混合通風與空調(diào)聯(lián)合運行系統(tǒng)在登機橋的應用

許杰，廖勇坤，鐘世權

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州，510010）

0 引言

本文通過采用CFD技術，進行物理和數(shù)學建模，對登機橋橋廂進行環(huán)境控制與混合通風及空調(diào)聯(lián)合運行的對比分析，在保證室內(nèi)熱環(huán)境前提下減少登機橋這種過渡空間開啟空調(diào)系統(tǒng)的時間，提出了一種新的登機橋空調(diào)系統(tǒng)控制策略，改善了空調(diào)的運行模式并實現(xiàn)節(jié)能減排。

李志生對登機橋熱環(huán)境模擬與氣流組織進行了研究［1］； 鄒玉容對登機橋固定端空調(diào)改造進行了實踐分析［2］；廖堅衛(wèi)對大空間建筑空調(diào)與混合通風聯(lián)合運行進行了節(jié)能研究分析［3］；段雙平利用混合通風經(jīng)驗模型對北京地區(qū)建筑通風潛力和技術進行了研究［4］；羅國志對成都地區(qū)的辦公樓應用了混合通風技術，在保證室內(nèi)熱環(huán)境前提下，獲得較好的節(jié)能效果［5］。本文以南方某城市機場擴建工程的登機橋為研究對象，在典型氣象條件下運用混合通風與空調(diào)聯(lián)合運行系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，以獲取運行過程中的通風潛力和節(jié)能效益。

1 工程案例概況

工程位于南方某城市機場擴建工程的105號登機橋項目，該地區(qū)屬海洋性亞熱帶季風氣候，全年平均氣溫21.9為攝氏度，是中國年平均溫差最小的大城市之一，夏季空氣調(diào)節(jié)日平均室外計算干球溫度為29.6℃，極端最高溫度為38.4℃，空調(diào)供冷季較長，供暖期較短。105號登機橋室內(nèi)空間的寬度為2.6米，高度為2.6米，長度為40米。登機橋的兩側(cè)圍護結構為玻璃，屋面為金屬屋面，如下圖1-3的平面圖及剖面圖所示，登機橋的左側(cè)與航站樓相連接，其中編號32為通風抽風機、編號33為通風排風機、編號1為可開啟外窗、編號31為多聯(lián)空調(diào)室外機、編號11為從送風機吸入口接出的風管，編號11的風管連接至航站樓登機橋的門套，并接至門套的取風百葉，當風機開啟時，把航站樓內(nèi)的室內(nèi)空氣抽進登機橋始端內(nèi)，風經(jīng)過登機橋室內(nèi)后通過排風機于登機橋末端排走，實現(xiàn)登機橋內(nèi)通風換氣及排走室內(nèi)余熱的目的。

圖1 105號登機橋建筑平面示意圖

圖2 105號登機橋建筑剖面示意圖

圖3 105號登機橋風機布置剖面示意圖

2 登機橋混合通風與空調(diào)聯(lián)合運行系統(tǒng)控制邏輯

2.1 登機橋的混合通風與空調(diào)聯(lián)合運行系統(tǒng)運行過程

登機橋室內(nèi)及室外均設置溫度傳感器，通過登機橋控制單元與機場信息集成系統(tǒng)通信獲取機場實時航班信息，從而獲取所述用于登機橋的混合通風與空調(diào)聯(lián)合運行系統(tǒng)的使用時段，確定通風單元、空調(diào)單元的開啟時刻、關閉時刻；注：所述開啟時刻早于旅客進入登機橋的開始時刻15min以上（可根據(jù)室外氣溫對此值進行重設調(diào)整），所述關閉時刻晚于登機橋所服務飛機起飛時刻5min以上。

在通風單元開啟時刻時，控制通風抽風機、通風排風機工作，根據(jù)室外溫度條件，由通風抽風機抽取航站樓內(nèi)空氣，或由通風排風機排出登機橋固定端內(nèi)空氣并從登機橋固定端外窗引進室外空氣；當通風單元運行一定時間后，登機橋室內(nèi)溫度仍高于設定目標溫度T1時，則關閉通風抽風機、通風排風機，開啟空調(diào)單元；在關閉時刻時，關閉通風單元、空調(diào)單元。

2.2 登機橋的混合通風與空調(diào)聯(lián)合運行系統(tǒng)還包括溫度較正過程1：

（1）獲取所述用于登機橋的混合通風與空調(diào)聯(lián)合運行系統(tǒng)的目標溫度T1；

（2）若開啟時刻目標溫度T1與登機橋固定端所在室外溫度之差為負數(shù)，保持登機橋固定端外窗關閉，開啟通風抽風機、通風排風機，抽取航站樓內(nèi)空氣；

（3）在通風抽風機、通風排風機開啟一定時間后，獲取登機橋固定端內(nèi)溫度T2，若登機橋固定端內(nèi)溫度T2未達到目標溫度T1，則開啟多聯(lián)空調(diào)室外機、空調(diào)室內(nèi)機，關閉通風抽風機、通風排風機。

