T2航站樓春夏過渡季空調(diào)負(fù)荷分析及應(yīng)用

王 磊　 王 東

（北京首都機場動力能源有限公司,北京　100621）

·研究與探討·

T2航站樓春夏過渡季空調(diào)負(fù)荷分析及應(yīng)用

王 磊 王 東

（北京首都機場動力能源有限公司,北京100621）

對首都機場二號航站樓空調(diào)在春夏過渡季出現(xiàn)的問題及相關(guān)空調(diào)負(fù)荷進行特性分析，找出了在實際運行過程中空調(diào)運行在不同供送狀況下的臨界狀態(tài)和規(guī)律。

過渡季；冷負(fù)荷；空調(diào)供冷；新風(fēng)供送

一、研究背景

首都機場T2航站樓在春夏過渡季的空調(diào)運行模式主要是通過引入新風(fēng)來消除樓內(nèi)余熱。伴隨旅客吞吐量的逐年遞增，在每年的4月底到5月初集中供冷開始之前，當(dāng)室外溫度連續(xù)超過20℃時，室內(nèi)熱效應(yīng)極為明顯。特別在國內(nèi)、國際安、邊檢大廳的人流密集區(qū)域，隨著旅客出港高峰期的到來，頻頻出現(xiàn)環(huán)境溫度較高，體感不舒適的情況。為保證首都機場的服務(wù)品質(zhì)，解決過渡季航站樓內(nèi)部分區(qū)域的高溫問題迫在眉睫。

二、研究目的

在過渡季節(jié)，一般認(rèn)為室外空氣焓值低于室內(nèi)，若室內(nèi)有供冷需求時，可以利用新風(fēng)供冷。而采用新風(fēng)供冷方式時，會存在風(fēng)機能耗與節(jié)省冷量兩者之間的平衡問題。

為此，根據(jù)首都機場T2航站樓內(nèi)的實際情況，首先要判斷出室外空氣狀態(tài)在標(biāo)準(zhǔn)為多少的臨界值下，可以使用新風(fēng)消除冷負(fù)荷；其次，根據(jù)負(fù)荷狀態(tài)及室外空氣狀態(tài)，確認(rèn)機組24h運行的臨界點；最后，確認(rèn)供送供冷的臨界點。

三、研究區(qū)域概況及冷負(fù)荷分析

1.研究區(qū)域概況

選擇過渡季節(jié)溫度較高的T2航站樓國內(nèi)安檢現(xiàn)場大廳作為典型區(qū)域，該研究區(qū)域由設(shè)在地下機房的單臺型號為39F-980的全自動雙風(fēng)機臥式組合式空氣處理機組供送風(fēng)，單臺空調(diào)機組額定風(fēng)量為60000m3，額定冷量為373kW。

2.研究區(qū)域負(fù)荷分析

研究區(qū)域的過渡季節(jié)冷負(fù)荷主要包含4部分：人體散熱量；照明散熱量；機械設(shè)備、管道及其他內(nèi)部熱源的散熱量；通過維護結(jié)構(gòu)傳入的熱量。

（1）人體散熱量

近年來，首都機場2號航站樓旅客吞吐量快速增加，嚴(yán)重影響了過渡季樓內(nèi)的熱平衡，樓內(nèi)冷負(fù)荷上升明顯，造成部分區(qū)域出現(xiàn)30℃的高溫，產(chǎn)生悶熱和不舒適的感覺。

T2航站樓國內(nèi)安檢區(qū)域大約2700m2，設(shè)定室溫為26℃，相對濕度為60%。該區(qū)域的日平均旅客量為33820人，每日旅客經(jīng)過安檢區(qū)域的有效時間為16h，即區(qū)域內(nèi)平均每小時旅客量為2114人。

根據(jù)人體散熱引起的冷負(fù)荷計算公式:

CL=μn(qsCcl+qr)

