北京大興國際機(jī)場航站樓分布式空調(diào)末端應(yīng)用研究*

北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京工業(yè)大學(xué) 谷現(xiàn)良

北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 韓維平 于新巧

0 引言

在機(jī)場航站樓內(nèi)存在大量的高大空間，為了滿足建筑室內(nèi)效果的需要，通常在航站樓內(nèi)的浮島兩側(cè)布置遠(yuǎn)距離送風(fēng)的射流噴口，這種送風(fēng)氣流組織形式在滿足建筑效果的同時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)分層空調(diào)，是目前機(jī)場航站樓內(nèi)的常規(guī)做法。當(dāng)浮島間距較大、兩側(cè)浮島側(cè)送噴口射程不夠時(shí)，設(shè)置若干個(gè)機(jī)電單元，在其四周布置球形噴口進(jìn)行遠(yuǎn)距離送風(fēng)，同樣也能實(shí)現(xiàn)分層空調(diào)，這是一種應(yīng)用于高大空間的較好的空調(diào)送風(fēng)形式[1-2]，已在北京首都國際機(jī)場T3航站樓、昆明長水國際機(jī)場T1航站樓、南寧吳圩國際機(jī)場T2航站樓內(nèi)應(yīng)用，是一種比較成熟的大空間送風(fēng)應(yīng)用形式。

機(jī)電單元綜合建筑、設(shè)備、電氣等專業(yè)用途，包含了空調(diào)設(shè)備、消防設(shè)備、電氣設(shè)備、通訊設(shè)備，外部還有航顯、標(biāo)識(shí)和廣告等[1]，設(shè)計(jì)的主要思想是將空氣處理機(jī)組設(shè)置于空調(diào)機(jī)房內(nèi)，冷(或熱)處理后的空氣通過布置在非公共區(qū)域的水平風(fēng)管送到機(jī)電單元下層位置，然后接至機(jī)電單元內(nèi)，通過內(nèi)部的豎直風(fēng)管接至送風(fēng)口處，在公共區(qū)域內(nèi)不出現(xiàn)水平風(fēng)管，以滿足建筑精裝修要求?？梢?，機(jī)電單元送風(fēng)是以空氣作為介質(zhì)進(jìn)行冷熱量輸送的，這就造成了空調(diào)機(jī)房內(nèi)空調(diào)機(jī)組的機(jī)外余壓較大，風(fēng)機(jī)能耗較高。統(tǒng)計(jì)得到北京首都國際機(jī)場T3航站樓內(nèi)空氣處理機(jī)組的電量與制冷站內(nèi)冷水機(jī)組的電量基本一致，與張濤等人對(duì)其他機(jī)場調(diào)研得到的結(jié)論相同[3]。因此，降低航站樓內(nèi)空氣處理機(jī)組的電耗對(duì)于航站樓節(jié)能具有重要意義。

筆者在設(shè)計(jì)北京大興國際機(jī)場航站樓之初，就努力降低航站樓內(nèi)空氣處理機(jī)組的裝機(jī)功率，對(duì)于距離空調(diào)機(jī)房較遠(yuǎn)的大空間區(qū)域，設(shè)想以水輸送代替風(fēng)輸送，使機(jī)組盡量靠近服務(wù)區(qū)域，降低機(jī)組安裝功率。為此，筆者與建筑專業(yè)共同設(shè)計(jì)了具有曲面外形的分布式空調(diào)末端，其實(shí)景和BIM模型分別見圖1、2。這種裝置作為浮島送風(fēng)的補(bǔ)充方案，設(shè)計(jì)了循環(huán)風(fēng)機(jī)組和帶新風(fēng)系統(tǒng)機(jī)組2種型式，其外形尺寸和占地面積與機(jī)電單元類似。循環(huán)風(fēng)機(jī)組型式應(yīng)用數(shù)量較多，新風(fēng)由周圍浮島空調(diào)機(jī)組提供，本文僅分析該種型式，帶新風(fēng)系統(tǒng)機(jī)組的影響因素較多，將另作研究。

圖1 分布式空調(diào)末端實(shí)景圖

圖2 分布式空調(diào)末端BIM模型

本文針對(duì)分布式空調(diào)末端裝置，研究該裝置應(yīng)用的影響因素；使用系統(tǒng)模擬軟件對(duì)該裝置的全年運(yùn)行能耗進(jìn)行模擬，以計(jì)算該裝置的節(jié)能效果；對(duì)該裝置的噪聲進(jìn)行理論計(jì)算分析和現(xiàn)場實(shí)測，以驗(yàn)證該裝置的實(shí)際使用效果。通過本文研究，為航站樓大空間空調(diào)設(shè)計(jì)提供一種較為節(jié)能的方案。

