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1、北京机场航站楼空调负荷特性分析北京市建筑设计研究院 夏令操、黄季宜概要：本文以机场航站楼，这 一独特的具有流线型整体屋面、巨大挑檐、建筑自身遮 挡显著、高度起伏变化的玻璃幕墙、大面积的内区房 间等的建筑为研究对象。运用 DeST 建筑模拟软件，通过全年逐时空调负荷的模拟分析计算，分析了建筑遮 挡对围护结构负荷的影响，玻璃幕墙热工性能以及全年空调负荷影响因数，为建筑围护结构优 化和空调方案选择提供更全面、准确的设计依据。关键词：航站楼、建筑模拟软 件、冷 热负荷1. 航站楼建筑特点从航站楼的平面示意图 1 及剖面图 24 可以看出，外部造型及室内空间结构均较复杂。从建筑热工分析角度而言，航站楼具
2、有以下特点:流线型整体屋面，巨大挑檐;建筑自身遮挡显著;高度起伏变化的玻璃幕墙;垂直连通的高大空间;大面积的内区房间和有规律排布的巨大天窗 1。图 1.剖面位置示意图图 3. E-E 剖面图 2.N-N 剖面图 4. L-L 剖面（局部）航站楼的上述特点，给暖通设计工作带来的最大困难之一是无法运用传统的负荷计算方法进行空调负荷计算。原因有两个：第一，传统的负荷计算方法较难算出围护结构外表面受遮挡后的阴影面积，而航站楼这类建筑挑檐面积很大，自身遮挡十分明显，忽略这部分影响则可能导致计算结果明显偏大。第二，航站楼中大量高大空间的负荷计算对于传统负荷计算方法来说是一个十分棘手的问题。因此，为了适应日
3、渐复杂的建筑设计方案，通过全年逐时空调负荷的模拟分析计算，为建筑围护结构优化和空调系统方案选择提供更全面、准确的设计依据，运用 DeST 建筑模拟软件是必要的 234。2. 航站楼围护结构与室内设计参数的设定建筑模型建立完成后需要设定建筑的具体计算参数，其中包括定义建筑物的地理位置、围护结构类型及热工参数、房间功能、室内设计参数、室内热扰参数、全年内扰及空调系统作息模式等。围护结构热工参数见表 1，室内设计参数见表 2。表 1. 围护结构热工参数传热系数围护结构类型W/m 遮阳系数 SC外墙 0.80 -玻璃幕墙 1.90 0.60 屋面 0.60 -天窗 1.90 0.60 挑空楼板 0.6
4、0 -内隔墙 1.50 -表 2. 室内设计参数夏季设定温度冬季设定温度 相对湿度人员密度人均新风量 灯光 设备序号 房间类型（） （） （） m2/per m3/h/per W/m2 W/m21 办票大厅 26 20 35-60 6 30 20 82 候机室 26 20 35-60 6 30 20 83 到达区 26 20 35-60 6 30 12 54 VIP 休息室 24 22 35-60 30 50 20 85 高级办公室 26 20 35-60 5 50 20 206 普通办公室 26 20 35-60 5 30 20 207 零售商店 26 20 35-60 5 30 120 1
5、08 西餐厅 26 20 35-60 2 20 40 09 中餐厅 26 20 35-60 2 20 40 010 走廊 26 20 35-60 20 20 12 03. 建筑遮挡对围护结构负荷的影响分析航站楼围护结构冷热负荷的计算结果见表 3，建筑遮挡对围护结构负荷的影响分析见图 5。从图 5可以看出，如果不考虑建筑遮挡的遮阳效果，围护结构最大冷负荷将增大 25%，而热负荷则下降 4%左右，表明建筑遮挡对冷负荷极大值的影响比热负荷大，这是因为冬季太阳高度角较低，建筑物挑檐对太阳光线的遮挡效果减弱，此外，由于热负荷极大值一般出现在清晨或夜间，建筑遮阳对热负荷极大值的影响不明显。有必要对考虑遮阳
