T2航站楼春夏过渡季空调负荷分析及应用

王 磊　 王 东

（北京首都机场动力能源有限公司,北京　100621）

·研究与探讨·

T2航站楼春夏过渡季空调负荷分析及应用

王 磊 王 东

（北京首都机场动力能源有限公司,北京100621）

对首都机场二号航站楼空调在春夏过渡季出现的问题及相关空调负荷进行特性分析，找出了在实际运行过程中空调运行在不同供送状况下的临界状态和规律。

过渡季；冷负荷；空调供冷；新风供送

一、研究背景

首都机场T2航站楼在春夏过渡季的空调运行模式主要是通过引入新风来消除楼内余热。伴随旅客吞吐量的逐年递增，在每年的4月底到5月初集中供冷开始之前，当室外温度连续超过20℃时，室内热效应极为明显。特别在国内、国际安、边检大厅的人流密集区域，随着旅客出港高峰期的到来，频频出现环境温度较高，体感不舒适的情况。为保证首都机场的服务品质，解决过渡季航站楼内部分区域的高温问题迫在眉睫。

二、研究目的

在过渡季节，一般认为室外空气焓值低于室内，若室内有供冷需求时，可以利用新风供冷。而采用新风供冷方式时，会存在风机能耗与节省冷量两者之间的平衡问题。

为此，根据首都机场T2航站楼内的实际情况，首先要判断出室外空气状态在标准为多少的临界值下，可以使用新风消除冷负荷；其次，根据负荷状态及室外空气状态，确认机组24h运行的临界点；最后，确认供送供冷的临界点。

三、研究区域概况及冷负荷分析

1.研究区域概况

选择过渡季节温度较高的T2航站楼国内安检现场大厅作为典型区域，该研究区域由设在地下机房的单台型号为39F-980的全自动双风机卧式组合式空气处理机组供送风，单台空调机组额定风量为60000m3，额定冷量为373kW。

2.研究区域负荷分析

研究区域的过渡季节冷负荷主要包含4部分：人体散热量；照明散热量；机械设备、管道及其他内部热源的散热量；通过维护结构传入的热量。

（1）人体散热量

近年来，首都机场2号航站楼旅客吞吐量快速增加，严重影响了过渡季楼内的热平衡，楼内冷负荷上升明显，造成部分区域出现30℃的高温，产生闷热和不舒适的感觉。

T2航站楼国内安检区域大约2700m2，设定室温为26℃，相对湿度为60%。该区域的日平均旅客量为33820人，每日旅客经过安检区域的有效时间为16h，即区域内平均每小时旅客量为2114人。

根据人体散热引起的冷负荷计算公式:

CL=μn(qsCcl+qr)

式中：CL——人体散热引起的冷负荷，W；

Ccl—— 人体显热散热冷负荷系数；

μ——群集系数，参考百货商店的群集系数0.89（为了实际计算方便，以成年男子为基础，乘以不同建筑内人员组成比例系数，称为群集系数）；

n—— 室内人数，平均2114人/h；

qs—— 不同室温和劳动性质时成年男子显热散热量,W；

qr——不同室温和劳动性质时成年男子潜热散热量,W(过渡季可忽略)。

在确保T2航站楼安检区域过渡季温度为26℃、相对湿度为60%的条件下，qs=58,Ccl=0.49。则每小时因人体散热产生的冷负荷为53.47kW(0.89×2114 ×58×0.49)。

