广州新白云国际机场一期航站楼空调负荷分析

李司秀;胡嘉庆

(1.广东省建筑设计研究院,广东广州510010;2.华森建筑与工程设计顾问有限公司广州分公司,广东广州510010)

1 简介

广州新白云国际机场一期航站楼是一种功能复杂、系统繁多、规模宏大的特殊建筑类型[1],建设规模为35.3万m2,建筑高度55.88 m,包括主楼、东连接楼、西连接楼以及东一、东二、西一、西二指廊,有地下室二层,地上三层。主楼宽300m,进深约150m,平面呈腰鼓形,地下二层为地铁站台,地下一层为行李分拣房、地铁站厅,可到达连接楼及停车楼、酒店,首层南面为商业中心,是餐厅、食街及商场,北面为控制中心及信息中心,二层为设备夹层,三层为出港办票大厅,其中国内部分设9个办票岛,共计144个柜台,国际部分设2个办票岛,共计34个柜台;东、西连接楼,分别长450m,宽55m,平面呈长弧形,首层为行李提取厅及迎客厅,二层为到达厅、国际过境厅,三层为出发厅;东一、东二、西一、西二指廊,约长300m,宽34m,平面呈长矩形,首层为远机位候机厅及附属用房,二层为到达廊道,三层为候机厅。航站楼平面示意图如图1。

航站楼外墙采用通透的点式玻璃幕墙,使室内外环境获得更多交融,屋顶采用金属与张拉膜采光相结合的屋面系统,较之玻璃天窗采光避免了直射眩光,明亮柔和,营造出现代化航站楼的候机环境。航站楼规模为年客运量2500万人次,高峰小时客运量9300人,年货运吞吐量为110万吨[1]。

图1 航站楼平面示意图

在空调设计方面,有其各方面的特殊性。首先在确定空调负荷时,由于大部分是高大空间,外墙采用通透的点式玻璃幕墙,屋顶采用金属与张拉膜采光相结合的屋面系统,都有其特殊性[1],玻璃幕墙的热工参数对空调负荷有明显影响;由于人员密度较大,新风负荷所占空调总负荷比例很大,甚至达到50%以上,通过逐时负荷计算和对不同负荷的具体分析[2],才确定空调的主机负荷和末端负荷;在空调风系统里,根据不同空间高度设置常规空调和分层空调,分层空调对高大空间而言,仅对下部空间即人员停留的区域进行空气调节,使工作区有很好的环境,而对上部空间不采用空调,仅采用通风排热,大大降低空调负荷,节能效果明显;根据不同装修要求和不同送风要求,采用各种不同风口的送风,有散流器、双层百叶、条形风口、喷口、鼓型风口等;为了更好地采用合理送风方式,采用可靠的气流组织分析预测,即进行CFD模拟,CFD对室内气流组织分析预测和模拟可以得到较为准确的室内空气的温度场、速度场、压力场、热舒适性场等[3],可以在进一步分析这些流场中,发现设计中没有考虑或考虑不周的问题,并作进一步改进和优化。在空调水系统里,由于水路半径较长,设置多级泵系统,在干管上设置平衡阀,使各个干管水路相对平衡,在每个末端设置电动二通阀,自动调节水量,通过对2007和2008年的运行情况分析,进一步分析主机及其他设备的合理性和节能性,把系统调节到较为节能的状态。