1 分布式空調(diào)末端應(yīng)用影響因素分析

影響分布式空調(diào)末端應(yīng)用的主要因素是其外形尺寸、內(nèi)部安裝及檢修空間、負(fù)擔(dān)區(qū)域面積、送風(fēng)口形式、環(huán)境噪聲、末端設(shè)備噪聲等。這些因素之間存在一定的耦合關(guān)系，如其外形尺寸與設(shè)備容量、負(fù)擔(dān)區(qū)域面積存在正比例關(guān)系，也與末端設(shè)備噪聲有一定的關(guān)系。

在上述影響因素中，核心因素是送風(fēng)口形式，該因素直接影響分布式空調(diào)末端的負(fù)擔(dān)區(qū)域面積，從而決定機(jī)組尺寸等。應(yīng)用于大空間的送風(fēng)口形式主要有球形噴口、鼓形風(fēng)口等。球形噴口按接管尺寸一般可分為D200、D250、D315、D400、D630等，射程為10～35 m，一般應(yīng)用在航站樓的風(fēng)口最大為D315，射程最遠(yuǎn)為30 m。鼓形風(fēng)口一般為矩形外框，可上下30°調(diào)節(jié)，射程最遠(yuǎn)為20 m。對(duì)于該部分內(nèi)容，相關(guān)的理論計(jì)算、模擬計(jì)算及實(shí)測驗(yàn)證等，可參見文獻(xiàn)[4-5]，這里不再重復(fù)分析。

分布式空調(diào)末端的噪聲也是影響其應(yīng)用的重要因素。末端除了風(fēng)口噪聲外，還有設(shè)備本身的噪聲，風(fēng)口噪聲可通過消聲措施解決，但設(shè)備本身的噪聲與產(chǎn)品特性相關(guān)，由離心式風(fēng)機(jī)的聲壓級(jí)計(jì)算公式可知，設(shè)備噪聲與風(fēng)量和風(fēng)壓成正比[4]。

綜合各種因素，一般將分布式空調(diào)末端的送風(fēng)量控制在20 000 m3/h以內(nèi)，送風(fēng)射程約為25 m。各個(gè)參數(shù)見表1。每個(gè)分布式空調(diào)末端約負(fù)擔(dān)半徑25 m的扇形區(qū)域，負(fù)擔(dān)區(qū)域面積約600～800 m2。

表1 分布式空調(diào)末端參數(shù)

2 能耗模擬計(jì)算分析

對(duì)北京大興國際機(jī)場航站樓內(nèi)某區(qū)域設(shè)置的分布式空調(diào)末端進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)模擬分析，同時(shí)建立常規(guī)的空調(diào)機(jī)房內(nèi)空氣處理機(jī)組加末端噴口模型(送風(fēng)量、服務(wù)面積、機(jī)組冷熱量均與分布式空調(diào)末端相同)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，以分析分布式空調(diào)末端的節(jié)能效果。

2.1 模型建立

采用Dymola軟件[6]對(duì)2種能量輸送形式進(jìn)行模擬：一種是水輸送，即本文的分布式空調(diào)末端，以實(shí)際工程中的PRCU-F3-E03機(jī)組為例(記為CASE1)；一種是空氣輸送為主，即由空調(diào)機(jī)房內(nèi)的空氣處理機(jī)組送風(fēng)至空調(diào)區(qū)域(記為CASE2)。2種形式的冷熱量、水量和風(fēng)量均一致，空氣處理機(jī)組風(fēng)壓和水泵揚(yáng)程按設(shè)計(jì)工況計(jì)算確定，設(shè)計(jì)簡圖見圖3。分別計(jì)算2種形式的供冷及供熱季能耗，以此來判定二者輸送效率的高低。

圖3 空調(diào)形式簡圖

本文基于Dymola軟件所建立的模型主要由房間模型、水泵模型、空調(diào)機(jī)組模型、控制模型等子模型組成，各子模型之間聯(lián)合運(yùn)行共同模擬所建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行。模型見圖4。

