高大空間機場航站樓輻射供冷系統下室內熱環境研究

王灝林 梁錦燦

（桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西 桂林 541004）

隨著國內航站樓數量的不斷增加，如何讓大多數乘客對航站樓的室內環境感到滿意是當前大空間室內熱舒適研究的重點。Kotopouleas等[1-2]在3個機場航站樓進行了實地測量，并對3 087名人員進行了問卷調查，發現工作人員對溫度變化的平均敏感性高于乘客。Geng等[3]對8個主要機場航站樓的室內環境質量進行了環境測量和問卷調查，發現主觀滿意度與客觀環境測量之間存在高度相關性，發現熱舒適性和空間布局是影響乘客總體滿意度的基本因素。朱衛華等[4]在夏季對上海虹橋機場T2航站樓進行了室內環境測量，發現操作溫度與熱感覺投票具有良好的線性關系。Jia等[5]通過對幾個航站樓的現場進行研究，得出了乘客可以承受的溫度變化。Mora等[6]和Shdid等[7]研究發現，極端的垂直溫度梯度變化會使人產生不舒適感，建議每米內溫度梯度范圍保持在0.3～0.5 ℃。西安咸陽國際機場T3航站樓使用輻射供冷/供熱系統，由冷卻地板控制的室內熱環境應引起研究人員和工程師的注意。因此，在夏季進行環境測試和問卷調查，通過分析測量數據，可以找出對舒適度有影響的關鍵因素。

1 理論基礎

選擇PMV-PPD作為評價區域內熱環境的指標，熱舒適指數PMV反映了人體熱平衡的偏差程度，常用于分析建筑室內環境。Fanger[8]提出的綜合舒適指數代表多數人在相同環境中的感受。將這些評估標準匯總到溫度指數中，以獲得熱舒適方程。

式中：Pa——人體周圍水蒸氣分壓力（kPa）；ta——人體周圍空氣溫度（℃）；fcl——服裝面積系數；tcl——衣服外表面溫度（℃）；tmrt——環境平均輻射溫度（℃）；hc——對流換熱系數［W/（m2·K）］；Tg——黑球溫度（℃）；V——風速（m/s）；ε——黑球發射率；D——黑球半徑（m）。

除了環境測量之外，還將對測試區域內的人員發放熱舒適問卷調查表，表中包含性別、年齡、穿著情況、熱感覺（TSV）、熱舒適（TCV）、熱偏好（TPV）等，問卷調查結束后整理信息總結出人體熱舒適的規律。其中TSV使用ASHRAE手冊中的7個連續量表[9]用于評估局部和整體熱感覺，TCV為4個，TPV為3個。問卷的發放以100人次為標準，每隔半小時進行一次。

2 實驗方案

T3航站樓使用輻射地板系統和置換通風系統，在夏季進行供冷。夏季供以高溫冷水，冬季供以低溫熱水；空氣濕度由空氣處理機組控制。終端設備主要設置在室內人員活動區內，保持該區域的熱舒適性[10]。

測試區域長為114.00 m，寬為39.75 m，高度在17.50～26.50 m之間，平均高度為22.00 m。測試區域內布置8個測點，測點1～4布置在座椅及售貨機熱源附近，測點5布置在置換通風口中間，測點6布置在電梯前，測點7布置在無熱源處，測點8在玻璃幕墻下的座椅處。根據圍護結構對室內環境的影響程度將8個測點分為3個區域，測點1～4為內區，測點5和6為過渡區，測點7和8為外區。

測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置

測試時段為10：00～14：00，是一天中溫度高的階段。平均溫度為34.47 ℃，最高為36.70 ℃，最低為32.10 ℃，平均相對濕度57%，最高67.8%，最低45.2%。

根據西安市夏季空調室外的計算，干球溫度35.10 ℃為標準。測試參數為空氣溫度、相對濕度、風速、黑球溫度、頂板/地板表面溫度和室內其他典型熱源溫度。每個測量點放置溫濕度測量儀RC-4HC和黑球溫度計AZ-8778。為了觀察垂直溫度梯度的變化，溫濕度測量分別放置在離地面0.1、0.6、1.1、1.5 m處。坐姿時，0.1 m對應腳，0.6 m對應腰和膝蓋，1.1 m對應頭部。站立時，0.1 m對應腳，0.6 m對應腰部，1.1 m對應膝蓋，1.5 m對應頸部。使用溫度槍測量地板和頂板溫度，通過多次讀數取平均值。使用風速儀AR866A測量每個測量點1.1 m處的風速。

3 結果分析

3.1 水平面高度與垂直高度溫度分析

對水平面溫度分析選擇距地面高度1.1 m的位置，該位置對應人體在坐姿狀態下的頭部。

各區域空氣溫度隨時間變化情況如圖2所示。

圖2 各區域的空氣溫度隨時間變化情況

10：00過渡區的平均溫度為最低，13：00時內區溫度最高，達到了28.98 ℃。除去11：00時刻外，其他時段的內區溫度最高，其次是外區，過渡區最低。由于過渡區距離置換通風裝置最近，且置換通風的風速較高為0.3 m/s，風溫25 ℃低于室內溫度，并且置換通風在過渡區較為集中，因此過渡區的空氣溫度最低；內區收到人體散熱和頂棚、地板及其他熱源的綜合作用，空氣溫度較高；外區所處的位置雖然未受到太多物體及人體熱源的影響，但是玻璃幕墻受到室外太陽輻射作用，且室外溫度在34 ℃以上，導致外區的空氣溫度升高。

