清華大學 林琳、劉效辰、張濤、劉曉華
【摘 要】本文對西南地區某機場航站樓不同季節的滲風情況進行了實測研究,在介紹航站樓滲風測試方法的基礎上,重點分析了不同室內熱濕環境下航站樓滲風量情況,并對不同季節的測試結果及滲透風造成的冷熱負荷進行了對比分析。結果表明:冬季航站樓滲風量較大,且冬季滲風負荷與供熱量基本相當,可通過減小滲風量,降低滲風負荷可以有效降低航站樓冬季空調能耗;過渡季與夏季滲風量較小,滲風負荷所占比例低。
【關鍵詞】機場航站樓,季節,滲透風,實際測試
【基金項目】國家重點研發計劃項目課題(2016YFC0700704)
1 引言
機場航站樓通常設計為高大空間建筑,出于美觀原因和照明要求,存在跨層垂直連通空間以及大面積的玻璃幕墻。這類建筑能耗較高,是普通公共建筑的1-2倍[1] ,其中空調能耗占其建筑運行能耗的40%-60% [2] 。由于機場航站樓的客流量較大,值機大廳大門常開,導致大量空氣滲透,尤其是冬季當室外溫度較低、室內供暖時更加嚴重[3] ,但目前對此類建筑的實際滲透風量狀況仍缺少較好地定量化研究結果。
針對滲透風的測量與分析計算,從國內外研究來看,方法主要有實測法、示蹤氣體法和模擬計算法。劉加根等[4-6]分別對南京南火車站、蘇州火車站和新廣州火車站的滲風情況進行了研究,通過軟件模擬預測鐵路站臺滲透風的大小,并通過實地測試對模擬結果進行驗證,同時也對無組織滲風的影響因素進行了分析,為大型鐵路站房設計階段滲透風的預測設計提供了依據。劉燕[7]對全國16個大型鐵路客站進行了調研測試,得到了各個客站的無組織滲風量及滲風特點,并且通過數值計算對門斗等滲風控制設備進行模擬。Shi Y[8]使用PM2.5作為示蹤物,考慮PM2.5的滲透、產生和沉降,利用質量平衡來計算北京某大型購物中心的滲風量并用實測數據進行校核。Pascal等[9]利用多區域網絡模型對大型商業建筑滲風量進行計算,并結合實測數據進行驗證,提出了一種考慮建筑形式、室內溫度等影響因素的計算方法。
對大空間建筑進行滲透風量測試計算時,上述研究中僅針對某單一季節進行模擬或測試。本文以西南地區某機場航站樓為實例,采用多種測試分析方法其各季節的滲風量進行測試計算,并對不同季節的滲風特性進行對比分析,以期為航站樓等大空間建筑的各季節滲風特性分析提供參考。
2 測試概況
2.1 建筑概況
測試建筑為我國西南地區某機場的T2航站樓,如圖1所示,該航站樓在2012年7月投入試運行,建筑面積達35萬m2,主要負責除本地航空外的其他國內航班。該航站樓共有四層,分別為F3出發層、F2辦公層、F1到達層與B2換乘層。航站樓外側區域總面積9.8萬m2,包括由B2至F4長40米的中庭連接的值機大廳、到達大廳和換乘層。其中值機大廳高25.4米,與室外通過大門等直接連接,大廳內采用全空氣空調系統噴口送風。
2.2 滲風量測試計算方法
本文利用風速測試法、CO2濃度法、含濕量法和熱量平衡法對此航站樓值機大廳的滲風情況進行測試分析計算。
對于風速測試法,測量可能造成空氣滲透的每個樓層的出入口與頂部天窗的尺寸與風速,測量誤差來自圍護結構其他未發現或難以測試的縫隙,因此需要在測量后進行風量平衡校核,從而得到滲透風量的測試結果。
由于示蹤氣體法的準確性受大空間內CO2與含濕量的不均勻性影響,因此將該值機大廳分為幾個典型區域并認為每個區域中CO2濃度、含濕量分布均勻,如圖2所示,對各區域的參數進行加權平均得到室內的各參數值如式(1)所示:
式中X代表室內CO2濃度C或室內含濕量d;Xin為室內參數(CO2濃度,mg/m3;空氣含濕量,g/kg干空氣);Xin,i為第i個區域內的參數;Vi為第i個區域的體積,m3。
對于CO2法與含濕量法,可將航站樓值機大廳視為一個控制體,利用濃度穩定段的守恒方程,如式(2-a)與(2-c),即可計算得到值機大廳白天穩定段的滲風量:
式中,Xout為室外參數(CO2濃度,mg/m3;空氣含濕量,g/kg干空氣);G為滲風量,m3/s;τ為時間,s;FR為人員釋放率(CO2釋放率,mg/s;產濕率,g/s);V為房間體積,m3。此外,空氣處理機組在冬季和過渡季沒有加濕和除濕過程,而夏季空調開啟時會對空氣進行除濕,由于除濕量難以準確測量,因此含濕量法在夏季白天(空調開啟時段)不適用。
當夜間航站樓關閉、無室內CO2與濕散發源(FR=0)時,利用式(2-c),通過擬合ln(Xin-Xout)~τ即可計算出滲風量,其中c為常數:
人員散發量與室內人數和人均散發量有關,通過實際調研得到了機場值機大廳的在室人數[10] ,根據調研的人員信息進行計算[11-13] ,乘客的平均CO2釋放率為10.58mg/s,產濕率冬季和過渡季為37.22mg/s、夏季為46.39mg/s(與室內溫度相關)。