此文重点分析空调逐时负荷的计算和不同材料对负荷的影响,并通过对2007年和2008年主机运行情况的分析,探讨负荷计算的准确性和节能性。

2 航站楼空调系统冷负荷特性分析

2.1 计算条件

航站楼的地下一层、首层、二层的逐时负荷与常规的商用公共建筑较为类似,但三层的最大层高达到20余米,属于高大空间的空调。空调系统不同于一般建筑空调,相应的空调负荷计算也有其特殊性。目前对于高大空间空调系统的负荷计算方法尚不成熟,缺乏一定的理论依据。在本项目中,只能通过一般建筑物的空调负荷计算方法计算,然后应用计算机仿真模拟的方法对计算结果进行修正。其计算结果与实际负荷的偏差应在±10%以内。空调冷负荷主要由以下几部分组成:太阳辐射形成冷负荷、围护结构传热形成的冷负荷、人体散热形成的冷负荷、照明散热形成的冷负荷、空气渗透形成的冷负荷、设备发热形成的冷负荷、各种散湿过程产生的潜热形成的冷负荷。由于具有对称性,下面只介绍航站楼的三层的逐时负荷计算,包括主楼第三层、西连接楼第三层、西一指楼第三层。

2.2 空调负荷计算参数的确定

2.2.1 围护结构使用材料

在计算中,采用以下围护结构或材料:

屋面材料:铝合金金属屋面;屋面保温层为玻璃纤维板,密度约为 11kg/m3,材料导热系数为0.040W/m·K,经组装后的厚度为110mm。

帐幕材料:BIRDAIR张拉膜,其反射率为80%,吸收率为4%,透过率为4%。

天窗材料:同幕墙材料。

幕墙材料:(1)夹胶玻璃玻璃:玻璃SUNERGY(浅绿)+透明浮法玻璃 (SUNERGY在第四层)(组合厚度为66.1mm);(2)采用中空玻璃:组合结构为8-12-8mm(SUNERGY浅绿)(LOW-E膜面在第三层)。

金属墙体:表面为铝合金材料,中间用玻璃纤维板保温材料保温,保温材料厚度为100 mm,密度为48 kg/m3。保温层宜加在金属墙体内空间外侧。

2.2.2 室内空调计算参数的确定

夏季空调室内设计参数为:t=25～26℃;φ=60%～65%。室内人员数:3 m2/人。室内照明:20 W/m2。新风量:20 m3/h·人 (或总风量的 18%)。室内设备负荷:10W/m2。

2.2.3 室外空调计算参数的确定

广州市坐落在北纬23°08′, 东经113°35′, 海拔高度6.6m。根据 《空气调节设计手册》[4],查出广州市空调室外计算参数如下:

夏季通风室外计算温度:31℃;最热月平均温度:28.4℃;夏季空调室外计算温度:33.5℃;夏季室外平均风速:2.5m/s;夏季空调日平均温度:30.1℃;夏季空调室外计算湿球温度:27.7℃;夏季平均日较差:7.0℃。

夏季空调设计室外计算逐时温度:

其中:

tsh—室外计算逐时温度;

twp—夏季空调室外计算日平均温度;

△tr—夏季室外计算平均日较差

夏季空调设计室外空气计算逐时综合温度:

其中:

tzs—夏季空气调节室外计算逐时综合温度;tsh—夏季空气调节室外计算逐时温度;

J—围护结构所在朝向的逐时太阳总辐射照度;

ρ—围护结构外表面对太阳辐射热的吸收系数;

αW—围护结构外表面换热系数

2.3 冷负荷计算

2.3.1 太阳辐射形成空调冷负荷的方式以及形成的空调负荷:

透过屋顶帐幕和玻璃幕墙的太阳辐射得热,一部分变为对流热,立即变成房间的冷负荷,另一部分以辐射形式辐射到房间的楼板、设备等表面上,其中有些被吸收、储存,然后再逐渐散入室内空气中,成为滞后的冷负荷。

本房间 (或楼层)属于轻型结构 (围护结构材料的重量小于150kg/m2空调面积),故其冷负荷计算见公式 (3):

其中:

Qτ—各小时的日射冷负荷,W;

Fc—玻璃结构的面积,m2;

Xz—玻璃结构的遮阳系数;

Jc,max—各朝向玻璃结构得热量最大值,W/m2;

Ccl—广州地区冷负荷系数;