（2）照明散热量

国内安检现场光源照明引起的热负荷如下：

①节能灯：该区域设有216组，每组2支35W节能灯，所产生的供冷需求负荷共计216×2×35W=15120W；

②日光灯：该区域设有369组，每组3支40WT5日光灯，所产生的供冷需求负荷共计369×3×40W=44280W；

③广告灯箱日光灯：共计30×2×40W=2400W。

此区域的开灯时间为24h/d，根据照明灯具散热所产生的冷负荷计算公式：

CL=n1n2NCcl

式中：CL——灯具散热引起的冷负荷,W；

N ——灯具所需功率，W；

n1——镇流器消耗功率系数，当灯具的镇流器

装设在顶棚内时，取其值为1.0；

n2——灯罩隔热系数，针对灯罩无通风孔，则视顶棚内通风情况取0.6～0.8，此处取其值为0.8；

Ccl——照明散热冷负荷系数，航站楼内为0.96。

因此，照明灯具散热产生的冷负荷总计为47.46kW [1×0.8×(15120+44280+2400)×0.96]。

（3）机械设备、管道及其他内部热源的散热量

经测算，航站楼内机械设备冷负荷可达10W/m2。即因机械设备、管道及其他内部热源的散热量产生的冷负荷为27kW。

（4）通过维护结构传入的热量

经由维护结构传入的热量和室内外温差息息相关。据统计，在北京，近年来过渡季室外气温≥25℃的高温天数不断增加，2014年4月达到12天，平均室外温度达23℃，出现极端高温天气时，室外温度达29℃。室外高温和太阳照射导致楼内冷负荷增加，但通过维护结构传入的热量在转化为冷负荷的过程中，存在衰减和延迟，因选定区域地处航站楼中间地带，所受影响相对较小，可以忽略。

四、研究区域消除冷负荷的风量计算

因T2航站楼建筑的特点是首层地面与室外无高差，又无窗井可供新风引入，造成地下室空调机的新风引入很困难，特别是中间段的4座地下空调机房位于建筑中心区内（此次涉及的供送国内安检现场的机组就置于该机房内）因此，每一座空调机房设有1根直径2m的新风竖管，全高20m，从14.5m标高的屋面上采风。在2m直径的新风管顶部各安装1台扇叶直径2.4m的进风型屋顶轴流蘑菇型风机，风量为19.85万m3/h，风压228Pa，转速480r/ min，电机功率18.5kW，用此屋顶进风机向地下室机房供送新风，其新风量约占每座空调机房总送风量的1/3。

1.过渡季使用全新风消除冷负荷的临界状态

过渡季期间，T2航站楼内维持的空气状态参数为温度tN=26℃、湿度φN=60%，空气密度依照平均密度为1.20kg/m3计算。

考虑空调机组供送的最大风量为60000m3/h，那么供送的新风量为送风量的1/3：Q=72000/3=24000kg/ h=6.67kg/s。

根据热平衡公式：GhO+Q=GhN

可得: G=Q/(hN-hO) （1）hO=hN-Q/G （2）

式中：G——送风风量，kg/s；

Q——室内总冷负荷，kW；

hN—— 室内空气的状态焓值，kJ/kg（室内温度tN=26℃、湿度φN=60%时，hN=58.4kJ/kg）；

hO——室外空气的状态焓值，kJ/kg。

研究区域内的冷负荷主要由人体散热量、照明散热量以及机械设备、管道、其他内部热源的散热量组成，所以Q=53.47+47.46+27=127.93kW。

依 公 式（2） 计 算 可 得hO=hN-Q/G=58.4-127.93/6.67=39.2kJ/kg。

通过对照空气焓值参数及2014年4月北京室外空气焓值变化图（图1）可知，对应的室外温度大约为19℃。也就是说，在过渡季，当室外温度≤19℃时，在T2航站楼内为国内安检区域供送的新风可以满足供冷需求负荷。

图1　2014年4月北京室外空气焓值变化图

考虑在此期间提供冷源消除冷负荷的临界状态，即国内安检区域的空调总供送风量为60000m3/h，全部作为冷源使用，即Q=60000×1.2=72000kg/h= 20kg/s时，根据公式（2），计算可得hO=hN-Q/G=58.4-127.93/20=52kJ/kg。

查空气焓值表可得：对应的空气温度约为24℃。也就是说，当送风温度≤24℃时，在T2航站楼内为国内安检区域供送全风量可以满足需求，超过24℃时，则该区域的温度出现上升趋势。

2.室外温度和理论供送新风量的关系

事实上，T2航站楼在过渡季的空调运行模式主要是通过引入新风来消除楼内余热，即当国内安检区域的空调总供送新风风量为20000m3/h、tO＝10～19℃时，依据焓值参数变化，根据公式（1）计算得出所需新风风量如表1所示。

