分層空調(diào)在機(jī)場(chǎng)建筑中的應(yīng)用

鐘 鏗

(廣東海外建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510075)

引言

大型民用機(jī)場(chǎng)航站樓作為重要的交通建筑之一，其建筑功能對(duì)于空調(diào)設(shè)計(jì)的難度有別于一般公共建筑：?jiǎn)误w建筑面積大、功能多樣化、空間高大、人員組成國(guó)際化、進(jìn)出港大廳等處人員密度高，公共安全要求突出。為了保證旅客人流順暢，辦票、候機(jī)等區(qū)域往往設(shè)計(jì)成高大的無(wú)分隔空間，造成這些區(qū)域空調(diào)負(fù)荷很大。作為空調(diào)設(shè)計(jì)人員，在滿足人員舒適性和合理的氣流組織要求下，通過(guò)分層空調(diào)技術(shù)盡量減少空調(diào)冷負(fù)荷。分層空調(diào)技術(shù)在機(jī)場(chǎng)建筑中設(shè)計(jì)合理與否，直接關(guān)系到末端空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行能耗，甚至影響到冷凍水輸配系統(tǒng)、冷熱源機(jī)組等的設(shè)計(jì)選型和運(yùn)行效率，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行起到重要的作用。

1 分層空調(diào)的應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)[1]，分層空調(diào)是指僅對(duì)高大空間的下部區(qū)域(人員活動(dòng)區(qū)域，一般可取地面以上2m高的區(qū)域)設(shè)置空調(diào)，保證空調(diào)區(qū)的溫、濕度滿足一定要求的空調(diào)方式。與全室(空調(diào)區(qū)和非空調(diào)區(qū)簡(jiǎn)稱全室，如圖1)空調(diào)相比，夏季可節(jié)省空調(diào)負(fù)荷，對(duì)于高大空間來(lái)說(shuō)，一般可節(jié)能15%～50%。但是，對(duì)于冬季空調(diào)并不節(jié)能[1]。

當(dāng)大空間層高大于10m,房間面積大于10000m3，且空調(diào)區(qū)的高度與該空間的高度之比小于等于0.5時(shí)，采用分層空調(diào)方式可有效節(jié)省初投資和減少后期的運(yùn)行費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)合理[1]。在大中型機(jī)場(chǎng)建筑中，出發(fā)(候機(jī))大廳，國(guó)內(nèi)混流大廳，值機(jī)大廳，遠(yuǎn)機(jī)位候機(jī)廳等功能區(qū)面積較大，層高較高，設(shè)置分層空調(diào)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能。

圖1 分層空調(diào)示意圖

2 負(fù)荷計(jì)算

分層空調(diào)負(fù)荷計(jì)算主要體現(xiàn)在夏季分層空調(diào)的負(fù)荷計(jì)算，對(duì)冬季空調(diào)負(fù)荷不但沒(méi)有減少，如果氣流組織設(shè)計(jì)不合理，分層空調(diào)甚至有可能加劇空調(diào)房間的溫度梯度，所以冬季應(yīng)按照全室空調(diào)采暖方式進(jìn)行計(jì)算。

在初步設(shè)計(jì)階段，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[1]估算分層空調(diào)區(qū)域負(fù)荷，即

Q分=Q全·α

(1)

式中:

Q分—指分層空調(diào)區(qū)的空調(diào)負(fù)荷;

Q全—指全室的空調(diào)總負(fù)荷；

α=0.5～0.85，缺乏數(shù)據(jù)時(shí)可取α=0.7；對(duì)于人員密集，空調(diào)區(qū)散熱量比較大的區(qū)域，筆者建議取α=0.85。

在施工圖設(shè)計(jì)階段，空調(diào)區(qū)冷負(fù)荷應(yīng)經(jīng)過(guò)詳細(xì)逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算確定，主要由空調(diào)區(qū)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱形成的冷負(fù)荷，空調(diào)區(qū)內(nèi)部熱源散熱形成的冷負(fù)荷，供空調(diào)區(qū)的新風(fēng)冷負(fù)荷及非空調(diào)區(qū)得熱向空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷組成。由于目前的逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算軟件未能一次性準(zhǔn)確計(jì)算分層空調(diào)區(qū)域冷負(fù)荷，建議通過(guò)分別計(jì)算空調(diào)區(qū)得熱和非空調(diào)區(qū)得熱，另考慮非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移熱量形成的空調(diào)冷負(fù)荷的方法求得。