ε—房间轻型结构的修正系数,ε=1.2

包括:透过东南西北玻璃幕墙的太阳辐射形成的冷负荷;透过屋面帐幕的太阳辐射形成的冷负荷;透过屋面天窗的太阳辐射形成的冷负荷。

2.3.2 围护结构传热形成的空调负荷计算

计算依据:幕墙为浅绿色夹胶玻璃,根据提供的产品样本,其传热系数为:K=4.0W/m2·K(其中包括:东南西北玻璃幕墙的传热冷负荷;屋面帐幕传热冷负荷;屋面天窗的传热冷负荷)。

2.3.3 人员、设备、照明等形成的空调负荷计算

室内人员:3 m2/人,指楼为2 m2/人室内照明负荷[5]:20 W/m2室内设备负荷:10 W/m2

2.4 空调负荷计算汇总

2.4.1 主楼三层空调冷负荷汇总 (建筑面积49462 m2)

表1 采用夹胶玻璃时的空调负荷

表2 采用中空玻璃时空调负荷

2.4.2 西连接楼三层空调冷负荷汇总 (建筑面积13863 m2)

表3 采用夹胶玻璃时空调负荷

表4 采用中空玻璃时空调负荷

2.4.3 西一指楼三层空调冷负荷汇总 (建筑面积12248 m2)

表5 采用夹胶玻璃时空调负荷

表6 采用中空玻璃时空调负荷

2.5 计算结果分析及说明

根据对新机场主楼、西连接楼和西一指等大楼三层区域的空调工程冷负荷的计算结果分析,可以得到以下结论:

(1)对研究区域的空调冷负荷计算结果可知:采用夹胶玻璃和中空玻璃的房间,其各部分形成的空调冷负荷占空调总冷负荷的比例分别见表7和表8。

表7 采用夹胶玻璃的房间各冷负荷分布

表8 采用中空玻璃的房间各冷负荷分布

从两表可以看出:在空调系统的空调负荷中,室内人员、设备和照明形成的空调冷负荷占有主要份额,透过玻璃幕墙形成的冷负荷对空调系统冷负荷的贡献也达到了30%左右,也是一个不可忽视的冷负荷来源。因此,要降低空调系统冷负荷,一是提高玻璃幕墙的隔热性能,二是增加遮阳措施,并后者在冬暖夏热地区效果尤其明显。在主楼空调系统的冷负荷构成中,屋顶帐幕和天窗的冷负荷占23%以上 (其中:帐幕占20.8%)。

(2)根据各部分使用的材料,对空调系统冷负荷的影响如下:

采用玻璃幕墙材料对空调系统冷负荷的影响见表9。

1)采用中空玻璃后,在相同条件下可以使空调系统的冷负荷较采用夹胶玻璃下降12.73%(主楼)、21.74%(西连接楼)和 14.90%(西一指楼)。对于缩小空调系统规模有利,对降低空调系统运行费用和降低整个建筑物能耗水平效果明显。

表9 玻璃幕墙材料对空调系统冷负荷的影响

2)金属屋面材料对空调系统冷负荷的影响:由于金属屋面的良好隔热性能,其空调冷负荷相对来说较小 (对总冷负荷贡献为12W/m2左右),但其传热系数每增加 0.1W/m2·K,对主楼增加150518 W空调负荷,能量损耗可观。考虑其经济性,宜采用玻璃纤维板保温层,密度约为11kg/m3,材料导热系数为0.040W/m·K,经组装后的厚度为110mm。

3)关于西连接楼的外遮阳问题对空调系统冷负荷的影响见表10。

表10 外遮阳对空调系统冷负荷的影响

通过有外遮阳,空调冷负荷减少了17.7%～30.7%,这个比例相当大,所以,在广州此类冬暖夏热地区,应设如遮阳板、屋檐、挑檐、挑阳台、百叶板、窗帘等遮阳措施。

4)在西一指楼和连接楼的局部位置,使用了金属墙体,为了提高其隔热性能,建议在两铝合金板夹层处,增加100～120mm厚的隔热层,隔热材料为玻璃纤维板,密度为48 kg/m3。