圖4 Dymola模型

2.2 參數(shù)設(shè)定

2種算例的參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 模擬算例參數(shù)設(shè)置

房間負(fù)荷通過動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，得到的逐時(shí)負(fù)荷作為邊界條件。供冷季為4月15日至9月30日，供熱季為11月15日至次年3月15日。冷熱負(fù)荷見圖5。

圖5 計(jì)算區(qū)域冷熱負(fù)荷

水泵按設(shè)備參數(shù)進(jìn)行選型，將設(shè)備運(yùn)行曲線作為“Pump”部件的輸入?yún)?shù)。同理，將風(fēng)機(jī)選型的設(shè)備運(yùn)行曲線作為“fan2”部件的輸入?yún)?shù)。

2.3 模擬結(jié)果分析

模擬計(jì)算結(jié)果見表3。可以看出：CASE1的水泵電耗略高于CASE2，但兩者相差不大，增大比例約2.8%；CASE1的風(fēng)機(jī)電耗明顯低于CASE2，降低約29.6%；CASE1相比CASE2總電耗降低21.8%，定量驗(yàn)證了分布式空調(diào)末端比常規(guī)空氣處理機(jī)組在大空間場合具有更好的節(jié)能性。

表3 模擬計(jì)算結(jié)果 kW·h

3 分布式空調(diào)末端噪聲影響分析

3.1 空調(diào)機(jī)組噪聲計(jì)算

空調(diào)機(jī)組噪聲源主要包括風(fēng)機(jī)噪聲、系統(tǒng)振動(dòng)噪聲和渦流噪聲3種，其中以風(fēng)機(jī)噪聲為主，正常情況下，其他噪聲相對(duì)于風(fēng)機(jī)噪聲可忽略不計(jì)[7]?？照{(diào)機(jī)組的噪聲主要分為兩部分，一部分是風(fēng)機(jī)噪聲通過箱體傳至空調(diào)機(jī)組外面的噪聲，另一部分是風(fēng)機(jī)噪聲傳至空調(diào)機(jī)組進(jìn)(出)風(fēng)口處的噪聲。這兩部分的聲壓級(jí)計(jì)算公式分別見式(1)和式(2)[8]。

(1)

LpA=LWU-∑RA-10lgSA-10lg(2πd2)+KA

(2)

式(1)、(2)中LpU為空調(diào)機(jī)組的聲壓級(jí)，dB；LWU為通風(fēng)機(jī)的聲功率級(jí)，dB；RU為機(jī)組箱體的倍頻帶隔聲量，dB；SU為空調(diào)機(jī)組箱體表面面積，m2；SS為風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的包絡(luò)表面面積，m2；SUM為空調(diào)機(jī)組測量表面積，m2；SM為基準(zhǔn)面積，m2，取1 m2；KU、KA為修正系數(shù)，dB，均取3 dB；LpA為空調(diào)機(jī)組進(jìn)(出)風(fēng)口處的聲壓級(jí)，dB；∑RA為機(jī)組中風(fēng)機(jī)至風(fēng)口處的各段噪聲衰減量之和(由廠家提供)，dB；SA為機(jī)組進(jìn)(出)風(fēng)口處的面積，m2；d為風(fēng)口至測點(diǎn)的距離(按45°角計(jì)算)，m。

式(1)、(2)中通風(fēng)機(jī)的聲功率級(jí)LWU由廠家提供，當(dāng)缺乏資料時(shí)，可用式(3)[9]計(jì)算：

LWU=10lg(QH2)+4

(3)

式中Q為風(fēng)量，m3/h；H為全壓，Pa。

3.2 分布式空調(diào)末端噪聲計(jì)算

由于空調(diào)機(jī)組內(nèi)設(shè)置了消聲段，通過調(diào)整該段設(shè)置，使得機(jī)組出風(fēng)口處噪聲滿足設(shè)計(jì)要求，所以對(duì)分布式空調(diào)末端而言，其噪聲會(huì)在空調(diào)機(jī)組噪聲的基礎(chǔ)(考慮噪聲疊加)上考慮機(jī)組外裝飾罩的噪聲衰減及送風(fēng)噴口的噪聲，同時(shí)考慮多個(gè)風(fēng)口噪聲的疊加[10]，見圖3a。

分布式空調(diào)末端設(shè)備外壁噪聲聲壓級(jí)LpUF可用式(4)計(jì)算：

(4)

無孔隙時(shí)[11]：

(5)

有孔隙時(shí)[12]：

(6)

分布式空調(diào)末端設(shè)備外r距離處聲壓級(jí)LpUF(r)計(jì)算公式為

LpUF(r)=LpUF-10lg(4πr2)