非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移熱量形成的空調(diào)冷負(fù)荷包含兩部分，輻射熱轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷和對(duì)流熱轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷。輻射熱轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷與建筑材料的黑度、吸收率及黑體的輻射系數(shù)有關(guān)，而且主要取決于非空調(diào)區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)各個(gè)面和地板的絕對(duì)溫度值。在一般空調(diào)系統(tǒng)中，可認(rèn)為輻射熱轉(zhuǎn)移量的50%直接形成空調(diào)區(qū)冷負(fù)荷，最大不超過(guò)輻射轉(zhuǎn)移量的72%，計(jì)算方法可參考設(shè)計(jì)手冊(cè)[1]。對(duì)流熱轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷計(jì)算較為簡(jiǎn)單，主要通過(guò)計(jì)算非空調(diào)區(qū)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得熱量和非空調(diào)區(qū)內(nèi)部熱源散熱量(燈光照明，廣告顯示屏，屋頂通風(fēng)設(shè)備等散熱)之和，再扣除輻射熱轉(zhuǎn)移量。實(shí)際上，設(shè)計(jì)良好的非空調(diào)區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，可以大大減少或者消除非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)對(duì)流熱轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷。

3 氣流組織

3.1 送風(fēng)方式

航站樓建筑設(shè)計(jì)中，高大空間一般出現(xiàn)在最上層(三層或四層)，有時(shí)候是上兩層相通，中間區(qū)域通常為公共走廊，兩側(cè)為候機(jī)區(qū)或小商業(yè)。對(duì)于跨度小的高大空間，可采用單側(cè)送風(fēng)的形式?？缍缺容^大的高大空間，一般采用兩側(cè)對(duì)送的型式，經(jīng)常采用的分層空調(diào)氣流組織形式有幾種，如圖2、圖3所示。

圖2 采用風(fēng)柱側(cè)送風(fēng)，下回風(fēng)，最高處側(cè)墻設(shè)排風(fēng)，屋頂設(shè)電動(dòng)窗

圖3 采用小商業(yè)屋頂側(cè)送風(fēng)，下回風(fēng)，最高處側(cè)墻設(shè)排風(fēng)，屋頂設(shè)電動(dòng)窗

圖4 采用側(cè)送風(fēng)，風(fēng)柱頂回風(fēng)，最高處側(cè)墻設(shè)排風(fēng)，屋頂設(shè)電動(dòng)窗

圖5 采用側(cè)送風(fēng)，商業(yè)頂回風(fēng)，最高處側(cè)墻設(shè)排風(fēng)，屋頂設(shè)電動(dòng)窗

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)遇到受空間布局、裝修形式或回風(fēng)口面積太大無(wú)法設(shè)置下回風(fēng)，而將回風(fēng)口設(shè)置在高處的情況，如圖4、圖5所示。這樣會(huì)導(dǎo)致氣流組織較差，回風(fēng)溫度較高，而且會(huì)造成非空調(diào)區(qū)熱負(fù)荷向空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移，氣流組織混亂。在送風(fēng)口的下方容易形成死角，溫度較高，而該區(qū)域恰是人員活動(dòng)的主要區(qū)域，在一定意義上犧牲了舒適性和節(jié)能性。在空調(diào)運(yùn)行階段，為了滿足該區(qū)域的溫度要求，管理者往往會(huì)選擇將部分送風(fēng)口的角度調(diào)得很低，導(dǎo)致部分區(qū)域吹風(fēng)感較強(qiáng)，人員活動(dòng)區(qū)未能處于氣流的回流區(qū)。所以，作為暖通設(shè)計(jì)人員，在配合建筑方案設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡量避免這種氣流組織形式，可采取另增加下回風(fēng)風(fēng)柱數(shù)量或者其他形式的低位回風(fēng)口辦法解決。

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1 非空調(diào)區(qū)通風(fēng)量的確定

在人員較多，空間較大的高大空間區(qū)域一般都采用全空氣系統(tǒng)，送風(fēng)量的80%為回風(fēng)，新風(fēng)占20%(需同時(shí)滿足人員最小新風(fēng)量的要求)，5%的風(fēng)量形成室內(nèi)正壓，剩余的15%風(fēng)量可用于帶走非空調(diào)區(qū)的部分熱負(fù)荷。多余的非空調(diào)區(qū)熱負(fù)荷可通過(guò)屋頂排風(fēng)機(jī)和可開啟外窗進(jìn)風(fēng)帶走多余部分的熱量。當(dāng)非空調(diào)區(qū)熱強(qiáng)度q<4.2W/m3時(shí)[1]，可不設(shè)進(jìn)排風(fēng)裝置。非空調(diào)區(qū)的通風(fēng)量可通過(guò)以下公式計(jì)算：

