北京机场航站楼空调负荷特性分析

北京机场航站楼空调负荷特性分析

北京市建筑设计研究院夏令操、黄季宜

概要：本文以机场航站楼，这一独特的具有流线型整体屋面、巨大挑檐、建筑自身遮挡显著、高度起伏变化的玻璃幕墙、大面积的内区房间等的建筑为研究对象。运用DeST建筑模拟软件，通过全年逐时空调负荷的模拟分析计算，分析了建筑遮挡对围护结构负荷的影响，玻璃幕墙热工性能以及全年空调负荷影响因数，为建筑围护结构优化和空调方案选择提供更全面、准确的设计依据。

关键词：航站楼、建筑模拟软件、冷热负荷

1. 航站楼建筑特点

从航站楼的平面示意图1及剖面图2－4可以看出，外部造型及室内空间结构均较复杂。从建筑热工分析角度而言，航站楼具有以下特点:流线型整体屋面，巨大挑檐;建筑自身遮挡显著;高度起伏变化的玻璃幕墙;垂直连通的高大空间;大面积的内区房间和有规律排布的巨大天窗[1]。

图1.剖面位置示意图

图3. E-E剖面

图2.N-N剖面

图4. L-L剖面（局部）

航站楼的上述特点，给暖通设计工作带来的最大困难之一是无法运用传统的负荷计算方法进行空调负荷计算。原因有两个：第一，传统的负荷计算方法较难算出围护结构外表面受遮挡后的阴影面积，而航站楼这类建筑挑檐面积很大，自身遮挡十分明显，忽略这部分影响则可能导致计算结果明显偏大。第二，航站楼中大量高大空间的负荷计算对于传统负荷计算方法来说是一个十分棘手的问题。因此，为了适应日渐复杂的建筑设计方案，通过全年逐时空调负荷的模拟分析计算，为建筑围护结构优化和空调系统方案选择提供更全面、准确的设计依据，运用DeST建筑模拟软件是必要的[2][3][4]。

2. 航站楼围护结构与室内设计参数的设定

建筑模型建立完成后需要设定建筑的具体计算参数，其中包括定义建筑物的地理位置、围护结构类型及热工参数、房间功能、室内设计参数、室内热扰参数、全年内扰及空调系统作息模式等。围护结构热工参数见表1，室内设计参数见表2。

表1. 围护结构热工参数

表2. 室内设计参数

3. 建筑遮挡对围护结构负荷的影响分析

航站楼围护结构冷热负荷的计算结果见表3，建筑遮挡对围护结构负荷的影响分析见图5。从图5可以看出，如果不考虑建筑遮挡的遮阳效果，围护结构最大冷负荷将增大25%，而热负荷则下降4%左

右，表明建筑遮挡对冷负荷极大值的影响比热负荷大，这是因为冬季太阳高度角较低，建筑物挑檐对太阳光线的遮挡效果减弱，此外，由于热负荷极大值一般出现在清晨或夜间，建筑遮阳对热负荷极大值的影响不明显。

有必要对考虑遮阳前后的围护结构全年累计冷热负荷进行比较。从图6可以看出，考虑遮阳后，全年累计冷负荷减少了4142MW.h ，但同时全年累计热负荷增加了3856MW.h 。全年累计热负荷增加的比例达到49%，远高于热负荷极大值的增加比例，这是因为在白天有太阳辐射的时刻，建筑遮阳对热负荷的影响还是较大的，因此全年累计热负荷数值增长也较多。

航站楼的屋面挑檐设计以及建筑自身的互相遮挡虽然大大降低了围护结构的冷负荷极大值及全年累计值，但同时也导致全年累计热负荷明显增加，由此可见建筑挑檐及自身遮挡对围护结构冷热负荷的影响是两面的，不同朝向的遮阳作用也不尽相同。

表3. 围护结构冷热负荷极值及出现时刻

图6. 遮阳对围护结构全年累计冷热负荷的影响

4. 玻璃幕墙热工性能分析

航站楼的外墙除首层外，大部分采用玻璃幕墙，如图2-4所示，因此玻璃幕墙的热工性能对围护结构的冷热负荷影响最大。对玻璃幕墙而言，传热系数和遮阳系数是影响其热工性能的主要参数。为了分析幕墙传热系数和遮阳系数对围护结构冷热负荷的影响，分别设计了以下两组工况：第一组工况

用于分析遮阳系数SC 对冷热负荷的影响，第二组工况用于分析传热系数K （W/m 2

.℃）对冷热负荷的影

响，见表4。本次设计玻璃幕墙采用了夹层/钢化中空Low-E 玻璃，其传热系数K 为1.90W/m 2

.℃，玻璃的遮阳系数SC 为0.60。

表4. 玻璃幕墙热工性能分析计算工况列表

图7给出了SC为0.40，0.50，0.60，0.70，0.80五种工况下冷热负荷的比较。从图7可以看出，冷负荷随着SC的增加几乎是线性增加的，热负荷则随着SC的增加而递减，但冷负荷对SC的敏感度比热负荷大很多。

图8给出了K值为1.90，2.30，2.70，3.10，3.50W/m2.℃五种工况下冷热负荷的比较。此处没有选择比设计工况更小的传热系数，是因为幕墙的K值是玻璃和连接件的综合值，由于幕墙连接件的传热系数一般比玻璃大，当幕墙的综合K值为 1.90 W/m2.℃时，其对应玻璃的传热系数一般不应大于1.60W/m2.℃，该数值已经是常用玻璃传热系数的低限。因此在K值比较中，其它工况的K值都比设计工况大。

从图8可以看出，热负荷随着K值的增大几乎是线性增加的，冷负荷虽然随着K值的增大略有增加，但增加幅度远小于热负荷。

图7. 不同SC值工况下的冷热负荷比较图8.不同K值工况下的冷热负荷比较

从以上两组工况的计算结果可以看出，玻璃幕墙的遮阳系数SC对围护结构冷负荷的影响远大于其对热负荷的影响，而幕墙的传热系数K对围护结构热负荷的影响则远大于其对冷负荷的影响，由此可以得出结论，要减小围护结构冷负荷，应首先选择减小幕墙的遮阳系数，而要减小围护结构热负荷，则应首先选择减小幕墙的传热系数。

5. 全年空调负荷分析

房间内扰是影响房间热环境的另一重要因素，尤其是室内发热量较大的房间，内扰对室内热环境的影响更是占到了主导地位。

根据航站楼的室内参数、内扰及作息模式等，计算得到全年冷热负荷如表5，6所示。其中表5是不含新风负荷时全楼冷热负荷的最大值及出现时刻，并给出了该时刻对应的室外气象参数。表6则包含了新风负荷。

表5.航站楼空调冷热负荷(不含新风)