(7)

噴口噪聲值可由廠家提供，在缺少資料時(shí)，單個(gè)噴口的噪聲可用式(8)計(jì)算[4]：

LWA=10lgS+algv+b

(8)

式中LWA為單個(gè)噴口的氣流噪聲聲功率級(jí)，dB；S為噴口截面積，m2；v為噴口截面風(fēng)速，m/s；a,b為與噴口結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，可取a=53.5,b=8.70[4]。

經(jīng)計(jì)算，10 000 m3/h機(jī)組單個(gè)噴口處噪聲值LWA=32 dB。

分布式空調(diào)末端中有1臺(tái)或2臺(tái)相同型號(hào)的空調(diào)機(jī)組，每臺(tái)空調(diào)機(jī)組有10個(gè)相同型號(hào)的噴口。多個(gè)設(shè)備的聲功率級(jí)LWZ疊加可用式(9)計(jì)算：

LWZ=LW+10lgn

(9)

式中LW為單個(gè)設(shè)備的聲功率級(jí)，dB；n為相同設(shè)備的數(shù)量。

每個(gè)分布式空調(diào)末端最多20個(gè)噴口，其疊加噪聲值LWZ=45 dB。

2個(gè)不同聲源聲壓級(jí)疊加總聲壓級(jí)計(jì)算公式為

Lp=10lg(100.1Lp1+100.1Lp2)

(10)

式中Lp為疊加后總聲壓級(jí)，dB；Lp1為聲源1的聲壓級(jí)，dB；Lp2為聲源2的聲壓級(jí)，dB。

疊加末端外壁噪聲源與風(fēng)口噪聲源，用式(10)計(jì)算，距離末端0 m處，取Lp1=63 dB，Lp2=45 dB，得到疊加噪聲值為63 dB；然后利用式(7)計(jì)算得到距末端1 m處噪聲值為52 dB，距末端2 m處噪聲值為46 dB。

由以上公式可知，分布式空調(diào)末端設(shè)備噪聲與噪聲源、噴口性能、裝飾做法、測點(diǎn)距離等有關(guān)，可在設(shè)計(jì)時(shí)按上述公式估算設(shè)備噪聲，以使機(jī)組滿足環(huán)境噪聲要求。

3.3 噪聲現(xiàn)場測試

為驗(yàn)證分布式空調(diào)末端的噪聲對(duì)環(huán)境的影響，對(duì)北京大興國際機(jī)場航站樓內(nèi)不同位置的12臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)場測試。

3.3.1 測試方案

測試的分布式空調(diào)末端有2種基本形式，首層02型末端內(nèi)部設(shè)有1臺(tái)空調(diào)機(jī)組，2～4層01型末端內(nèi)設(shè)有2臺(tái)空調(diào)機(jī)組，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 測試的分布式空調(diào)末端類型

基于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9068—1988《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)備噪聲聲功率級(jí)的測定 工程法》[14]對(duì)空調(diào)機(jī)組噪聲反射平面自由聲場條件下的測試方法，選取距離分布式空調(diào)末端表面1 m處測得的機(jī)組A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)噪聲作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，分別取距離表面0、2、4 m處為測量點(diǎn)，測量其A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)噪聲。此外，分布式空調(diào)末端設(shè)置有音響設(shè)備，同時(shí)測量音響側(cè)和非音響側(cè)噪聲值，以分析音響設(shè)備對(duì)空調(diào)末端噪聲水平的影響。具體測點(diǎn)布局如圖7所示。

圖7 末端噪聲測點(diǎn)布局

選取1～4層設(shè)置有分布式空調(diào)末端的區(qū)域進(jìn)行測試，同時(shí)測量末端附近區(qū)域環(huán)境噪聲，具體測點(diǎn)分布如圖8所示。

3.3.2 測試結(jié)果及分析

采用TES-1350A型聲級(jí)計(jì)進(jìn)行測試，其適用標(biāo)準(zhǔn)為IEC61672-1 Class2和ANSI S1.4 TYPE2，準(zhǔn)確度為±1.0 dB。噪聲測試結(jié)果見圖9～11。以機(jī)組U16為例說明空調(diào)末端裝置的噪聲測試結(jié)果，其中包括音響設(shè)備的噪聲影響，見圖9。其余位置的設(shè)備測試與U16類似，這里不再一一說明。