Q1=Qy-Ql(W)

(2)

(3)

(4)

Lp=L1+0.15L(m3/h)

(5)

式中：

Q1—需要通過(guò)室外空氣帶走的熱量，W；

Qy—非空調(diào)區(qū)的余熱量，W；

Ql—通過(guò)空調(diào)區(qū)排風(fēng)余冷，W；

ρ—空氣密度,kg/m3;

△tl—非空調(diào)區(qū)排風(fēng)與空調(diào)區(qū)排風(fēng)的溫差，℃；

△tp—排風(fēng)溫度與室外空氣的溫差，可取2～3℃；

L—空調(diào)區(qū)總送風(fēng)量，m3/h；

Lp—非空調(diào)區(qū)總通風(fēng)量，m3/h，一般小于3次/h[1]。

根據(jù)非空調(diào)區(qū)總通風(fēng)量Lp和設(shè)置于非空調(diào)區(qū)高處的每臺(tái)排風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量可確定排風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)。建議每臺(tái)排風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量不宜過(guò)大，以避免排風(fēng)過(guò)于集中而出現(xiàn)部分區(qū)域溫度較高的死角和減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲。

在空調(diào)運(yùn)行階段，屋頂排風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)的控制可根據(jù)非空調(diào)區(qū)排風(fēng)溫度與空調(diào)區(qū)溫度的差值來(lái)確定，但總排風(fēng)量不得小于0.15L，以保證空調(diào)區(qū)的新風(fēng)量；從空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果來(lái)看，非空調(diào)區(qū)上午的得熱量不大，一般熱強(qiáng)度q不超過(guò)4.2W/m3，以最小排風(fēng)量0.15L運(yùn)行即可消除非空調(diào)區(qū)的得熱。在夏季晚上空調(diào)停止運(yùn)行后，由于南方地區(qū)室外溫度依然較高(相對(duì)于空調(diào)設(shè)計(jì)溫度)，室內(nèi)得熱量會(huì)不斷聚集，還需要開啟部分排風(fēng)機(jī)來(lái)消除夜間得熱，減少第二天空調(diào)預(yù)冷的時(shí)間，節(jié)省建筑運(yùn)行能耗。

3.2.2 選型計(jì)算

在航站樓大空間空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，采用圓噴口多股平行冷射流較為常見(jiàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于建筑布置條件的限制，往往在設(shè)計(jì)的初步階段可確定風(fēng)口的安裝高度。比如，采用側(cè)送風(fēng)，風(fēng)口的安裝高度受這些風(fēng)柱和商業(yè)屋頂高度的限制。筆者對(duì)多個(gè)機(jī)場(chǎng)航站樓高大空間布局進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)風(fēng)柱和小商業(yè)屋頂?shù)母叨仍?.8～4.5m較多。為了保證空調(diào)區(qū)的噪聲要求，對(duì)于球型噴口的送風(fēng)流速宜控制在4～8m/s，最大不超過(guò)10 m/s。

取空調(diào)區(qū)送風(fēng)溫差為△t0=8℃,T/△t0=(237.15+26)/8=37.39,射流末端軸心速度Vx=2VP=0.5m/s,分層空調(diào)風(fēng)口安裝高度h=3.8+0.3+0.3=4.4m,射流落差Y=4.4-2-0.3=2.1m(工作區(qū)的高度按2m計(jì)算),假設(shè)噴口送風(fēng)流速v0=8m/s,根據(jù)文獻(xiàn)[1]，圓噴口水平多股平行非等溫冷射流計(jì)算公式：

圓噴口送風(fēng)速度v0(m/s)：

(6)

圓噴口喉部直徑d0(m)：

(7)

噴口的送風(fēng)量L(m3/h)：

(8)

計(jì)算得噴口射程X(m)：

X=22.8 m，

噴口喉部直接d0=0.164 m。

采用同樣的辦法，可以計(jì)算出噴口在不同安裝高度，不同流速下的射程和相應(yīng)的喉部直徑，進(jìn)而求出相應(yīng)的送風(fēng)量。

筆者選用設(shè)計(jì)過(guò)程中常用的幾種情況，通過(guò)計(jì)算歸納如表1所示，可以方便設(shè)計(jì)人員在較快速度得到噴口選型的初步方案和校核選型方案是否合理。

