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      1. China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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        嚴寒地區航站樓冬夏熱環境及滲風特性實測研究

        • 作者:
        • 中國暖通空調網
        • 發布時間:
        • 2021-07-19

        清華大學  許崢浩  劉效辰  藺文鈺  陳琪  張濤  劉曉華

               【摘  要】本文對嚴寒地區某機場航站樓不同季節的室內熱環境及滲風情況進行了實測研究,對測試方法進行了介紹,并對不同季節的測試結果進行了分析。測試結果表明:此類高大空間建筑室內溫濕度波動受室外影響顯著;夏季運行時,建筑出入口實測滲風量為16~27萬m3/h;冬季運行時,室內外溫差大,滲風驅動力強,通過加裝防風棉簾等措施加強建筑的氣密性,可大幅降低不必要的滲風量,建筑出入口實測滲風量為1~2萬m3/h。

               【關鍵詞】機場航站樓,實際測試,熱環境,滲透風

               【基金項目】 國家重點研發計劃項目課題(2018YFC0705001)

        1 引言

               機場航站樓通常為高大空間建筑,該類型建筑多存在垂直連通的跨層空間,并較多采用大面積的玻璃幕墻。這種類型建筑的能耗較高,可達普通公共建筑的1~2倍[1],其中空調能耗占其建筑運行能耗的40%~60%[2]。由于高大空間的熱壓通風作用,此類建筑往往存在明顯的滲風現象。

               目前已有研究人員對該類型建筑的熱環境特性及滲風特性進行了實測分析。林琳等[3]采用多種測試方法對西南地區某機場航站樓各季節的滲風特性進行了實測,總結了不同測試方法的優劣,并對測試結果進行了對比分析;翁建濤等[4]對夏熱冬冷地區某機場航站樓的冬季室內熱環境進行了測試分析,總結了改善高大空間冬季室內熱舒適性的策略;吳明洋等[5]對西安咸陽國際機場2個航站樓冬夏季室內環境進行了測試,并對不同的分層空調末端形式進行了比較分析;王崇杰等[6]對機場室內熱環境現狀及寒冷地區的熱環境特點進行了分析討論,總結出適合寒冷機場建筑的熱環境優化策略。

               上述研究中所研究的建筑集中在夏熱冬冷地區及寒冷地區。實際運行中,不同地區的氣候條件對于建筑能耗影響顯著。本文以嚴寒地區某航站樓為例,對不同季節航站樓室內熱環境及滲風情況進行測試,以期為該氣候區高大建筑的熱環境特性及滲風特性研究提供參考。

        2 測試概況

               2.1 建筑概況

               測試建筑為我國嚴寒地區某機場的T3航站樓,該航站樓于2010年啟用,總建筑面積為10.6萬m2。該航站樓共有四層,分別為F2出發層、F1到達層、B1與B2工作區。航站樓功能區域共分成4個,如圖1(a)所示,其中A區和C區為國內候機區,B區為值機大廳及迎賓大廳,D區為國際候機區。該航站樓值機大廳高30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,夏季送冷風,冬季送熱風,冬季運行時采用全回風模式,無機械新風。由于嚴寒地區建筑冬季室內外溫差較大,熱壓作用明顯,因此航站樓在冬季運行時為減少出入口滲風帶來的影響,對各外門進行了防滲風處理,加裝兩道棉風簾。


        圖1 嚴寒地區某機場T3航站樓

               2.2 測試方法

               測試的主要研究對象為室內環境場的溫濕度,CO2濃度及滲透風量等參數,其中溫濕度,CO2均采用布置相關監測自記儀器進行連續時間段的數據采集,圖1中給出了部分測點的布置圖。滲風情況的測試方法通常為風速測試法及示蹤氣體法,林琳等[3]的研究中指出,采用 CO2濃度法、含濕量法等示蹤氣體法對建筑滲風進行測試時,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。該機場航站樓出入口固定,且頂部天窗在一般情況下為關閉狀態,因此風的出入口明確,故而本文采用風速測試法直接對航站樓的滲風情況進行測試。測試在T3航站樓安檢以外區域開展,包含F2層值機大廳和F1層到達大廳。測試期間每隔2小時在各層的外門處測量斷面上的平均風速,通過平均風速乘以面積的方法得到滲透風量。