6、前后的围护结构全年累计冷热负荷进行比较。从图 6 可以看出，考虑遮阳后，全年累计冷负荷减少了 4142MW.h，但同时全年累计热负荷增加了 3856MW.h。全年累计热负荷增加的比例达到 49%，远高于热负荷极大值的增加比例，这是因为在白天有太阳辐射的时刻，建筑遮阳对热负荷的影响还是较大的，因此全年累计热负荷数值增长也较多。航站楼的屋面挑檐设计以及建筑自身的互相遮挡虽然大大降低了围护结构的冷负荷极大值及全年累计值，但同时也导致全年累计热负荷明显增加，由此可见建筑挑檐及自身遮挡对围护结构冷热负荷的影响是两面的，不同朝向的遮阳作用也不尽相同。表 3. 围护结构冷热负荷极值及出现时刻空调总面积 最大
7、值 最大值 时刻 温度 含湿量 焓负荷m2 kW W/m2 日期 hr g/Kg kJ/kg冷负荷 5518 18.6 8 月 4 日 14 31.3 21.2 85.9 热负荷 296173 8001 27.0 1 月 19日 7 -14.2 0.4 -13.4 55186908 8001 76880100020003000400050006000700080009000围护结构负荷(kW)冷 负 荷 热 负 荷有 遮 挡无 遮 挡图 5. 遮阳对围护结构冷热负荷的影响713411276 11707785102000400060008000100001200014000围护结构全年累计负荷(
8、MW.h)全 年 累 计 冷 负 荷 全 年 累 计 热 负 荷有 遮 挡无 遮 挡图 6. 遮阳对围护结构全年累计冷热负荷的影响4. 玻璃幕墙热工性能分析航站楼的外墙除首层外，大部分采用玻璃幕墙，如图 2-4 所示，因此玻璃幕墙的热工性能对围护结构的冷热负荷影响最大。对玻璃幕墙而言，传热系数和遮阳系数是影响其热工性能的主要参数。为了分析幕墙传热系数和遮阳系数对围护结构冷热负荷的影响，分别设计了以下两组工况：第一组工况用于分析遮阳系数 SC 对冷热负荷的影响，第二组工况用于分析传热系数 K（W/m 2.）对冷热负荷的影响，见表 4。本次设计玻璃幕墙采用了夹层/钢化中空 Low-E 玻璃，其传热
9、系数 K 为 1.90W/m2.，玻璃的遮阳系数 SC 为 0.60。表 4. 玻璃幕墙热工性能分析计算工况列表第一组工况 第二组工况K（ W/m2.） SC SC K（W/m 2.）0.40 1.900.50 2.300.60 2.700.70 3.101.900.800.603.50图 7 给出了 SC 为 0.40，0.50，0.60，0.70，0.80 五种工况下冷热负荷的比较。从图 7 可以看出，冷负荷随着 SC 的增加几乎是线性增加的，热负荷则随着 SC 的增加而递减，但冷负荷对 SC 的敏感度比热负荷大很多。图 8 给出了 K 值为 1.90，2.30，2.70，3.10，3.5
10、0W/m 2.五种工况下冷热负荷的比较。此处没有选择比设计工况更小的传热系数，是因为幕墙的 K 值是玻璃和连接件的综合值，由于幕墙连接件的传热系数一般比玻璃大，当幕墙的综合 K 值为 1.90 W/m2.时，其对应玻璃的传热系数一般不应大于1.60W/m2.，该数值已经是常用玻璃传热系数的低限。因此在 K 值比较中，其它工况的 K 值都比设计工况大。从图 8 可以看出，热负荷随着 K 值的增大几乎是线性增加的，冷负荷虽然随着 K 值的增大略有增加，但增加幅度远小于热负荷。4000500060007000800090000.40 0.50 0.60 0.70 0.80 SC负荷(kW) 冷 负
11、荷热 负 荷图 7. 不同 SC 值工况下的冷热负荷比较4000500060007000800090001000011000120001.90 2.30 2.70 3.10 3.50 K(W/m2 )负荷(kW) 冷 负 荷热 负 荷图 8.不同 K 值工况下的冷热负荷比较从以上两组工况的计算结果可以看出，玻璃幕墙的遮阳系数 SC 对围护结构冷负荷的影响远大于其对热负荷的影响，而幕墙的传热系数 K 对围护结构热负荷的影响则远大于其对冷负荷的影响，由此可以得出结论，要减小围护结构冷负荷，应首先选择减小幕墙的遮阳系数，而要减小围护结构热负荷，则应首先选择减小幕墙的传热系数。5. 全年空调负荷分析房
