分层空调在机场建筑中的应用

钟 铿

(广东海外建筑设计院有限公司，广州 510075)

引言

大型民用机场航站楼作为重要的交通建筑之一，其建筑功能对于空调设计的难度有别于一般公共建筑：单体建筑面积大、功能多样化、空间高大、人员组成国际化、进出港大厅等处人员密度高，公共安全要求突出。为了保证旅客人流顺畅，办票、候机等区域往往设计成高大的无分隔空间，造成这些区域空调负荷很大。作为空调设计人员，在满足人员舒适性和合理的气流组织要求下，通过分层空调技术尽量减少空调冷负荷。分层空调技术在机场建筑中设计合理与否，直接关系到末端空调设备的运行能耗，甚至影响到冷冻水输配系统、冷热源机组等的设计选型和运行效率，对空调系统的节能运行起到重要的作用。

1 分层空调的应用

根据设计手册[1]，分层空调是指仅对高大空间的下部区域(人员活动区域，一般可取地面以上2m高的区域)设置空调，保证空调区的温、湿度满足一定要求的空调方式。与全室(空调区和非空调区简称全室，如图1)空调相比，夏季可节省空调负荷，对于高大空间来说，一般可节能15%～50%。但是，对于冬季空调并不节能[1]。

当大空间层高大于10m,房间面积大于10000m3，且空调区的高度与该空间的高度之比小于等于0.5时，采用分层空调方式可有效节省初投资和减少后期的运行费用，经济合理[1]。在大中型机场建筑中，出发(候机)大厅，国内混流大厅，值机大厅，远机位候机厅等功能区面积较大，层高较高，设置分层空调经济、节能。

图1 分层空调示意图

2 负荷计算

分层空调负荷计算主要体现在夏季分层空调的负荷计算，对冬季空调负荷不但没有减少，如果气流组织设计不合理，分层空调甚至有可能加剧空调房间的温度梯度，所以冬季应按照全室空调采暖方式进行计算。

在初步设计阶段，可根据经验公式[1]估算分层空调区域负荷，即

Q分=Q全·α

(1)

式中:

Q分—指分层空调区的空调负荷;

Q全—指全室的空调总负荷；

α=0.5～0.85，缺乏数据时可取α=0.7；对于人员密集，空调区散热量比较大的区域，笔者建议取α=0.85。

在施工图设计阶段，空调区冷负荷应经过详细逐时负荷计算确定，主要由空调区外围护结构得热形成的冷负荷，空调区内部热源散热形成的冷负荷，供空调区的新风冷负荷及非空调区得热向空调区转移形成的冷负荷组成。由于目前的逐时负荷计算软件未能一次性准确计算分层空调区域冷负荷，建议通过分别计算空调区得热和非空调区得热，另考虑非空调区向空调区转移热量形成的空调冷负荷的方法求得。

非空调区向空调区转移热量形成的空调冷负荷包含两部分，辐射热转移形成的冷负荷和对流热转移形成的冷负荷。辐射热转移形成的冷负荷与建筑材料的黑度、吸收率及黑体的辐射系数有关，而且主要取决于非空调区围护结构各个面和地板的绝对温度值。在一般空调系统中，可认为辐射热转移量的50%直接形成空调区冷负荷，最大不超过辐射转移量的72%，计算方法可参考设计手册[1]。对流热转移形成的冷负荷计算较为简单，主要通过计算非空调区外围护结构的得热量和非空调区内部热源散热量(灯光照明，广告显示屏，屋顶通风设备等散热)之和，再扣除辐射热转移量。实际上，设计良好的非空调区通风系统，可以大大减少或者消除非空调区向空调区对流热转移形成的冷负荷。

3 气流组织

3.1 送风方式

航站楼建筑设计中，高大空间一般出现在最上层(三层或四层)，有时候是上两层相通，中间区域通常为公共走廊，两侧为候机区或小商业。对于跨度小的高大空间，可采用单侧送风的形式。跨度比较大的高大空间，一般采用两侧对送的型式，经常采用的分层空调气流组织形式有几种，如图2、图3所示。

图2 采用风柱侧送风，下回风，最高处侧墙设排风，屋顶设电动窗

图3 采用小商业屋顶侧送风，下回风，最高处侧墙设排风，屋顶设电动窗

图4 采用侧送风，风柱顶回风，最高处侧墙设排风，屋顶设电动窗

图5 采用侧送风，商业顶回风，最高处侧墙设排风，屋顶设电动窗

在设计过程中，会遇到受空间布局、装修形式或回风口面积太大无法设置下回风，而将回风口设置在高处的情况，如图4、图5所示。这样会导致气流组织较差，回风温度较高，而且会造成非空调区热负荷向空调区转移，气流组织混乱。在送风口的下方容易形成死角，温度较高，而该区域恰是人员活动的主要区域，在一定意义上牺牲了舒适性和节能性。在空调运行阶段，为了满足该区域的温度要求，管理者往往会选择将部分送风口的角度调得很低，导致部分区域吹风感较强，人员活动区未能处于气流的回流区。所以，作为暖通设计人员，在配合建筑方案设计阶段应尽量避免这种气流组织形式，可采取另增加下回风风柱数量或者其他形式的低位回风口办法解决。