               2.3 夏季測試結果

               (1)溫濕度及CO2測試結果

               夏季測試期間T3航站樓溫度變化曲線如圖2所示。測試期間,7月23日和7月24日為典型夏季工況,在空調運行時間內,人員活動區溫度變化范圍為24~28℃,略高于設計值25℃。其中位于F2層的值機區域溫度整體高于候機區域溫度,候機區域溫度整體高于F1層迎賓區域溫度。在垂直方向上的溫度分布如圖2(b)所示,7m高度靠近射流送風口,可以發現送風口及以下區域溫度基本均勻;送風口以上區域溫度不斷升高,且在一天之內隨室外溫度波動。受到太陽輻射的影響,高大空間高處的溫度甚至高于室外溫度,在7月23日下午甚至高達49℃。其中30m高度出的測點位于馬道以上接近天窗的位置,其波動幅度和室外太陽輻射強度密切相關。


        圖2 嚴寒地區某機場T3航站樓溫度分布(夏季)

               夏季測試期間T3航站樓人員活動區的含濕量變化曲線如圖3所示。測試期間,人員活動區含濕量變化范圍為7~12g/kg,均低于設計值13g/kg,且和室外值較為接近,垂直方向上的濕度分布相對均勻。


        圖3 嚴寒地區某機場T3航站樓濕度分布(夏季)

               夏季測試期間T3航站樓人員活動區的CO2濃度變化曲線如圖4所示。測試期間,人員活動區CO2濃度變化范圍為300~750ppm,均低于規范要求的1000ppm。


        圖4 嚴寒地區某機場T3航站樓CO2分布(夏季)

               (2)滲透風情況

               圖5所示為夏季測試期間典型日的滲透風量及室內外壓差變化。F1層和F2層大門處均測得室內空氣穩定向室外流動,其中F1層在一天之內的滲透風量范圍在9.4~14.5萬m³/h,F2層在6.8~14.7萬m³/h,總滲透風量范圍在16.2~27.4萬m³/h。此外滲透風量在一天內呈現出先減小后增大的趨勢,這個變化規律也與測試得到的室內外壓力差△P變化吻合。壓力分布體現出典型的夏季熱壓通風模式:在高大空間底部(F1層和F2層)呈現室內正壓狀態,室內外壓差△P在3~10Pa范圍內,室內空氣通過開啟的外門向室外流動;在高大空間頂部呈現室內負壓狀態,室內外壓差△P在-1Pa左右,室外空氣通過天窗或縫隙向室內流動。


        圖5 嚴寒地區某機場T3航站樓滲風測試(夏季)

               2.4 冬季測試結果

               (1)溫濕度及CO2測試結果

               冬季測試期間T3航站樓溫度變化曲線如圖6所示。測試期間,室外溫度為-10~3℃,人員活動區溫度變化集中在20~29℃。其中,位于F2層的溫度整體高于F1層的溫度;垂直方向上的溫度分布相對均勻,變化范圍為25~27℃。


        圖6 嚴寒地區某機場T3航站樓溫度分布(冬季)

               冬季測試期間 T3航站樓人員活動區的含濕量變化曲線如圖7所示,人員活動區的大部分區域含濕量變化范圍為3~6g/kg,在設計值5g/kg附近波動。垂直方向上的濕度分布相對均勻,僅在1m處受人員散濕影響略高于其他區域。


        圖7 嚴寒地區某機場T3航站樓濕度分布(冬季)

               冬季測試期間T3航站樓人員活動區的CO2濃度變化曲線如圖8所示。測試期間,人員活動區CO2濃度變化范圍為400~800ppm,均低于規范要求的1000ppm。


        圖8 嚴寒地區某機場T3航站樓CO2分布(冬季)

               (2)滲透風情況

               圖9所示為冬季測試期間典型日的滲透風量及室內外壓差變化。F1層大門處測得空氣穩定向室內流動,F2層大門處測得空氣穩定向室外流動,其中F1層在一天之內的滲透風量在1.6~2.4萬m3/h,F2層在1.1~1.5萬m3/h。由于航站樓在冬季運行時,各外門加裝了棉風簾,因此滲透風量顯著小于夏季。此外滲透風量在一天內呈現出先減小后增大的趨勢,這個變化規律也與測試得到的室內外壓力差變化吻合。壓力分布具有典型的冬季熱壓通風特征:在高大空間底部(F1層)呈現室內負壓狀態,室內外壓差△P在-5Pa左右,室外空氣通過開啟的外門向室內流動;在高大空間的頂部呈現室內正壓狀態,室內空氣通過天窗或縫隙向室外流動。由于嚴寒地區建筑的密封性良好,因此頂部的滲透風情況不明顯,使得熱壓差梯度變化更大,室內外壓差△P達45Pa,零壓面更低,出現在了建筑5m高度處,故而F2也呈現室內正壓狀態,室內外壓差△P在5Pa左右,室內空氣通過開啟的外門向室外流動。


