截至2019年2月22日,中国大陆(不含港澳台地区)正在运营的民航机场数量是235座(其中包括只提供公务包机的三沙机场,以及只有飞龙公司使用运-12执飞的长山岛机场) ^[1],全年旅客吞吐量超过12亿人次。根据《中国民用航空发展第十三个五年规划》,“十三五”期间我国预计新建机场44个、续建机场30个、改扩建机场139个,完善形成华北、东北、华东、中南、西南、西北六大机场群,旅客吞吐量达到9.1亿人次,货物运输量达到1 409万t,年均分别增长10.4%和8.0%。随着我国经济的高速发展和人们生活水平的不断提高,越来越多的人选择飞机作为出行的首选交通工具。航站楼作为旅客与飞机之间的联系空间,发挥着出发、到达、转机、办理乘机手续、候机等重要功能。航站楼建筑一般都是城市的标志性建筑,是典型的高大空间建筑,其空间大、高度高,是一种规模宏大、系统繁多、功能复杂、设施完善、技术先进的重要交通建筑。我国民航机场航站楼的发展也经历了从最初对于国外经验的模仿,到之后的借鉴和原创并驾齐驱,直到当前的全面创新等阶段 ^[2]。目前航站楼设计在功能需求不断丰富的情况下也开始追求高舒适条件下节能环保的绿色设计理念。近年来国内外航站楼建设数量不断增多、建设规模不断扩大,带来巨大的建筑能耗;同时随着人们对美好生活品质的不断追求,旅客对航站楼内环境热舒适度的要求也越来越高,但现有航站楼多存在高能耗情况下局部热舒适度较差的情况。本文针对该问题进行分析研究,以便为工程设计提出更好的改进建议。

　　 考虑到气候会对机场航站楼的运行能耗水平和分布特征等带来很大的影响,本文在进行研究对象选取时,对我国5个气候区进行了全覆盖,从中选取9座国际机场的典型航站楼进行了现场调研和实测。

　　 现场调研主要采取座谈和实地察看2种方式。

　　 通过与航站楼的一线运维人员座谈,了解航站楼的基本信息、冷热源情况、系统运行管理和控制情况、航站楼空调系统运行中存在的问题等,获取相关运行数据。

　　 对航站楼的能源中心、典型机房、航站楼内末端形式等进行现场实地察看。

　　 此外,调研中还对航站楼的室内环境参数进行了实地测试,测试的参数主要包括室内空气温度、相对湿度、风速、CO₂浓度等。

　　 通过对不同航站楼的相关设计资料及研究文献 ^{[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]}进行深入调研,了解目前航站楼的设计参数取值、冷热源形式、末端形式、设计冷热负荷等。

　　 通过对我国不同气候区不同规模航站楼建筑的现场和文献调研,发现航站楼建筑室内热环境普遍存在以下问题。

　　 本文对不同气候区航站楼内的CO₂浓度进行了实测,测试结果显示航站楼内的CO₂浓度普遍较低。图1显示了夏热冬暖地区某航站楼建筑内9月初07:00—18:30 CO₂体积分数测试结果。可以看出,航站楼建筑内的CO₂体积分数普遍较低,均低于900×10^-6,远低于GB/T 17094—1997《室内空气中二氧化碳卫生标准》中室内CO₂体积分数1 800×10^-6限值的要求 ^[16]。值机大厅的CO₂体积分数要比候机大厅低,均低于600×10^-6,与室外测试浓度很接近。这主要是由于值机厅与室外连通的开口较多,且开口处于常开状态,室外的渗透风问题更严重。航站楼建筑内CO₂浓度的测试结果说明航站楼(尤其是值机厅)的实际新风量(有组织的机械新风引入+渗透风等无组织的新风引入)远大于人员的新风需求量。