3.2 设计计算

3.2.1 非空调区通风量的确定

在人员较多，空间较大的高大空间区域一般都采用全空气系统，送风量的80%为回风，新风占20%(需同时满足人员最小新风量的要求)，5%的风量形成室内正压，剩余的15%风量可用于带走非空调区的部分热负荷。多余的非空调区热负荷可通过屋顶排风机和可开启外窗进风带走多余部分的热量。当非空调区热强度q<4.2W/m3时[1]，可不设进排风装置。非空调区的通风量可通过以下公式计算：

Q1=Qy-Ql(W)

(2)

(3)

(4)

Lp=L1+0.15L(m3/h)

(5)

式中：

Q1—需要通过室外空气带走的热量，W；

Qy—非空调区的余热量，W；

Ql—通过空调区排风余冷，W；

ρ—空气密度,kg/m3;

△tl—非空调区排风与空调区排风的温差，℃；

△tp—排风温度与室外空气的温差，可取2～3℃；

L—空调区总送风量，m3/h；

Lp—非空调区总通风量，m3/h，一般小于3次/h[1]。

根据非空调区总通风量Lp和设置于非空调区高处的每台排风机的排风量可确定排风机的台数。建议每台排风机的排风量不宜过大，以避免排风过于集中而出现部分区域温度较高的死角和减少风机运行噪声。

在空调运行阶段，屋顶排风机运行台数的控制可根据非空调区排风温度与空调区温度的差值来确定，但总排风量不得小于0.15L，以保证空调区的新风量；从空调负荷计算结果来看，非空调区上午的得热量不大，一般热强度q不超过4.2W/m3，以最小排风量0.15L运行即可消除非空调区的得热。在夏季晚上空调停止运行后，由于南方地区室外温度依然较高(相对于空调设计温度)，室内得热量会不断聚集，还需要开启部分排风机来消除夜间得热，减少第二天空调预冷的时间，节省建筑运行能耗。

3.2.2 选型计算

在航站楼大空间空调设计时，采用圆喷口多股平行冷射流较为常见。在设计过程中，由于建筑布置条件的限制，往往在设计的初步阶段可确定风口的安装高度。比如，采用侧送风，风口的安装高度受这些风柱和商业屋顶高度的限制。笔者对多个机场航站楼高大空间布局进行调研，发现风柱和小商业屋顶的高度在3.8～4.5m较多。为了保证空调区的噪声要求，对于球型喷口的送风流速宜控制在4～8m/s，最大不超过10 m/s。

取空调区送风温差为△t0=8℃,T/△t0=(237.15+26)/8=37.39,射流末端轴心速度Vx=2VP=0.5m/s,分层空调风口安装高度h=3.8+0.3+0.3=4.4m,射流落差Y=4.4-2-0.3=2.1m(工作区的高度按2m计算),假设喷口送风流速v0=8m/s,根据文献[1]，圆喷口水平多股平行非等温冷射流计算公式：

圆喷口送风速度v0(m/s)：

(6)

圆喷口喉部直径d0(m)：

(7)

喷口的送风量L(m3/h)：

(8)