        圖9 嚴寒地區某機場T3航站樓滲風測試(冬季)

        3 結果分析

               室內外CO2濃度差值能夠很好的反映建筑的新風供給情況,建筑的新風供給來自于機械新風以及與外界連通的出入口處的滲透風。在室內CO2散發源強度較低(人員較少)或建筑存在大量新風供應(機械新風+滲透風)時,建筑室內的CO2濃度則會趨近于室外CO2濃度。從表1和圖4可以看到:航站樓夏季室內CO2濃度的最低值為與室外濃度基本一致,航站樓室內的CO2濃度日波動規律類似,日最低值出現在夜間航班數量較少,室內人員稀疏時CO2濃度與室外CO2濃度基本一致。對于冬季而言,航站樓室內CO2濃度的日最低值同樣出現在航班數量較少,室內人員稀疏的夜間,而此時室內的CO2濃度則在400ppm以上,明顯高于室外的CO2濃度,航站樓內的新風供給量(機械新風+滲透風)較少,在圖9冬季出入口滲風情況的測試結果中也表明冬季航站樓的滲風量較小,航站樓的密封性良好。

        表1 航站樓CO2濃度測試結果

               出入口處的滲風由風壓和熱壓共同驅動,圖10為夏季及冬季測試期間典型時刻的室內外壓差及滲風量測試結果,可以看出,夏季航站樓一二層室內均為正壓,因此各出入口均為往外出風;在冬季運行時,航站樓為減少滲透風影響,對各出入口加裝了防風棉簾,測試期間,一層室內為負壓,二層為正壓,此時一層各出入口往里進風,二層各出入口往外出風,冬季的滲風量明顯小于夏季滲風量。


        圖10 嚴寒地區某機場T3航站樓滲風測試結果

               將結果與文獻中測得的我國其他地區航站樓冬季的滲風數據進行比較,可以看到,該地室內外溫差較大,驅動力較強,而該航站樓通過加裝防風門簾的方式使得滲風量大幅減小。

        表2 各航站樓冬季滲風情況對比

        4 總  結

               本文對嚴寒地區某機場航站樓不同季節的熱環境進行了實測研究,得到的主要結論如下:

               (1)從航站樓溫濕度及CO2的測試結果來看:夏季測試期間,航站樓人員活動區溫度集中在24~28℃,濕度集中在7~12g/kg,CO2濃度集中在300~750ppm;冬季測試期間,航站樓人員活動區溫度集中在25~27℃,濕度集中在3~6g/kg,CO2濃度集中在400~800ppm;

               (2)從各季節的滲透風量來看,航站樓的夏季滲風量較大,測試期間的滲風量在16~27萬m3/h間,而對于冬季,由于加裝了防風棉簾,滲風量顯著減少,僅有1~2萬m3/h,防風棉簾對于減小高大空間滲風的作用顯著;

               (3)從不同機場的情況對比來看,在冬季室內外溫差大驅動力強的情況下,該嚴寒地區航站樓的滲風量遠小于其他地區航站樓,建筑的氣密性較好。

        致  謝:

               本研究受國家重點研發計劃項目課題(2018YFC0705001)資助,特此致謝。

        參考文獻

               [1] Balaras CA, Dascalaki E, Gaglia A, Droutsa K. Energy conservation potential, HVAC installations and operational issues in Hellenic airports. Energy Build 2003; 35: 1105-1120.
               [2] Zhao HT. A field study on energy consumption and indoor environment quality of terminals in China. Master Thesis, Tsinghua University, Beijing, 2015.
               [3] 林琳, 劉效辰, 張濤,劉曉華. 機場航站樓等高大空間建筑不同季節滲風特性研究[J]. 建筑環境與能源, 2018(10):139-143.
               [4] 翁建濤,趙康,章鴻.航站樓高大空間冬季室內熱環境實測分析[J].暖通空調,2018,48(01):72-77.
               [5] 吳明洋,劉曉華,趙康,張倫,周敏.西安咸陽國際機場T2和T3航站樓高大空間室內環境測試[J].暖通空調,2014,44(05):135-139+96.
               [6] 王崇杰,弭羽高,尹紅梅.寒冷地區機場室內熱環境優化研究[J].建筑節能,2018,46(10):55-58.
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               備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊 總第37期(第22屆全國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。

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