表1

由表1可知，室外温度tO和理论新风量G成显著的正比例关系。

3.全天冷负荷与机组运行时间的关系

（1）不同室外平均温度下，供送新风的空调机组运行时间

针对T2航站楼安检区域全天所需的冷负荷，主要仍由人体散热量（每天旅客流量有效小时数为16h）、照明散热量以及机械设备、管道、其他内部热源的散热量组成，那么所需供冷负荷：Q=53.47×16+47.46 ×24+27×24=2642.56kW·h。

该区域在过渡季是通过引入新风来消除楼内余热，空调供送新风风量为20000m3/h时，根据公式（2），计算可得：hN-hO=Q/G=2642.56×3600/24×20000 ×1.2=16.52kJ/kg，则hO=58.4-16.56=41.9kJ/kg。

通过查找焓值参数表，此时空气的温度约为19℃。以北京2014年4月天气为例，日最低平均气温为16℃（出现在4月19日，气温为12～16℃），日最高平均气温为21℃的情况（出现在4月30日，气温为13～29℃）。根据公式（1）计算所得不同室外平均温度下供送新风的空调机组运行时间如表2所示。

由表2可得，当临界点即室外平均温度大约为19℃时，为安检区域供送新风的空调机组需要全天24h运行，才能保证该区域的冷负荷得以消除，区域温度满足要求。历史数据统计显示，2014年4月，北京有9天的平均气温超过19℃，所以单独依靠供送新风无法满足需求。

表2

（2）全面供冷时，不同供送温度下空调机组运行时间

如果在该安检区域进行全面供冷，即当空调供送风量为60000m3/h时，根据公式（1）计算可得：hN-hO=Q/G=2642.56×3600/24× 60000×1.2=5.5kJ/kg，则hO=58.4-5.5 =52.9kJ/kg。

通过查找焓值参数表，此时空气温度约为24℃。不同供送温度下全面供冷的空调机组运行时间表如表3所示。

表3

由表3可得，当供送温度为24℃时，为安检区域供冷的空调机组需要全天24h运行，才能保证该区域温度满足要求。

五、控制过渡季冷负荷的建议

1.基于供冷负荷组成分析的可行性建议

由分析计算得到，研究区域内的冷负荷主要由人体散热量、照明散热量以及机械设备、管道、其他内部热源的散热量组成，其结构如图2所示。

图2　区域内分项冷负荷分布结构图

在航站楼的实际运行中，考虑到旅客不可控、设备散热基本固化，因而选择从照明设备入手，通过更换低散热照明设备来降低该区域的冷负荷。

2.降低冷负荷效果分析和对比

表4

表5

表6

当照明设备改为LED时，不仅会减少耗电量，同时会减少供冷负荷，据测算，照明散热量可降至40%，那么研究区域内的冷负荷约为99.5kW（53.47+47.46×40%+27），相比更换前降低约22%；每日的总冷负荷约为1959kW·h(53.47×16+47.46 ×40%×24+27×24)，相比更换前降低约26%。

（1）降低冷负荷后，过渡季使用全新风消除冷负荷的临界状态为hO=hN-Q/G=58.4-99.5/6.67=43.5kJ/kg。

通过查找焓值参数表，此时空气的温度约为20℃。当tO＝10～20℃时，依据焓值参数变化，根据公式（1）计算得出所需新风风量和原所需新风风量G如表4所示。

降低冷负荷后，不同室外平均温度下，供送新风的空调机组运行时间和原运行时间对比见表5。

降低冷负荷后，全面供冷时，不同供送温度下空调机组运行时间和原运行时间对比见表6。

通过对比可以判断出，相比于前，降低照明冷负荷后过，T2航站楼国内安检区域在春夏过渡季使用全新风消除冷负荷的效果得到了显著提升。

[1]刘魁星.航站楼负荷动态模拟和特性分析[J].

[2]周靖,潘旗.首都国际机场新航站楼暖通空调设计[J].暖通空调，2001.

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