式中：CL——人體散熱引起的冷負(fù)荷，W；

Ccl—— 人體顯熱散熱冷負(fù)荷系數(shù)；

μ——群集系數(shù)，參考百貨商店的群集系數(shù)0.89（為了實際計算方便，以成年男子為基礎(chǔ)，乘以不同建筑內(nèi)人員組成比例系數(shù)，稱為群集系數(shù)）；

n—— 室內(nèi)人數(shù)，平均2114人/h；

qs—— 不同室溫和勞動性質(zhì)時成年男子顯熱散熱量,W；

qr——不同室溫和勞動性質(zhì)時成年男子潛熱散熱量,W(過渡季可忽略)。

在確保T2航站樓安檢區(qū)域過渡季溫度為26℃、相對濕度為60%的條件下，qs=58,Ccl=0.49。則每小時因人體散熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷為53.47kW(0.89×2114 ×58×0.49)。

（2）照明散熱量

國內(nèi)安檢現(xiàn)場光源照明引起的熱負(fù)荷如下：

①節(jié)能燈：該區(qū)域設(shè)有216組，每組2支35W節(jié)能燈，所產(chǎn)生的供冷需求負(fù)荷共計216×2×35W=15120W；

②日光燈：該區(qū)域設(shè)有369組，每組3支40WT5日光燈，所產(chǎn)生的供冷需求負(fù)荷共計369×3×40W=44280W；

③廣告燈箱日光燈：共計30×2×40W=2400W。

此區(qū)域的開燈時間為24h/d，根據(jù)照明燈具散熱所產(chǎn)生的冷負(fù)荷計算公式：

CL=n1n2NCcl

式中：CL——燈具散熱引起的冷負(fù)荷,W；

N ——燈具所需功率，W；

n1——鎮(zhèn)流器消耗功率系數(shù)，當(dāng)燈具的鎮(zhèn)流器

裝設(shè)在頂棚內(nèi)時，取其值為1.0；

n2——燈罩隔熱系數(shù)，針對燈罩無通風(fēng)孔，則視頂棚內(nèi)通風(fēng)情況取0.6～0.8，此處取其值為0.8；

Ccl——照明散熱冷負(fù)荷系數(shù)，航站樓內(nèi)為0.96。

因此，照明燈具散熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷總計為47.46kW [1×0.8×(15120+44280+2400)×0.96]。

（3）機械設(shè)備、管道及其他內(nèi)部熱源的散熱量

經(jīng)測算，航站樓內(nèi)機械設(shè)備冷負(fù)荷可達10W/m2。即因機械設(shè)備、管道及其他內(nèi)部熱源的散熱量產(chǎn)生的冷負(fù)荷為27kW。

（4）通過維護結(jié)構(gòu)傳入的熱量

經(jīng)由維護結(jié)構(gòu)傳入的熱量和室內(nèi)外溫差息息相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，在北京，近年來過渡季室外氣溫≥25℃的高溫天數(shù)不斷增加，2014年4月達到12天，平均室外溫度達23℃，出現(xiàn)極端高溫天氣時，室外溫度達29℃。室外高溫和太陽照射導(dǎo)致樓內(nèi)冷負(fù)荷增加，但通過維護結(jié)構(gòu)傳入的熱量在轉(zhuǎn)化為冷負(fù)荷的過程中，存在衰減和延遲，因選定區(qū)域地處航站樓中間地帶，所受影響相對較小，可以忽略。

四、研究區(qū)域消除冷負(fù)荷的風(fēng)量計算

因T2航站樓建筑的特點是首層地面與室外無高差，又無窗井可供新風(fēng)引入，造成地下室空調(diào)機的新風(fēng)引入很困難，特別是中間段的4座地下空調(diào)機房位于建筑中心區(qū)內(nèi)（此次涉及的供送國內(nèi)安檢現(xiàn)場的機組就置于該機房內(nèi)）因此，每一座空調(diào)機房設(shè)有1根直徑2m的新風(fēng)豎管，全高20m，從14.5m標(biāo)高的屋面上采風(fēng)。在2m直徑的新風(fēng)管頂部各安裝1臺扇葉直徑2.4m的進風(fēng)型屋頂軸流蘑菇型風(fēng)機，風(fēng)量為19.85萬m3/h，風(fēng)壓228Pa，轉(zhuǎn)速480r/ min，電機功率18.5kW，用此屋頂進風(fēng)機向地下室機房供送新風(fēng)，其新風(fēng)量約占每座空調(diào)機房總送風(fēng)量的1/3。