此過程為空調(diào)季節(jié)的控制邏輯。

2.3 登機橋的混合通風與空調(diào)聯(lián)合運行系統(tǒng)還包括溫度較正過程2：

（1）若開啟時刻目標溫度T1與登機橋固定端所在室外溫度之差為正數(shù)但差值小于某一設定值時，且所述航站樓內(nèi)空氣溫度不低于目標溫度T1，則不開啟通風抽風機，僅提示現(xiàn)場工作人員把登機橋固定端外窗完全打開，并開啟通風排風機進行通風；

（2）當通風排風機開啟單位時間后，獲取登機橋固定端內(nèi)溫度T2，若登機橋固定端內(nèi)溫度T2未達到目標溫度T1，則關閉通風排風機及登機橋固定端外窗，開啟空調(diào)單元；

（3）若開啟時刻目標溫度T1與登機橋固定端所在室外溫度之差為正數(shù)且差值大于某一設定值時，則不開啟通風抽風機而僅提示現(xiàn)場工作人員把登機橋固定端外窗完全打開，并開啟通風排風機進行通風，直至所述關閉時刻，則關閉通風排風機。

此過程為過渡季節(jié)的控制邏輯。

3 CFD模擬設計思路

本文以《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB50736-2012，該地區(qū)的室外設計干球溫度為計算條件，對機場擴建工程的105號登機橋進行CFD模擬，從中分析混合通風與空調(diào)聯(lián)合運行系統(tǒng)在登機橋應用的節(jié)能效果。

3.1 在旅客進入登機橋前，提前開啟通風系統(tǒng)，從登機大廳抽取溫度為26℃的風送入登機橋，降低登機橋室內(nèi)溫度，實現(xiàn)預冷的過程。一段時間后關閉通風機并開啟多聯(lián)空調(diào)，由于室內(nèi)溫度的降低，可減少多聯(lián)空調(diào)的制冷時間，以達到節(jié)能的效果。

3.2 運用CFD氣流組織模擬，探討在能達到設計溫度26℃時，預冷過程和制冷過程各自的運行時間的搭配，以得出能耗最低的運行方案及控制策略的臨界點。

3.3 模擬分析分為以下幾個實驗：

模擬實驗A：研究登機橋長時間靜置室外時在太陽輻射的作用下，登機橋室內(nèi)的室內(nèi)溫度。

模擬實驗B：研究登機橋足夠長時間通風預冷后，室內(nèi)能到達的穩(wěn)態(tài)溫度。

模擬實驗C：研究登機橋在不同的通風預冷時間下，室內(nèi)能到達的瞬態(tài)溫度。

模擬實驗D：研究登機橋在不同的初始溫度下，開啟多聯(lián)機空調(diào)制冷室到達的室內(nèi)設計溫度26℃所需要的時間。

4 模型設計

4.1 物理模型

為了更好地劃分網(wǎng)格，對登機橋的結構進行簡化建模：簡化為幾何參數(shù)為4000×2600×2600mm（長寬高）。

圖5 CFD模型示意圖

圖6 通風預冷工況模型示意圖

圖7 制冷工況模型示意圖

4.2 數(shù)學模型

4.2.1 設計參數(shù)

1）室外溫度：33.2℃；

2）外墻傳熱系數(shù)：鋁板外墻2.5 W/(m2?K)；幕墻1.79 W/(m2?K)；屋頂0.5 W/(m2?K)；

3）幕墻平均輻射傳熱量：西側(cè)77W/m2；東側(cè)70W/m2；

4）風口條件：

通風預冷工況：通風抽風機風量為2500CMH，送風口尺寸600×200，溫度26℃，風速2.31m/s；通風排風機風量為2500CMH，排風口尺寸600×200，風速2.31m/s。

制冷工況：室內(nèi)機每一側(cè)送風口尺寸600×50，溫度14℃，風速2.3m/s，送風角度45°向下；回風口尺寸750×750，風速0.5m/s。

因本項目研究登機橋在使用前的處理過程，因此燈光、設備、人等發(fā)熱量不作考慮。

4.2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量對CFD計算精度和計算效率及收斂性有重要影響. 對于復雜的CFD問題，網(wǎng)格生成極為耗時且極易出錯，生成網(wǎng)格所需要的時間常常大于實際CFD計算的時間. 因此，在劃分網(wǎng)格時應該把網(wǎng)格細密的程度直接與物理量在計算區(qū)域內(nèi)的變化進行統(tǒng)一考慮. 同時，還應根據(jù)計算機硬件條件，對模型的網(wǎng)格數(shù)量進行范圍控制［19-20］.