　　 航站楼建筑开口(航站楼出入口、登机口等)较多,且很多开口处于常开状态,在热压、风压的作用下导致航站楼的外部空气渗透或入侵严重。在室外温度较舒适的过渡季,室外空气的渗透可增加自然通风,降低运行能耗。但是在夏季和冬季,渗透风过大则会增大空调和供暖能耗。图2为航站楼建筑冬季和夏季工况下渗透风的流向示意图。可以看出:夏季航站楼内的冷空气从底部的开口流向室外,室外的热空气通过顶部的开口进入室内;冬季室外的冷空气从底部开口侵入航站楼建筑内,航站楼内送入的热气流在热压的作用下向上流动,从位于顶部的开口排出。冬季和夏季由于室内外温差较大,室内外的热压通风量较大。尤其是在严寒地区的冬季,室内外温差高达40 ℃甚至更高,会使渗风通风量巨大。此外,多数机场在冬季会关闭新风运行,卫生间、厨房的排风使航站楼内相对室外形成负压,也会增加无组织渗风量。因此,在航站楼建筑节能设计中需要对建筑渗透风影响进行深入分析,从建筑设计、末端设计、运行和管理等角度综合分析全年不同季节的渗透风量及其对室内热环境的影响,对航站楼的冷热负荷进行合理评估,进而对设备进行准确选型,以期改善航站楼建筑的舒适性,降低航站楼建筑的运行能耗。

　　 大型航站楼建筑多为高大空间建筑,室内空间净高达到十几米甚至几十米,且航站楼各层之间互相连通,导致航站楼内易出现温度分层现象。冬季,送入底部空间的热气流在热浮升力的作用下上浮,加剧底部开口的冷风渗透,导致底部靠近门的位置温度过低,高度方向的温度梯度加大。夏季,航站楼内送入的冷气流下沉,幕墙周围的空气被加热后上浮,热量均聚集到顶部空间,导致顶部楼层的温度较高。航站楼内竖向温度分布情况如图3所示。

　　 表1给出了寒冷地区某航站楼顶部楼层人员活动区室内环境参数测试和舒适性参数计算结果,其中预计平均热感觉指数(PMV)与预计不满意者的百分数(PPD)是在服装热阻0.61 clo(乘客穿长裤、长袖衬衫)、代谢率1.2 met(乘客处于站姿休息状态)时的计算结果。结果显示,6月初,也就是夏初时节,航站楼顶层人员活动区的平均温度就已经高达27.1 ℃,环境的标准有效温度SET ^[17]平均值为27.6 ℃,平均PMV为0.74,平均PPD达到了16.7%。此时还只是初夏,盛夏时顶层室内环境温度还会更高,热舒适状况将会更差。而且由于存在较大的温度梯度,会造成空气渗透或入侵严重,增加能耗。

　　 图4给出了严寒地区某航站楼12月入口位置的红外热成像测试结果。可以看出,室外冷风侵入导致在靠近门位置区域的温度很低,甚至低于0 ℃。冬季由于室内外温差更大,热压造成的渗透风量也会加大。减少寒冷和严寒地区冬季的冷风渗透,不但可以减少运行能耗,还能改善航站楼底部区域的舒适性。

　　 因此,在航站楼进行建筑节能设计时需要考虑如何缓解高大空间上下温度分布不均带来的不舒适问题,避免夏季顶层过热和冬季底层过冷带来的人体不舒适感。

　　 为了实现美观及室内自然采光,航站楼建筑的围护结构多采用大面积玻璃幕墙。玻璃幕墙除了会带来夏季空调能耗和北方冬季供暖能耗的增加外,还会导致乘客的不舒适体验。夏季高强度的太阳辐射增加了玻璃内表面的温度,而寒冷和严寒地区冬季夜间过低的室外温度会导致玻璃内表面温度偏低,这都会影响平均辐射温度并最终影响乘客的热舒适性。