1.過渡季使用全新風(fēng)消除冷負(fù)荷的臨界狀態(tài)

過渡季期間，T2航站樓內(nèi)維持的空氣狀態(tài)參數(shù)為溫度tN=26℃、濕度φN=60%，空氣密度依照平均密度為1.20kg/m3計算。

考慮空調(diào)機組供送的最大風(fēng)量為60000m3/h，那么供送的新風(fēng)量為送風(fēng)量的1/3：Q=72000/3=24000kg/ h=6.67kg/s。

根據(jù)熱平衡公式：GhO+Q=GhN

可得: G=Q/(hN-hO) （1）hO=hN-Q/G （2）

式中：G——送風(fēng)風(fēng)量，kg/s；

Q——室內(nèi)總冷負(fù)荷，kW；

hN—— 室內(nèi)空氣的狀態(tài)焓值，kJ/kg（室內(nèi)溫度tN=26℃、濕度φN=60%時，hN=58.4kJ/kg）；

hO——室外空氣的狀態(tài)焓值，kJ/kg。

研究區(qū)域內(nèi)的冷負(fù)荷主要由人體散熱量、照明散熱量以及機械設(shè)備、管道、其他內(nèi)部熱源的散熱量組成，所以Q=53.47+47.46+27=127.93kW。

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

通過對照空氣焓值參數(shù)及2014年4月北京室外空氣焓值變化圖（圖1）可知，對應(yīng)的室外溫度大約為19℃。也就是說，在過渡季，當(dāng)室外溫度≤19℃時，在T2航站樓內(nèi)為國內(nèi)安檢區(qū)域供送的新風(fēng)可以滿足供冷需求負(fù)荷。

圖1　2014年4月北京室外空氣焓值變化圖

考慮在此期間提供冷源消除冷負(fù)荷的臨界狀態(tài)，即國內(nèi)安檢區(qū)域的空調(diào)總供送風(fēng)量為60000m3/h，全部作為冷源使用，即Q=60000×1.2=72000kg/h= 20kg/s時，根據(jù)公式（2），計算可得hO=hN-Q/G=58.4-127.93/20=52kJ/kg。

查空氣焓值表可得：對應(yīng)的空氣溫度約為24℃。也就是說，當(dāng)送風(fēng)溫度≤24℃時，在T2航站樓內(nèi)為國內(nèi)安檢區(qū)域供送全風(fēng)量可以滿足需求，超過24℃時，則該區(qū)域的溫度出現(xiàn)上升趨勢。

2.室外溫度和理論供送新風(fēng)量的關(guān)系

事實上，T2航站樓在過渡季的空調(diào)運行模式主要是通過引入新風(fēng)來消除樓內(nèi)余熱，即當(dāng)國內(nèi)安檢區(qū)域的空調(diào)總供送新風(fēng)風(fēng)量為20000m3/h、tO＝10～19℃時，依據(jù)焓值參數(shù)變化，根據(jù)公式（1）計算得出所需新風(fēng)風(fēng)量如表1所示。

表1

由表1可知，室外溫度tO和理論新風(fēng)量G成顯著的正比例關(guān)系。

3.全天冷負(fù)荷與機組運行時間的關(guān)系

（1）不同室外平均溫度下，供送新風(fēng)的空調(diào)機組運行時間

針對T2航站樓安檢區(qū)域全天所需的冷負(fù)荷，主要仍由人體散熱量（每天旅客流量有效小時數(shù)為16h）、照明散熱量以及機械設(shè)備、管道、其他內(nèi)部熱源的散熱量組成，那么所需供冷負(fù)荷：Q=53.47×16+47.46 ×24+27×24=2642.56kW·h。

該區(qū)域在過渡季是通過引入新風(fēng)來消除樓內(nèi)余熱，空調(diào)供送新風(fēng)風(fēng)量為20000m3/h時，根據(jù)公式（2），計算可得：hN-hO=Q/G=2642.56×3600/24×20000 ×1.2=16.52kJ/kg，則hO=58.4-16.56=41.9kJ/kg。