14：00各測點0～1.1 m垂直高度的溫度分布情況如圖3所示。

圖3 14：00各測點0～1.1 m垂直高度溫度分布情況

取14：00的數據進行垂直高度溫度分布分析，因為該時刻的室內溫度最高，能夠說明室內熱舒適的情況。8個測點在該時刻的垂直溫度在4個高度上的變化表現為溫度升高，溫度梯度較為明顯。由于輻射冷地板通過對流及輻射作用和室內空氣進行熱交換，置換通風口的新風與人體、電梯等熱源進行空氣的冷熱交換，冷空氣下沉，熱空氣上浮，導致空氣溫度隨著高度的升高而升高。

頂板的溫度與地板溫度數據如圖4所示。

圖4 14：00地板與頂板表面溫度

由圖4可知，兩者之間的溫度差值隨著時間的變化而升高，最大可達到12.27 ℃，表明室外氣溫過高導致室內溫度出現分布不均勻的現象。

3.2 風速及平均輻射溫度分析

各測點平均風速的分布情況如圖5所示。

圖5 各測點平均風速的分布情況

由圖5可知，測點的風速均小于0.3 m/s。根據置換通風設計規范，置換通風口風速不超過0.5 m/s，坐姿狀態下，停留處空氣流速不超過0.2 m/s，因此該區域風速符合規范要求。靠近置換通風口測點5的風速較高，靠近熱源、座椅以及玻璃幕墻的其他測點風速較低，出現了局部分布不均勻情況。

14：00各測試點平均輻射溫度分布情況如圖6所示。

圖6 14：00各測點平均輻射溫度的分布情況

將測量得到的空氣溫度、黑球溫度以及黑球發射率（ε=0.95）、黑球半徑（D=0.075 m）數值代入式（2）中得到平均輻射溫度。所有測點的平均輻射溫度為28.4 ℃，14：00時刻，測點1的平均輻射溫度值最大，為29.8 ℃。10：00時刻測點1的平均輻射溫度值最小，為26.7 ℃。除去測點5以外，其他測點的輻射溫度均在29.0 ℃以上，高于夏季室內標準值，室外環境溫度較高導致建筑圍護結構內表面溫度較高，使室內的輻射換熱效果加強。由于測點5處于4個置換通風的中間且避光的位置，因此受到熱輻射作用的影響最小。整個測試期間的平均輻射溫度波動較為均勻。

3.3 PMV-PPD分析

各測點PMV-PPD值隨時間變化如圖7所示。

圖7 各個測點PMV-PPD值隨時間變化

由圖7可知，PMV值幾乎都大于0.5，35%的值在0.5～1.0之間，65%的值大于1，最大值為1.63。部分PMV值均高于《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736—2012）[11]夏季室內PMV值的熱舒適范圍。12：00～14：00，幾乎所有測點PMV值都大于1.0。PPD值范圍為12%～58%，大部分時刻室內的環境偏熱，不滿足人體熱舒適需求。

3.4 主觀感受結果

在熱感覺投票中，41%的人認為當前環境為中性，33%認為環境“稍熱”，24%認為環境“暖和”，TSV平均值為0.87，相比“偏暖”的臨界值1，整體熱舒適感覺偏熱。在熱舒適投票中，認為環境“稍不舒適”“稍舒適”“不舒適”“很不舒適”占比分別為45%、49%、5%、1%。TCV平均值為-0.58，說明近半數的人認為對目前環境需要進行優化。在熱偏好投票中，分別有73%、27%的人希望環境冷一些和不需要改變。產生這種現象的原因是室內環境較熱，人體更趨向于環境溫度降低。人體熱舒適主觀感受投票結果如圖8所示。

圖8 人體熱舒適主觀感受投票結果

3.5 PMV-PPD指標適用性分析

為了驗證PMV-PPD指標在高大空調輻射供冷空間下的室內熱環境中是否可用，將PMV值與主觀感受投票TSV值進行對比。PMV值與主觀感受投票TSV值對比如圖9所示。

圖9 PMV值與主觀感受投票TSV值對比

由圖9可知，TSV值小于PMV值，產生差異的原因一是PMV多用于對流空調系統，沒有考慮輻射地板對人體的直接作用；二是PMV是通過計算得到的數據，溫差會導致PMV值大幅度波動，而TSV是根據心理感受的主觀投票。雖然兩者的值有一定偏差，但變化趨勢相一致。

4 結語

文章對使用輻射地板供冷及置換通風結合的空調系統的機場航站樓某區域內的熱環境及熱舒適進行實地測量和問卷調查。結果表明，室內的空氣溫度、平均輻射溫度、PMV-PPD高于當地的設計規范要求，屬于偏熱環境。人體主觀投票反映出當前環境較熱，需要降低室內溫度。后續可以在原有的測試基礎上增加室內二氧化碳濃度等參數進行航站樓全部區域測試，全面分析室內熱環境分布規律。