12、间内扰是影响房间热环境的另一重要因素，尤其是室内发热量较大的房间，内扰对室内热环境的影响更是占到了主导地位。根据航站楼的室内参数、内扰及作息模式等，计算得到全年冷热负荷如表 5，6 所示。其中表 5 是不含新风负荷时全楼冷热负荷的最大值及出现时刻，并给出了该时刻对应的室外气象参数。表 6 则包含了新风负荷。表 5.航站楼空调冷热负荷( 不含新风)空调总面积最大值 最大值 全年最大时刻时刻 温度 含湿量 焓负荷(不含新风)m2 kW W/m2 hr日期hr g/Kg kJ/kg冷负荷 15893 53.7 5175 8 月 4 日 15 32.2 22.2 89.4 热负荷2961732681
13、9.1 439 1 月 19 日 7 -14.2 0.4 -13.4 表 6.航站楼空调冷热负荷( 含新风)空调总面积 最大值 最大值全年最大时刻 时刻 温度 含湿量 焓负荷(含新风)m2 kW W/m2 hr日期hr g/Kg kJ/kg冷负荷 44129 149.0 5128 8 月 2 日 16 34.6 25.6 100.5 热负荷 296173 19065 64.4 439 1 月 19日 7 -14.2 0.4 -13.4 对比表 5,6 可以看出，考虑新风前后，除了负荷值本身变化外，冷负荷最大值的出现日期及时刻也发生了变化。这是因为考虑新风负荷后，全楼负荷的数值大小与室外空气焓值
14、紧密相关，冷负荷最大值一般出现在外气焓值较高的时刻。表 6 中最大冷负荷出现时刻对应的外气焓值为 100.5kJ/kg,已经非常接近全年的最高焓值：110.1 kJ/kg。将表 6 中的冷热负荷按围护结构负荷、室内负荷、新风负荷进行分类，可以得到表 7,8 的结果。需要特别说明的是，由于 DeST 在进行负荷计算时，冬季热负荷与加湿负荷是分别计算的，因此表 8 中的冬季室内热负荷及新风热负荷均指显热负荷。表 7. 航站楼空调冷负荷分类负荷值 负荷值冷负荷分类kW W/m2 比例围护负荷 4914 16.6 11.1%室内负荷 15347 51.8 34.8%新风负荷 23868 80.6 54
15、.1%总负荷 44129 149.0 100%表 8.航站楼空调热负荷分类负荷值 负荷值热负荷分类kW W/m2 比例围护负荷 8001 27.0 28.5%室内负荷 -8977 -30.3 -新风负荷 20041 67.7 71.5%总负荷 19065 64.4 -从表 7，8 可以看出，在冷负荷构成中，新风冷负荷占总负荷的百分比达到 54%，超过了围护结构和室内发热形成的冷负荷之和，而在热负荷组成中，新风热负荷的比例更是高达 71%，比一般的估算指标（新风热负荷占总热负荷的 1/3 左右）大很多，这是因为航站楼的内区面积很大，占全楼空调面积的一半以上，并且内区房间的新风标准较高（内区办公房
16、间新风标准：50m 3/h.人，5m 2/人） ，导致航站楼的围护结构热负荷面积指标相对较小，新风热负荷面积指标则相对较高，因此新风热负荷占总负荷的比例比一般估算指标高很多。综上所述，新风负荷是航站楼空调能耗的最大组成部分，要想减小航站楼的全年空调能耗，应首先采用减小新风负荷的节能措施。航站楼全年逐时冷热负荷(含新风负荷)及分布如图 9-12 所示。从图 9,11 可以看出，航站楼出现冷热负荷同时存在的情况，经统计，冷热同供的时间为 2985 小时，占全年时间的 34%，主要集中在13 月及 11、12 月。这是因为 T3A 航站楼内有大量的内区房间，这类房间基本上全年均需供冷，因此在采暖季节，就会出现外区房间需要供热，内区房间仍需供冷的情形。从图 10 的冷负荷分布图，可以看出全楼冷负荷大于 35000kW 的小时数只有 40 小时，因此在确定冷源容量时可以不考虑这 40 小时，而以 35000kW 作为冷源的最大容量。此外，图 10 还显示，全楼冷负荷小于 1000kW 的