通過查找焓值參數(shù)表，此時空氣的溫度約為19℃。以北京2014年4月天氣為例，日最低平均氣溫為16℃（出現(xiàn)在4月19日，氣溫為12～16℃），日最高平均氣溫為21℃的情況（出現(xiàn)在4月30日，氣溫為13～29℃）。根據(jù)公式（1）計算所得不同室外平均溫度下供送新風(fēng)的空調(diào)機組運行時間如表2所示。

由表2可得，當(dāng)臨界點即室外平均溫度大約為19℃時，為安檢區(qū)域供送新風(fēng)的空調(diào)機組需要全天24h運行，才能保證該區(qū)域的冷負(fù)荷得以消除，區(qū)域溫度滿足要求。歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2014年4月，北京有9天的平均氣溫超過19℃，所以單獨依靠供送新風(fēng)無法滿足需求。

表2

（2）全面供冷時，不同供送溫度下空調(diào)機組運行時間

如果在該安檢區(qū)域進行全面供冷，即當(dāng)空調(diào)供送風(fēng)量為60000m3/h時，根據(jù)公式（1）計算可得：hN-hO=Q/G=2642.56×3600/24× 60000×1.2=5.5kJ/kg，則hO=58.4-5.5 =52.9kJ/kg。

通過查找焓值參數(shù)表，此時空氣溫度約為24℃。不同供送溫度下全面供冷的空調(diào)機組運行時間表如表3所示。

表3

由表3可得，當(dāng)供送溫度為24℃時，為安檢區(qū)域供冷的空調(diào)機組需要全天24h運行，才能保證該區(qū)域溫度滿足要求。

五、控制過渡季冷負(fù)荷的建議

1.基于供冷負(fù)荷組成分析的可行性建議

由分析計算得到，研究區(qū)域內(nèi)的冷負(fù)荷主要由人體散熱量、照明散熱量以及機械設(shè)備、管道、其他內(nèi)部熱源的散熱量組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　區(qū)域內(nèi)分項冷負(fù)荷分布結(jié)構(gòu)圖

在航站樓的實際運行中，考慮到旅客不可控、設(shè)備散熱基本固化，因而選擇從照明設(shè)備入手，通過更換低散熱照明設(shè)備來降低該區(qū)域的冷負(fù)荷。

2.降低冷負(fù)荷效果分析和對比

表4

表5

表6

當(dāng)照明設(shè)備改為LED時，不僅會減少耗電量，同時會減少供冷負(fù)荷，據(jù)測算，照明散熱量可降至40%，那么研究區(qū)域內(nèi)的冷負(fù)荷約為99.5kW（53.47+47.46×40%+27），相比更換前降低約22%；每日的總冷負(fù)荷約為1959kW·h(53.47×16+47.46 ×40%×24+27×24)，相比更換前降低約26%。

（1）降低冷負(fù)荷后，過渡季使用全新風(fēng)消除冷負(fù)荷的臨界狀態(tài)為hO=hN-Q/G=58.4-99.5/6.67=43.5kJ/kg。

通過查找焓值參數(shù)表，此時空氣的溫度約為20℃。當(dāng)tO＝10～20℃時，依據(jù)焓值參數(shù)變化，根據(jù)公式（1）計算得出所需新風(fēng)風(fēng)量和原所需新風(fēng)風(fēng)量G如表4所示。

降低冷負(fù)荷后，不同室外平均溫度下，供送新風(fēng)的空調(diào)機組運行時間和原運行時間對比見表5。

降低冷負(fù)荷后，全面供冷時，不同供送溫度下空調(diào)機組運行時間和原運行時間對比見表6。

通過對比可以判斷出，相比于前，降低照明冷負(fù)荷后過，T2航站樓國內(nèi)安檢區(qū)域在春夏過渡季使用全新風(fēng)消除冷負(fù)荷的效果得到了顯著提升。

[1]劉魁星.航站樓負(fù)荷動態(tài)模擬和特性分析[J].

[2]周靖,潘旗.首都國際機場新航站樓暖通空調(diào)設(shè)計[J].暖通空調(diào)，2001.

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1671-0711（2015）06-0040-04

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