grasshopper參數化平臺將開窗比率進行量化從而可以實現批量的能耗模擬，通過航樓站側向天窗的設計方法，在保證視野連續的條件下采用水平帶狀，從上至下將兩側的墻窗比從0按0.1增量的形式遞增到0.9。

3 結果分析

3.1 墻窗比的相關性分析

分別將南窗比與北窗比作為自變量，以能耗強度為因變量，通過模擬得出該該圍護結構的建筑能耗量，并繪制了如圖3所示的南窗比、北窗分別與能耗相關性分析。從圖3可以看出，忽略掉局部微小的波動，整體上南窗比、北窗比與能耗強度具有一定的規律性，墻窗比與能耗強度呈現正相關，隨著墻窗比的上升，能耗強度會持續上升。北窗比與南窗比趨勢幾乎一致，二者均呈現一元線性回歸的趨勢。此結果說明：墻窗比與能耗量具有正相關性，可用線性回歸方程表示為E=kx+b。

圖3 南窗比、北窗分別與能耗相關性分析（組圖，來源：作者自繪）

通過圖3（a）、（b）可以看出：相對于北窗比，南窗比的增長幅度更緩，其斜率k變化范圍大致在[2.4，5.8]區間范圍內波動，因此其相較于北窗比，南窗比中的斜率k受墻窗比的影響程度更深。而北窗比中的增長幅度較大，其斜率k變化范圍大致在[12.6，14.9]區間范圍內波動，其斜率k更為穩定。

3.2 航樓站自然采光相關性分析

除了對南、北天窗的墻窗比與能耗的相關性進行分析外，為了進一步分析天窗比與能耗的關聯性，本文設置了自然采光與天窗比的關聯性模擬分析。其墻窗比依舊采用前文的比率形式，借助動態日光模擬與動態評價方法進行研究。其動態評價標準采用的是sDA空間自然采光自主評價指標。由于機場航樓站要嚴格保證光環境，因此本文將sDA的取值以70%設置為評價體系的最低取值。

通過對其進行模擬，得到了如圖4所示的三種不同的開窗比下sDA隨天窗比的變化圖。從圖中可以看出sDA在天窗比一定的情況下與之呈現正相關，但隨著天窗比達到一定限度后，隨著天窗比的增大，sDA便不再變化。

圖4 3種不同的開窗比下sDA分析（組圖，來源：作者自繪）

在不同南窗比下其變化趨勢均相似，表現為三段變化，分別為在天窗比為0～0.025區間段內，隨天窗比增大，sDA增長較緩，但在天窗比為0.025～0.05區間內時隨天窗比增大，sDA增長劇烈，但在天窗比達到0.05之后，其增幅逐漸放緩，最終不論天窗比如何增長，sDA均不再發生變化。

4 結語

本文以尼日利亞航樓站為對象，通過建立建筑信息模型，對航樓站的天窗比率與能耗以及自然采光三者相關性進行模擬研究，并得出了如下結論。

第一，墻窗比與能耗量具有正相關性，可用線性回歸方程表示為E=kx+b，且根據南北窗比的不同，線性回歸方程的斜率k變化范圍也不同，具體表現為南窗比斜率更小，受墻窗比影響程度更大，而北窗比斜率較大，相較于南窗比而言更為穩定。

第二，通過自然日光模擬發現，sDA與天窗比表現出三段變化趨勢，具體表現為在天窗比為0～0.025區間段內，隨天窗比增大，sDA增長較緩，但在天窗比為0.025～0.05區間內時隨天窗比增大，sDA增長劇烈，但在天窗比達到0.05之后，其增幅逐漸放緩，最終不論天窗比如何增長，sDA均不再發生變化。