對(duì)比分析U16處分布式空調(diào)末端有無音響側(cè)距表面不同距離處的噪聲值可知，音響源處噪聲值顯著高于其他表面，但經(jīng)過1 m距離衰減后，對(duì)環(huán)境噪聲產(chǎn)生的影響基本穩(wěn)定。

注：U11～U18、U22為所測試的分布式空調(diào)末端編號(hào)。圖8 空調(diào)區(qū)域噪聲測點(diǎn)布局

圖9 空調(diào)末端音響設(shè)備噪聲影響(U16)

圖10 分布式空調(diào)末端回風(fēng)口及環(huán)境噪聲水平

圖11 分布式空調(diào)末端及環(huán)境噪聲水平

由圖10可知，分布式空調(diào)末端底部回風(fēng)口處噪聲顯著高于距表面1 m處及環(huán)境噪聲水平，最大差值可達(dá)9.7 dB，不同空調(diào)末端回風(fēng)口處噪聲值存在一定差異。

對(duì)比圖9和圖10，音響源和風(fēng)口處噪聲均顯著高于環(huán)境噪聲水平，兩者量級(jí)相差不大。

如圖11所示，分布式空調(diào)末端外壁(0 m)處噪聲計(jì)算值與現(xiàn)場測試值接近，而距離機(jī)組末端外壁1 m處噪聲計(jì)算值(52 dB)比現(xiàn)場測試值(約61 dB)小，說明在距離機(jī)組末端外壁1 m處環(huán)境噪聲的影響已高于噪聲源的衰減；分布式空調(diào)末端表面(0 m)處噪聲水平高于附近公共區(qū)噪聲水平，最大差值可達(dá)3.8 dB；距離空調(diào)末端表面≥1 m處，測得的噪聲值已接近周圍環(huán)境噪聲水平，整體差值不超過1 dB，局部最大差值約為1.5 dB。

實(shí)際使用過程中，人員活動(dòng)區(qū)域距離分布式空調(diào)末端基本超過1 m，從測試結(jié)果可知，分布式空調(diào)末端對(duì)人員活動(dòng)區(qū)域的噪聲水平無顯著不利影響。

此外，我國目前沒有航站樓室內(nèi)環(huán)境的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，而在英國CIBSE設(shè)計(jì)手冊(cè)中規(guī)定了航站樓內(nèi)大部分空間噪聲標(biāo)準(zhǔn)為NR45[15]，約等同于A聲級(jí)噪聲50 dB。雖然北京大興國際機(jī)場航站樓內(nèi)的環(huán)境測試噪聲(59～62 dB)超出了英國標(biāo)準(zhǔn)限值，但在國內(nèi)大型機(jī)場航站樓的測試值(55～70 dB)范圍[16]內(nèi)。航站樓內(nèi)的環(huán)境噪聲涉及因素較多，今后再另作研究，但環(huán)境噪聲問題不影響分布式空調(diào)末端在航站樓內(nèi)的應(yīng)用，因?yàn)楫?dāng)航站樓背景噪聲標(biāo)準(zhǔn)提高時(shí)，可通過降低機(jī)組噪聲或者增加裝飾板的吸聲量來滿足使用要求。

4 結(jié)論

1) 通過對(duì)相同服務(wù)區(qū)域、相同冷熱量的分布式空調(diào)末端與放置在空調(diào)機(jī)房內(nèi)的常規(guī)空氣處理機(jī)組及配套的水系統(tǒng)能耗對(duì)比分析可知，前者總的輸送能耗比后者低21.8%，定量驗(yàn)證了分布式空調(diào)末端比常規(guī)空氣處理機(jī)組在大空間場合有更好的節(jié)能性。

2) 分布式空調(diào)末端的音響源和底部回風(fēng)口處噪聲測試值均高于環(huán)境噪聲測試值，使得末端表面處噪聲水平高于附近公共區(qū)噪聲水平，最大差值可達(dá)3.8 dB；距離空調(diào)末端表面≥1 m處測得的噪聲值已接近周圍環(huán)境噪聲水平，整體差值不超過1 dB，局部最大差值約為1.5 dB。分布式空調(diào)末端對(duì)人員活動(dòng)區(qū)域的噪聲水平無顯著不利影響。

3) 在分布式空調(diào)末端噪聲占主導(dǎo)影響的機(jī)組外壁處，噪聲計(jì)算值與測試值接近，可用本文提供的計(jì)算公式進(jìn)行機(jī)組噪聲的初步選型計(jì)算。