　　 此外,当太阳辐射直接照射到乘客身上时会加剧热不适感。Arens等人的研究表明,当太阳辐射直接照射人体时,人体的得热感觉相当于平均辐射温度上升11 ℃ ^[18]。朱卫华等人对上海虹桥机场T2航站楼夏季室内环境参数进行了测试,得到了航站楼建筑内不同区域玻璃幕墙太阳辐射对平均辐射温度和人体舒适性的影响,见图5 ^[19]。可以看出,考虑太阳辐射后室内的平均辐射温度比不考虑太阳辐射时高3.3～11.6 ℃,考虑太阳辐射后2#测点的PMV由-0.22变成了1.23。可见,玻璃幕墙的太阳辐射对人体热舒适性影响很大,夏季的太阳辐射热会让乘客感觉非常不舒适。Hwang等人的研究表明,通过合理设计玻璃幕墙的组成部分,建筑的热舒适性和节能性都能得到改善 ^[20]。因此,在航站楼建筑设计时对玻璃幕墙热性能参数的合理选取、遮阳措施和末端形式的合理设计都可以从一定程度上缓解玻璃幕墙带来的热不舒适问题。

　　 图6给出了不同气候区航站楼单位建筑面积冷负荷指标设计值的调研汇总结果。可以看出:航站楼建筑的设计冷负荷指标普遍较大,即使是严寒地区也大于70 W/m²;夏热冬冷地区和夏热冬暖地区冷负荷指标普遍高于150 W/m²,有的甚至高达250 W/m²。不同气候区航站楼的冷负荷指标差异较大,即使在同一气候区,不同地区的航站楼也存在较大差异。此外还发现,同一航站楼的不同区域的冷负荷指标也存在较大差异。这是因为航站楼建筑不同区域的太阳辐射、围护结构、客流密度、渗透风量等情况都存在较大的差异,航站楼建筑的规模也存在较大差异,而这些参数都将对航站楼的综合冷负荷指标构成影响。

　　 航站楼建筑是一类比较特殊的建筑,据统计,大型民用机场航站楼能耗平均占机场总能耗的60%以上,全年各项能耗中,空调和照明能耗构成了航站楼能耗的主体,两者所占比例可达80%左右 ^[21]。航站楼不管是从建筑上、结构上、功能上还是人员使用特性上都有其独特的特点,因而对其夏季空调负荷产生了很大影响,总体来说,单位面积负荷明显大于普通公共建筑。这是由于:

　　 1) 航站楼建筑出入口多,且多常开,外部渗风特别严重,导致航站楼建筑运行能耗较大;

　　 2) 航站楼服务的航班数量众多,大多数用能设备的控制与航班的运行动态没有进行直接关联 ^[22],部分区域的空调、照明等系统经常在无人状态下空转,造成能源浪费;

　　 3) 航站楼通常采用大面积的玻璃幕墙,带来了空调能耗的剧增;

　　 4) 航站楼主要采用集中式空调,且全年无休息日,单位面积建筑能耗高;

　　 5) 航站楼建筑照明要求高,造成照明负荷较大。

　　 针对上文所发现的航站楼建筑普遍存在的渗透风导致负荷过大、高大空间上下温度分布不均、大面积玻璃幕墙带来的局部不舒适等问题,重点从以下3个方面提出设计改进措施建议,为航站楼的设计、改造提供有效的路径和方法。

　　 对文献中航站楼新风量设计指标进行了调研,航站楼内各区域新风量的设计值见图7。航站楼内不同功能区的设计新风量通常不同:VIP区的人均新风量通常较大,为30～50 m³/(人·h);值机厅、候机厅、到达厅的设计新风量为20～30 m³/(人·h),行李提取厅为15～28 m³/(人·h),普通办公室为30～40 m³/(人·h),餐饮区为25～28 m³/(人·h),商业区为15～30 m³/(人·h)。由于航站楼建筑开口位置较多,外区有更多的机会与室外进行自然通风,前文的CO₂浓度实测结果也说明了这一点,因此设计时可适当减少外区的机械新风量,同时做好控制系统,在满足人员卫生要求的同时,做到新风可调可控。