表1 噴口送風(fēng)計(jì)算表

安裝高度(m)噴口送風(fēng)速度(m/s)噴口安裝角度為0°時(shí)射程(m)噴口安裝角度為30°時(shí)射程(m)噴口喉部直徑(m)噴口送風(fēng)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指噴口在某安裝高度，送風(fēng)速度分別為v1、v2、v3時(shí)對(duì)應(yīng)的噴口射程；d1、d2、d3指噴口安裝角度為0°下，射程分別為X1、X2、X3時(shí)對(duì)應(yīng)的噴口喉部直徑；L1、L2、L3指噴口喉部直徑分別為d1、d2、d3時(shí)對(duì)應(yīng)的噴口送風(fēng)量。

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，噴口流速在10m/s，安裝角度30°條件下，噴口安裝高度為3m時(shí)射程是54m,噴口安裝高度為8.4m時(shí)射程僅為19.3m，而且所需要的噴口喉部直徑和送風(fēng)量也不一樣。球型噴口在相同送風(fēng)速度下，隨著噴口安裝高度的增加，射程不斷在減少，同時(shí)所需的噴口喉部直徑也增大。一些廠家的風(fēng)口選型樣本忽略了噴口在不同安裝高度下對(duì)射程的影響。在設(shè)計(jì)選型時(shí)，很多設(shè)計(jì)人員往往是僅根據(jù)廠家提供的不同噴口的風(fēng)量范圍和射程范圍來(lái)選擇。實(shí)際上，根據(jù)廠家提供的噴口對(duì)應(yīng)的最大風(fēng)量，可以計(jì)算出噴口的喉部尺寸對(duì)應(yīng)的流速達(dá)到15m/s,甚至更大，造成運(yùn)行階段噪聲難以控制。在特定的風(fēng)口安裝高度下，在合理的噴口送風(fēng)速度范圍內(nèi)，實(shí)際射程無(wú)法達(dá)到樣本上的對(duì)應(yīng)值。如果片面的追求滿足的噴口的最大射程，必定要犧牲人員活動(dòng)區(qū)的舒適度和空調(diào)區(qū)的噪聲。

因此,建議設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段根據(jù)風(fēng)口的安裝高度、送風(fēng)流速、射程等相互制約影響的關(guān)系，利用上述公式核對(duì)大空間噴口送風(fēng)是否滿足要求。

4 風(fēng)口選型

在機(jī)場(chǎng)建筑高大空間中，常用的風(fēng)口型式有：雙層送風(fēng)百葉，球型噴口，鼓型噴口。送風(fēng)口主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2：

表2 送風(fēng)口主要技術(shù)參數(shù)

風(fēng)口形式規(guī)格型號(hào)送風(fēng)量范圍CMH風(fēng)速(m/s)安裝高度范圍(m)射程(m)壓損(Pa)噪聲dB(A)雙層百葉根據(jù)設(shè)計(jì)定根據(jù)設(shè)計(jì)定1.5～3.52.5～6 3～8<50<30、球型噴口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鼓型噴口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 結(jié)語(yǔ)

筆者根據(jù)中國(guó)建筑科學(xué)研究院提出的“分層空調(diào)氣流組織計(jì)算方法”、“分層空調(diào)熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算方法”和CFD技術(shù)、簡(jiǎn)易能量平衡模型等手段對(duì)分層空調(diào)橫向隔斷氣流以及室內(nèi)溫度分布等成果，結(jié)合多年的機(jī)場(chǎng)建筑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高大空間分層空調(diào)在機(jī)場(chǎng)建筑中的應(yīng)用總結(jié)如下：

(1)準(zhǔn)確計(jì)算空調(diào)區(qū)負(fù)荷，是合理設(shè)計(jì)分層空調(diào)的基礎(chǔ)。

(2)非空調(diào)區(qū)通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效減少非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)的熱轉(zhuǎn)移，減少空調(diào)區(qū)冷負(fù)荷。

(3)分層空調(diào)宜使人員活動(dòng)區(qū)處于回流區(qū)，在機(jī)場(chǎng)建筑中，采用側(cè)送風(fēng)、下回風(fēng)的氣流組織形式較為常見(jiàn)，盡量避免側(cè)送風(fēng)、頂回風(fēng)的氣流組織。

(4)球型噴口在相同送風(fēng)速度下，隨著噴口安裝高度的增加，射程不斷在減少，同時(shí)所需的噴口喉部直徑也增大。在設(shè)計(jì)中，風(fēng)口的射程和送風(fēng)量應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定。

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