航站樓能源方案的優(yōu)化研究

劉暢，劉宇寧

（北京金茂綠建科技有限公司，北京100000）

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)航站樓節(jié)能方面的研究主要包括2 個(gè)方向：一是對(duì)航站樓空調(diào)負(fù)荷特征的研究，包括對(duì)機(jī)場(chǎng)能耗調(diào)查、模擬，溫度分布測(cè)試等[1～5]；另一方面是研究其節(jié)能設(shè)計(jì)方法[6，7]。而對(duì)項(xiàng)目規(guī)劃階段的能源規(guī)劃缺乏系統(tǒng)性研究。本文通過(guò)調(diào)研現(xiàn)有航站樓能源方案，建立航站區(qū)項(xiàng)目負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，并提出能源方案優(yōu)化的評(píng)價(jià)方法，以實(shí)現(xiàn)合理用能和綠色減排。

2 負(fù)荷預(yù)測(cè)

航站樓具有冷熱負(fù)荷的特點(diǎn)鮮明：全年運(yùn)行無(wú)停休，每日使用時(shí)間長(zhǎng)，內(nèi)區(qū)全年有供冷需求。因此，雖然在規(guī)劃階段，建筑與系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)參數(shù)還無(wú)法確定，但根據(jù)航站樓共性的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)及其負(fù)荷特點(diǎn)分析，可以選取各氣候分區(qū)典型城市航站樓進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)而歸納總結(jié)各氣候分區(qū)航站樓建筑的無(wú)因次冷熱負(fù)荷曲線(xiàn)，作為其方案階段能源規(guī)劃的依據(jù)。

2.1 冷熱負(fù)荷預(yù)測(cè)

建筑冷熱負(fù)荷預(yù)測(cè)可以通過(guò)建筑能耗模擬軟件實(shí)現(xiàn)，本研究采用清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的DeST 軟件。各個(gè)房間的內(nèi)擾參數(shù)設(shè)定如表1 所示。需要輸入的外擾參數(shù)包括：建筑物的熱特性、外界氣象參數(shù)。

從機(jī)場(chǎng)航站樓的設(shè)計(jì)趨勢(shì)來(lái)看，采用透明玻璃幕墻營(yíng)造出明亮開(kāi)敞的采光效果是當(dāng)下流行的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，因此，航站樓的窗墻比一般建筑都比較大。根據(jù)以上原則，對(duì)4 個(gè)不同氣候區(qū)的典型機(jī)場(chǎng)進(jìn)行冷熱負(fù)荷模擬，全年冷熱負(fù)荷曲線(xiàn)如圖1～圖4 所示，其中0 軸橫坐標(biāo)以上為熱負(fù)荷，0 軸橫坐標(biāo)以下為冷負(fù)荷。

表1 房間內(nèi)擾參數(shù)

2.2 用電負(fù)荷預(yù)測(cè)

圖1 寒冷地區(qū)某機(jī)場(chǎng)航站樓全年冷熱負(fù)荷

圖2 夏熱冬冷地區(qū)某航站樓全年冷熱負(fù)荷

圖3 夏熱冬暖地區(qū)某航站樓全年冷熱負(fù)荷

圖4 溫和地區(qū)某機(jī)場(chǎng)全年冷熱負(fù)荷

2.2.1 動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算方法

航站區(qū)用電具有負(fù)荷等級(jí)較高、負(fù)荷總量較大、負(fù)荷運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)，航站樓、停機(jī)坪、地勤服務(wù)、行李運(yùn)輸、配套酒店、物流儲(chǔ)運(yùn)等多種不同類(lèi)型的用電負(fù)荷共同組成了航站區(qū)的總用電負(fù)荷需求，并與航班起降時(shí)間、架次有比較明顯的關(guān)聯(lián)性。因此，航站區(qū)的電能需求可以分解到上述負(fù)荷結(jié)構(gòu)中的各個(gè)環(huán)節(jié)上。航站區(qū)的能源規(guī)劃可以從每個(gè)環(huán)節(jié)的電能需求角度入手，通過(guò)對(duì)用電負(fù)荷的精算、疊加，預(yù)測(cè)用電總負(fù)荷變化趨勢(shì)，從而配合完成航站區(qū)各種能源整體能源規(guī)劃。

2.2.2 航站區(qū)動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算方法理論模型

本研究采用動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算法計(jì)算某時(shí)段用電量公式，其理論模型如下：

式中，W為耗電量；Wn為分項(xiàng)設(shè)備組電量；Pi為設(shè)備組額定功率；Pa為設(shè)備組平均功率；Kp為預(yù)測(cè)時(shí)刻有功負(fù)荷系數(shù)；f（Ai）為影響因素系數(shù)；g（Bp）為使用因素系數(shù)；h（Ctrad）為設(shè)備組固有特性系數(shù)。

由于受制于該項(xiàng)目進(jìn)度因素，目前以式（2）為基礎(chǔ)，近似用式（5）進(jìn)行實(shí)際計(jì)算：

3 典型冷熱源方案能耗計(jì)算方法研究

通過(guò)調(diào)研及文獻(xiàn)參考，匯總不同氣候分區(qū)中典型城市現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)航站區(qū)項(xiàng)目能源利用方案、系統(tǒng)形式，以及航站樓建筑體形系數(shù)、建筑高度、能源中心位置等影響建筑能耗的設(shè)計(jì)參數(shù)，分析航站區(qū)類(lèi)項(xiàng)目典型用能方案（見(jiàn)表1）。