本次研究的登機橋尺寸為4000×2600×2600mm（長寬高），網(wǎng)格劃分控制在網(wǎng)格大小為0.5×0.13×0.13m。對風口進行局部的加密，風口周圍網(wǎng)格尺寸控制在0.2m。 經(jīng)檢驗Face alignment和Quality均接近1，說明網(wǎng)格質(zhì)量良好。網(wǎng)格如下：

圖8 網(wǎng)格示意圖

圖9 風口處網(wǎng)格局部示意圖

4.2.3 其他設置

1）模擬過程把室內(nèi)空氣視為透明介質(zhì)，采用輻射模型。

2）氣流為穩(wěn)態(tài)流動。

3）湍流計算模型采用RNG k-ε模型，k-ε模型為工程流場計算中主要的工具，有適用范圍廣、經(jīng)濟、合理的精度等優(yōu)點，RNG模型在ε方程中加了一個條件，更是有效的改善了精度。

4）連續(xù)性方程和動量方程收斂精度為0.001，能量方程收斂精度為1e-6。

5 CFD模擬升溫過程

在封閉的室內(nèi)空間里，在太陽輻射的作用下，空間內(nèi)的溫度往往比室外溫度要高，比如汽車在暴曬下溫度可以到40～60℃。同理，登機橋有兩面外墻為玻璃幕墻，在不開啟任何通風及空調(diào)設備時，登機橋有升溫的過程。模擬實驗A就是探討在長時間太陽輻射下，登機橋內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)溫度值。

模擬實驗A

由圖10可得，在持續(xù)長時間太陽輻射下，登機橋的室內(nèi)溫度最終達到平衡值為40.2℃。

圖10 升溫過程室內(nèi)溫度平衡時h=1.5m溫度云圖

6 CFD模擬預冷過程

由實驗A得出，在未開啟任何通風及空調(diào)設備時，登機橋的初始溫度為40℃。在開啟通風系統(tǒng)時，26℃的風送入登機橋，輸入冷量后登機橋溫度降低。登機橋溫度降低后，與室外產(chǎn)生溫差，導致圍護結構輸入熱量。在輸入冷量與輸入熱量在某個時刻達到平衡后，登機橋的室內(nèi)溫度恒定，此溫度可以當做這種通風換氣方式的極限溫度。模擬實驗B就是探討達到極限溫度的最小時刻，以便展開后續(xù)方案研究。

6.1 模擬實驗B

由圖11可得，在持續(xù)開啟機械通風系統(tǒng)時，登機橋的室內(nèi)溫度最終達到平衡值為31.8℃，且實驗結果顯示，達到31.8℃時，通風時間為600s，且繼續(xù)進行通風也不會繼續(xù)降溫。

圖11 通風過程室內(nèi)溫度平衡時h=1.5m溫度云圖

6.2 模擬實驗C

基于上述結果，設計模擬實驗C為在通風時間分別為150s，300s，450s，600s時，登機橋所能達到的室內(nèi)溫度。

由圖12～15可得，在通風時間為150s，300s，450s，600s時，對應的室內(nèi)平均溫度為37.9℃，35.9℃，33.8℃，31.8℃。

圖12 通風150s時h=1.5m溫度云圖

圖13 通風300s時h=1.5m溫度云圖

圖14 通風450s時h=1.5m溫度云圖

圖15 通風600s時h=1.5m溫度云圖

7 CFD模擬制冷過程

由上述預冷過程的實驗結果可得，僅開啟通風系統(tǒng)，室內(nèi)溫度只能達到31.8℃，未能達到登機橋的設計溫度26℃，所以需要設置多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)繼續(xù)制冷。在不同的初始溫度下，多聯(lián)機空調(diào)使室內(nèi)溫度降低到26℃需要的時間不同。基于上述分析，設計模擬實驗D在初始溫度分別為40℃，37.9℃，35.9℃，33.8℃，31.8℃時，登機橋室內(nèi)溫度達到設計溫度26℃所需的制冷時間。

7.1 模擬實驗D

圖16 制冷過程室內(nèi)溫度平衡時h=1.5m溫度云圖

多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)制冷量與圍護結構輸入熱量達到平衡時，室內(nèi)溫度也會達到一個平衡，由圖3-1可得，在持續(xù)開啟空調(diào)系統(tǒng)時，登機橋的室內(nèi)溫度最終達到平衡值為23.5℃，證明多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力足夠。