3 測試結果
利用上述三種方法分別進行各季節航站樓滲透風量的測試計算,通過測試出入口尺寸、風速等得到風速法的測試結果,通過測試CO2濃度、含濕量等變化得到CO2法和含濕量法的計算結果。表1為各季節的測試基本情況。
圖3為各季節F3層門9(見圖2)各點測得的風速情況,從圖中可以看出冬季與夏季具有主流風向,冬季流入、夏季流出,過渡季則不具有典型的主流風向,在同一扇大門上風向有進有出;冬季滲透風風速較大,過渡季風速較小。
圖4為典型日室內平均CO2和含濕量變化曲線,可以看出各季節夜間(航站樓關閉,無人員、設備燈光產熱)室內外CO2差與含濕量差變化量較?。?-100ppm、0.6-1g/kg干空氣),在白天都存在一段濃度與含濕量穩定段,可利用式(2-b)進行滲風量的計算。
計算結果如表2所示,其中測試得夏季機械新風量為6.8萬m3/h,過渡季機械新風量為20.4萬m3/h。由于儀器精度限制(CO2測試儀:±50ppm、溫濕度自記儀:±3%),室內外濃度差與含濕量差較小,示蹤氣體法的計算數據誤差較大,白天總體在42%-82%之間,而夜間,誤差最高可達到331%。
4 對比分析
通過測試計算,得到了西南某機場航站樓的各季節白天穩定段的滲透風結果如圖5(a)所示,由圖可以看出航站樓冬季滲風量較大,達到69.8萬m3/h,顯著高于過渡季和夏季。由圖5(b)可知,冬季和夏季由于室內供暖、供冷設備開啟,室內垂直溫度梯度較大導致熱壓作用較為明顯,過渡季由于室內僅供應新風,熱壓作用影響較小。
基于上述滲透風量測試結果,可以進一步分析滲透風造成的冷熱負荷對該航站樓建筑的影響。圖6(a)~(c)分別為各季節的負荷拆分結果,其中冬季熱量損失(散熱量)主要由圍護結構傳熱、滲透風兩部分構成,而熱量來源(得熱量)則包含室內人員、燈光設備等熱源及供暖空調系統的供熱量;夏季滲透風、人員、設備等是得熱量的來源,而空調系統供冷量則負責排除各類熱量。從各季節的負荷拆分結果來看,冬季滲風負荷占到散熱量的78%,而空調的供熱量占到70%,可以看出滲風負荷與供熱量基本相當,因此減小滲風量,降低滲風負荷可以有效降低航站樓空調能耗;過渡季內由于熱壓與風壓作用的驅動力都較小,導致航站樓滲風負荷僅占到總負荷的12%,因此采用全新風排熱;夏季室內熱源(人員、燈光設備)成為主要的熱量來源,占到總負荷的53%,而滲風負荷僅占到32%。
將結果與文獻中高大空間建筑的滲透風數據進行比較,結果如表4所示,由于關于機場航站樓類實際滲透風量的研究有限,表中也列出了其他幾種高大空間建筑(最大內部高度為40m)的空氣滲透情況。表中可以看出冬季滲風量在9.6-68.1萬m3/h,夏季滲風量在15.7-49.1萬m3/h,過渡季在12.2-68.1萬m3/h,在相似的室外風速條件下,冬季滲風量最大。此外,冬天由空氣滲透造成的熱量損失(Qa)與系統供熱量(Qs)之間的比值在76%-115%之間,可以看出冬季滲透風對于能耗的影響十分顯著,采取適當的措施降低滲透風的影響,對于降低此類建筑中的冬季供暖能耗具有重要意義。
*:風向是室外風與立面表面法線之間的水平角(α= 0°垂直于表面),正向旋轉為逆時針。
5 總結
本文對西南地區某機場航站樓不同季節的滲風情況進行了實測研究,給出了航站樓各季節滲透風量的測試計算結果,得到的主要結論如下:
(1)采用多種方法對該航站樓內的滲透風量進行了測試計算,其中CO2濃度法、含濕量法在實際測試中會受到室內外CO2濃度差或室內外含濕量差過小、室內散發源狀況復雜等制約;而在風出、入口明確的環境下,風速測試法的測量結果相對準確。
(2)從各季節滲透風量結果來看,冬季航站樓滲風量較大,不同測試方法得到的滲風量結果多在40~70萬m3/h;過渡季與夏季滲風量較小,不同測試方法得到的滲風量結果多在10~40萬m3/h。
(3)從各季節負荷拆分結果來看,測試工況下冬季滲風負荷占到該航站樓總散熱量的78%,與空調系統的供熱量基本相當,因此減小滲風量、降低滲風負荷對降低航站樓冬季空調能耗具有重要意義。
致謝:本研究受國家重點研發計劃項目課題(2016YFC0700704)資助,特此致謝。
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備注:本文獲評為第21屆暖通空調制冷學術年會青年優秀論文,收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期(第21屆暖通空調制冷學術年會文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。