4 能源規(guī)劃目標(biāo)

通過(guò)構(gòu)建能源規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，可以為能源規(guī)劃目標(biāo)提供可以衡量的依據(jù)。航站區(qū)能源規(guī)劃工作主要由以下幾個(gè)目標(biāo)：（1）能源方案安全可靠，保障機(jī)場(chǎng)的健康運(yùn)營(yíng)；（2）合理有效地利用能源，提高能源利用效率；（3）提供規(guī)劃期內(nèi)能源供應(yīng)的最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)成本、時(shí)間成本、技術(shù)成本最優(yōu)化。

基于上述目標(biāo)，本研究確立了能源規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。節(jié)能性通過(guò)年運(yùn)行能耗折合標(biāo)煤量來(lái)衡量，經(jīng)濟(jì)性通過(guò)投資凈現(xiàn)值來(lái)衡量，環(huán)保性通過(guò)年碳排放量來(lái)衡量。

表1 現(xiàn)有航站區(qū)項(xiàng)目能源方案匯總

4.1 不同種類(lèi)能耗折標(biāo)方法

在進(jìn)行能耗比較的時(shí)候，不同種類(lèi)的能耗需要折算到統(tǒng)一的量綱。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 358—2012《建筑能耗數(shù)據(jù)分類(lèi)及表示方法》，在本研究中，使用發(fā)電煤耗法，統(tǒng)一折算為標(biāo)煤。

4.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)計(jì)算方法

不同的技術(shù)方案，其經(jīng)濟(jì)性由初投資和運(yùn)行費(fèi)用決定。初投資與所選擇設(shè)備的類(lèi)型、容量、能效等級(jí)有關(guān)，運(yùn)行費(fèi)用主要與運(yùn)行能耗、能源價(jià)格有關(guān)。本研究采用動(dòng)態(tài)分析法評(píng)估經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 碳排放量計(jì)算方法

對(duì)機(jī)場(chǎng)航站區(qū)能源系統(tǒng)的碳排放進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先，要明確溫室氣體排放的分類(lèi)。溫室氣體排放包括直接排放和間接排放，直接排放是指機(jī)場(chǎng)航站區(qū)能源系統(tǒng)內(nèi)的溫室氣體排放；間接排放是指外部購(gòu)入的電力、熱水及蒸汽等二次能源產(chǎn)生的溫室氣體排放，以及構(gòu)成系統(tǒng)的設(shè)備、管道、構(gòu)件等材料引起的溫室氣體排放。通常，構(gòu)成系統(tǒng)的材料引起的溫室氣體排放計(jì)算難度很大，不是必須計(jì)算的項(xiàng)目。參考CECS 374：2014《建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)能源系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中消耗的能源量，以及各種能源對(duì)應(yīng)的碳排放因子，計(jì)算得到碳排放量。

4.4 綜合評(píng)價(jià)分析各項(xiàng)權(quán)重

綜合考慮，機(jī)場(chǎng)航站區(qū)能源規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)由節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性3 類(lèi)指標(biāo)組成，其中各類(lèi)指標(biāo)評(píng)分項(xiàng)的權(quán)重W1、W2、W3具有一定的靈活性。根據(jù)機(jī)場(chǎng)規(guī)模的差異，考慮到不同規(guī)模機(jī)場(chǎng)的定位不同，樞紐機(jī)場(chǎng)和支干線(xiàn)機(jī)場(chǎng)的權(quán)重取值不同，對(duì)于樞紐類(lèi)機(jī)場(chǎng)，航站樓規(guī)模大、旅客吞吐量大，吸收投資的能力強(qiáng)，社會(huì)影響力廣泛，因此，能源規(guī)劃方案和技術(shù)策略應(yīng)該更加側(cè)重節(jié)能和低碳。

進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，首先選取一個(gè)方案作為基準(zhǔn)方案，可以選擇常規(guī)冷熱源方案，然后將其他方案與基準(zhǔn)方案進(jìn)行比較，分別計(jì)算得出能耗節(jié)省百分比Q1、凈現(xiàn)值節(jié)省百分比Q2、碳排放減少百分比Q3。綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)由式（6）計(jì)算：

綜合考慮，表2 給出了權(quán)重取值。

表2 航站區(qū)能源規(guī)劃方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

5 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)國(guó)內(nèi)典型機(jī)場(chǎng)航站樓項(xiàng)目的能源方案進(jìn)行了調(diào)研，總結(jié)得到一些共性的特征。在此基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)場(chǎng)航站區(qū)的能源規(guī)劃方法進(jìn)行了研究。針對(duì)機(jī)場(chǎng)航站區(qū)冷熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究，給出了不同氣候分區(qū)的典型機(jī)場(chǎng)航站區(qū)的負(fù)荷曲線(xiàn)，在初步設(shè)計(jì)階段缺少具體參數(shù)時(shí)，可以采用近似曲線(xiàn)進(jìn)行分析。其次，針對(duì)常見(jiàn)能源方案，包括離心式冷水機(jī)組、市政熱網(wǎng)、燃?xì)鉄崴仩t、直燃機(jī)、水源熱泵、熱電冷三聯(lián)供、蓄冷系統(tǒng)，編制了能耗及經(jīng)濟(jì)性計(jì)算表，為能源方案比選提供了方便。綜合目前對(duì)碳排放測(cè)算方法的研究，給出碳排放的計(jì)算方法。