计算得喷口射程X(m)：

X=22.8 m，

喷口喉部直接d0=0.164 m。

采用同样的办法，可以计算出喷口在不同安装高度，不同流速下的射程和相应的喉部直径，进而求出相应的送风量。

笔者选用设计过程中常用的几种情况，通过计算归纳如表1所示，可以方便设计人员在较快速度得到喷口选型的初步方案和校核选型方案是否合理。

表1 喷口送风计算表

安装高度(m)喷口送风速度(m/s)喷口安装角度为0°时射程(m)喷口安装角度为30°时射程(m)喷口喉部直径(m)喷口送风量(m3/h)v1v2v3X1X2X3X1X2X3d1d2d3L1L2L33481020.738.346.723.944.354.00.0790.0660.06271981093.2481018.434.041.521.239.347.90.0980.0810.0761081491653.4481016.730.937.719.335.743.60.1150.0960.0901512082303.6481015.428.634.817.833.040.20.1330.1100.1041992743043.8481014.426.732.616.630.837.60.1490.1240.1172523473854.0481013.625.230.715.729.135.40.1660.1380.1303104284744.2481012.923.929.114.927.633.60.1820.1510.1423735145704.4481012.322.827.814.226.332.10.1970.1640.1544416076744.6481011.821.826.613.625.230.70.2130.1770.1665137077834.8481011.321.025.613.124.229.50.2280.1890.1785898119005.0481010.920.224.612.623.328.50.2430.2020.19066992210225.2481010.519.523.812.222.627.50.2580.2140.202753103811515.4481010.218.923.111.821.926.60.2730.2260.213842116012865.648109.918.422.411.421.225.90.2870.2390.225934128714275.848109.617.921.811.120.625.20.3020.2510.2361029141915736.048109.417.421.210.820.124.50.3160.2620.2471129155617256.248109.217.020.710.619.623.90.3300.2740.2581232169818836.448108.916.620.210.319.123.30.3440.2860.2691339184520466.648108.716.219.810.118.722.80.3580.2970.2801449199722146.848108.615.919.39.918.322.30.3720.3090.2911563215323887.048108.415.518.99.717.921.90.3850.3200.3011680231525667.248108.215.218.69.517.621.40.3990.3310.3121800248027507.448108.114.918.29.317.321.00.4130.3420.3221924265129397.648107.914.717.99.116.920.70.4260.3540.3332050282631337.848107.814.417.69.016.620.30.4390.3650.3432180300533328.048107.714.217.38.816.420.00.4520.3760.3542314318835358.248107.513.917.08.716.119.60.4660.3860.3642450337637448.448107.413.716.78.615.919.30.4790.3970.374259035693957

注：X1、X2、X3指喷口在某安装高度，送风速度分别为v1、v2、v3时对应的喷口射程；d1、d2、d3指喷口安装角度为0°下，射程分别为X1、X2、X3时对应的喷口喉部直径；L1、L2、L3指喷口喉部直径分别为d1、d2、d3时对应的喷口送风量。

根据表1的计算结果，喷口流速在10m/s，安装角度30°条件下，喷口安装高度为3m时射程是54m,喷口安装高度为8.4m时射程仅为19.3m，而且所需要的喷口喉部直径和送风量也不一样。球型喷口在相同送风速度下，随着喷口安装高度的增加，射程不断在减少，同时所需的喷口喉部直径也增大。一些厂家的风口选型样本忽略了喷口在不同安装高度下对射程的影响。在设计选型时，很多设计人员往往是仅根据厂家提供的不同喷口的风量范围和射程范围来选择。实际上，根据厂家提供的喷口对应的最大风量，可以计算出喷口的喉部尺寸对应的流速达到15m/s,甚至更大，造成运行阶段噪声难以控制。在特定的风口安装高度下，在合理的喷口送风速度范围内，实际射程无法达到样本上的对应值。如果片面的追求满足的喷口的最大射程，必定要牺牲人员活动区的舒适度和空调区的噪声。

因此,建议设计人员在设计阶段根据风口的安装高度、送风流速、射程等相互制约影响的关系，利用上述公式核对大空间喷口送风是否满足要求。

4 风口选型

在机场建筑高大空间中，常用的风口型式有：双层送风百叶，球型喷口，鼓型喷口。送风口主要技术参数见表2：

表2 送风口主要技术参数

风口形式规格型号送风量范围CMH风速(m/s)安装高度范围(m)射程(m)压损(Pa)噪声dB(A)双层百叶根据设计定根据设计定1.5～3.52.5～6 3～8<50<30、球型喷口D200130～3004～103～3.615～4060～15035～45D250200～5004～103.4～4.212～3560～15035～45D315350～8504～103.8～4.810～3060～15035～45D400600～5004～104.2～5.610～2560～15035～45D500900～3004～104.8～6.68～2260～15035～45D6301500～40004～105.6～8.47～2060～12035～45鼓型喷口250×150700～10004～62～510～30100～20035～45300×1501000～12004～62～510～30100～20035～45475×1501200～20004～62～510～25100～18035～45500×2502000～25004～62～510～25100～14035～45625×1502000～25004～62～510～25100～14035～45650×2502500～30004～62～510～20100～14035～45750×2503000～40004～62～510～20100～14035～45900×2504000～50004～62～510～20100～14035～45

5 结语

笔者根据中国建筑科学研究院提出的“分层空调气流组织计算方法”、“分层空调热转移负荷计算方法”和CFD技术、简易能量平衡模型等手段对分层空调横向隔断气流以及室内温度分布等成果，结合多年的机场建筑设计经验，对高大空间分层空调在机场建筑中的应用总结如下：

(1)准确计算空调区负荷，是合理设计分层空调的基础。

(2)非空调区通风优化设计，可以有效减少非空调区向空调区的热转移，减少空调区冷负荷。

(3)分层空调宜使人员活动区处于回流区，在机场建筑中，采用侧送风、下回风的气流组织形式较为常见，尽量避免侧送风、顶回风的气流组织。

(4)球型喷口在相同送风速度下，随着喷口安装高度的增加，射程不断在减少，同时所需的喷口喉部直径也增大。在设计中，风口的射程和送风量应通过计算确定。

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