3 航站楼空调运行数据分析

根据本工程大致对称的具体情况,分别在东、西侧设置二个中央制冷系统,每个制冷系统为28135 kW(8000USRT),收集东主机房的1～4号主机在2007年和2008年的运行记录,并对此进行统计分析。

图2 2007年1号机组的负荷率

分析:图中将近90%的负荷率位于95%～105%之间,最低的负荷率为 76%,位于76%与95%之间的负荷率较少,大约为10%。

图3 2008年1号机组的负荷率

分析:1号机组在2007年运行大部分为满负荷或者超负荷运行,但是到了2008年明显的可以看到机组在6～12月之间非满负荷或者非超负荷运行状态有所增加。图中将近75%的负荷率位于95%～105%之间,最低的负荷率为65%,位于65%与95%之间的负荷率有所增加,大约为25%。

图4 2007年2号机组的负荷率

分析:2号机组相对于1号机组来说在2007年运行时间较少,但在运行的时间内满负荷或者超负荷运行即负荷率位于95%～105%之间的负荷率仍然将近有80%,最低的负荷率为65%,位于65%与95%之间的负荷率大约为20%。

图5 2008年2号机组的负荷率

分析:2号机组到了2008年明显的可以看到机组在3～5月、7～8月之间非满负荷或者非超负荷较多,这其中大部分集中在80%到100%之间。但是图中仍有将近60%的负荷率位于100%～105%之间,最低的负荷率为63%,位于63%与80%之间的负荷率大约为15%。

图6 2007年3号机组的负荷率

分析:3号机组在2007年的负荷率与1号机组2007年的负荷率较为相似。图中将近 90%的负荷率位于 95%～105%之间,最低的负荷率为76%,位于 76%与95%之间的负荷率较少,大约为10%。

图7 2008年3号机组的负荷率

分析:3号机组2008年负荷率与3号机组2007年负荷率较为相似。图中将近95%的负荷率位于95%～105%之间,最低的负荷率为64%,位于64%与95%之间的负荷率较少,大约为5%。

图8 2007年4号机组的负荷率

分析:4号机组2007年负荷率与1号机组2007年负荷率较为相似。图中将近90%的负荷率位于95%～105%之间,最低的负荷率为73%,位于73%与95%之间的负荷率较少,大约为15%。

图9 2008年4号机组的负荷率

分析:4号机组2008年的运行明显的可以看到机组在全年非满负荷或者非超负荷运行时间与满负荷或者超负荷运行时间差不多。图中差不多50%的负荷率位于95%～105%之间,最低的负荷率为63%,位于63%与95%之间的负荷率也差不多为50%。

4 结论

通过对航站楼高大区域的空调冷负荷计算结果的分析可知,在空调系统的空调负荷中,室内人员、设备和照明形成的空调冷负荷占有主要份额,透过玻璃幕墙形成的冷负荷对空调系统冷负荷的贡献也达到了30%左右,也是一个不可忽视的冷负荷来源。

因此,要降低空调系统冷负荷,提高玻璃幕墙的隔热性能是一条途径。

对于玻璃幕墙材料,采用中空玻璃较采用夹胶玻璃至少下降12%。

设置外遮阳,空调冷负荷减少了17.7%～30.7%。

对于金属屋面和金属墙体,宜采用玻璃纤维板保温层。

另外,通过对2007年、2008年的运行数据分析,负荷率接近100%,证明选择制冷主机的容量较为准确和机组控制策略正确。

[1] 陈雄.广州新白云国际机场一期航站楼[M].北京:中国建筑工业出版社,2006

[2] 空气调节[M].北京:中国建筑工业出版社,1991

[3] 电子工业部第十设计研究院.空气调节设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社

[4] 建筑照明设计标准GB 50034-2004[S].北京:中华人民共和国建设部,2004

(1)周孝清等.新机场空调负荷计算方法及能耗分析研究报告[R]