研究不同初始溫度的制冷時長，換個思路即是研究初始溫度為40℃制冷到37.9℃，35.9℃，33.8℃，31.8℃，26℃需要的時長，可反推得出結果。結果如下圖：

圖17 制冷190s時h=1.5m溫度云圖

圖18 制冷370s時h=1.5m溫度云圖

圖19 制冷560s時h=1.5m溫度云圖

圖20 制冷750s時h=1.5m溫度云圖

圖21 制冷1280s時h=1.5m溫度云圖

7.2 總結數(shù)據(jù)如下表：

7.2 總結數(shù)據(jù)如下表：

圖22 制冷過程溫度變化圖

由上表可得40℃制冷到26℃需要1280s，37.9℃制冷到26℃需要1090s，35.9℃制冷到26℃需要910s，33.8℃制冷到26℃需要720s，31.8℃制冷到26℃需要530s。

8 登機橋的熱舒適

為探討設計的多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)選型是否合理，對登機橋達到設計溫度時的狀態(tài)，進行熱舒適分析分析內(nèi)容為溫度場，速度場，PMV指標。

圖23 H=1.5m溫度場

圖24 風口處溫度場

由溫度場云圖可見，登機橋溫度范圍在24～27℃之間，基本滿足設計要求。

圖25 H=1.5m速度場

圖26 風口處速度場

由速度場云圖可見，登機橋風速范圍在0.05～0.4m/s之間，風口附近風速較大為0.4m/s，人員活動區(qū)的風速0.05～0.2m/s，人沒有明顯的吹風感。

圖27 H=1.5m PMV云圖

由PMV云圖可見，除風口附近PMV值接近-1（微涼），登機橋其余區(qū)域都處于-1～0之間，人體熱舒適性較高。

從上述模擬結果可知，設計選型的登機橋多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)可滿足舒適性的要求。

9 總結

（1）旅客登機橋是用以連接飛機和候機樓的一個封閉通道，為旅客提供全天候的上、下飛機服務，［7］正常情況下，登機橋每分鐘能登機9～20名乘客，不屬于旅客長期停留的空間，但一般情況下登機橋的空調(diào)系統(tǒng)均長時間開啟。登機橋作為機場的外設建筑，著圍護結構大面積采用玻璃窗、室內(nèi)空間通透等特點，因此極易受外界溫度影響而導致冬冷夏熱，其能耗比普通公共建筑更大。為確保顧客在登機時具有良好的舒適感，需要在登機橋內(nèi)設置空調(diào)，在使用登機橋時，通過空調(diào)的運作，確保登機橋內(nèi)溫度適宜人體，但由于登機橋本身利用時間較短，頻繁使用空調(diào)會導致能源浪費，造成機場能源消耗較大。然而，航站樓內(nèi)由于需滿足平時運行空調(diào)系統(tǒng)新風吸入的要求，需把一定量的冷空氣排至室外，現(xiàn)通過在登機橋設置通風系統(tǒng)，將原有本該排至室外的航站樓冷空氣先引入登機橋室內(nèi)始端進行預冷，經(jīng)過換氣后，再通過登機橋末端的排風機排走，把橋內(nèi)的熱空氣排走并置換冷空氣，以實現(xiàn)“免費冷源”的概念。于登機橋內(nèi)應用混合通風及空調(diào)系統(tǒng)，旨在滿足熱舒適性及的前提下，使自然通風與機械通風交替或聯(lián)合運行，提高自然通風的可靠性及機械通風與空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率。

（2）由模擬實驗結果可得知，降低登機橋內(nèi)的初始溫度，可使得空調(diào)系統(tǒng)制冷的時長縮短，從而可節(jié)省運行能耗。而本項目中降低初始溫度是由開啟通風設備實現(xiàn)的，通過在不同的通風時間和制冷時間的搭配運行，可找出最運行能耗最小的一種方案。由廠家提供的產(chǎn)品樣本進行選型，兩臺通風風機總功率為740W，多聯(lián)空調(diào)設備總功率為8754W，結合CFD模擬結果及設備選型后的運行能耗如下表：

?

可以由上表看出，當通風600s、制冷530s時，可以達到設計溫度26℃，且運行總耗電量最小，為1.41kW?h，比未設置通風設備，僅開啟多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)制冷時，節(jié)約電量54.7%。從上述一個靜態(tài)過程的模擬結果，可得出混合通風與空調(diào)聯(lián)合運行系統(tǒng)在登機橋應用有一定的節(jié)能效果。同時，配合在登機橋設置的混合通風與空調(diào)聯(lián)合運行系統(tǒng)控制邏輯，結合本模擬過程及通過實際使用時的效果進行記錄和分析，對各項初設設定值進行再設定，可優(yōu)化此系統(tǒng)在登機橋全年的運行效果，實現(xiàn)節(jié)能的目的，可供夏熱冬暖地區(qū)的登機橋參考應用。