　　 对于航站楼建筑高大连通空间的环境问题可以通过末端设计来改善,可考虑夏季采用置换送风末端与冷辐射末端相结合的方式,冬季采用辐射末端供热的方式。在置换通风系统中,冷空气从地板附近以很低的速度送至室内,在地板上形成“空气湖”,空气湖中的新鲜空气受到室内人员或者设备加热后,由于浮力作用携带地板附近的热量向上运动,将室内底部区域的热量和污染物排到上部区域。国内外若干学者都对此开展了研究,而且此系统在国内外机场中已有规模化实践,并取得了一定的效果,从理论和工程上均证明了方案的有效性。例如:Gowreesunker等人介绍了国外某机场候机大厅采用的一种带有相变蓄热材料换热(PCM-HX)的置换通风系统。该系统在置换通风器内设置相变材料,利用相变材料的蓄冷/蓄热特性,起到移峰填谷的效果,再结合夜间自然通风等节能手段以达到降低系统能耗的目的 ^[23]。Simmonds等人对曼谷机场航站楼置换通风系统的速度场、温度场和室内的温度分层进行了CFD模拟研究,根据模拟结果改进设计中的缺陷,消除局部过冷和局部过热的现象 ^[24]。Kessling等人在新曼谷国际机场设计中,采用置换通风系统来满足室内人员卫生和热舒适需求,并对置换通风形成的热力分层进行了CFD数值模拟,进一步用缩尺模型试验来验证模拟结果的正确性 ^[25]。国内的西安咸阳国际机场也采用了置换式下送风系统和地板冷辐射系统,唐海达等人对该机场进行了测试,结果表明该航站楼的辐射地板供冷、供热配合置换式送风,实现了高大空间室内人员活动区温湿度分布高度均匀的控制效果,营造了舒适的温湿度环境,同时达到了空调系统节能的目标 ^[26]。杨琛敏采用CFD模拟分析的方法对航站楼置换通风进行了数值模拟,研究结果表明,排风口的位置和大小对航站楼室内的温度场和速度场有一定的影响,但是影响程度不大,在最高处排风对降低航站楼内整体温度场有着积极的意义 ^[27]。在送风冷负荷不变和送风量不变时,送风面积越大,室内流场越趋于均匀,排热效果也越好。送风冷负荷一定时,同时降低送风温度和送风量可以很大幅度地降低室内温度,在此基础上继续减小送风量可以降低置换通风系统的能耗。设计过程中,置换通风通常与辐射供冷、干式空调末端结合使用,如何分配各部分承担的负荷,如何确定各部分的水温,如何充分利用自然冷源、可再生能源,如何处理好下送风口与地面其他设施布置的矛盾,如何保证大面积辐射盘管的施工质量,如何选择合适的新风处理方式等是今后设计需要着重研究的问题。

　　 航站楼建筑普遍采用大规模玻璃幕墙,在设计时可以考虑增加合理的遮阳措施,应遵循以下原则:一是在一年中的过热季节和时段能有效防止阳光直射入室内;二是在过渡季节和冬季满足根据实际要求确定的阳光进入量;三是在将眩光控制在允许范围内的同时最大限度地提高室内照度水平和质量。理想的遮阳措施可实现既不影响自然采光效果,又能起到节能和改善夏季室内热舒适性的效果。

　　 Kessling等人在新曼谷国际机场置换通风设计中,提出与建筑、结构、电气、声学和气候等专业协同设计,综合降低航站楼能耗,详细介绍了多领域综合节能措施,采用了冷辐射地板系统,以达到直接移除太阳辐射、室内顶部灯光照明等直接落在地板上的辐射热 ^[25]。图8和图9显示了辐射末端与周围环境的能量交换 ^[28],辐射板表面传热包括辐射传热和对流传热。其中辐射传热包括短波辐射(如太阳能透过玻璃围护结构照射到辐射板表面)和长波辐射(室内围护结构、设备、人员和灯具表面与辐射表面之间的长波辐射)。由于辐射的“超距”作用,即可不经过空气而在表面之间直接换热,因此各种室内余热以短波辐射和长波辐射方式到达辐射板表面后,转化为辐射板热力学能或通过辐射板导热传递给冷媒,被吸收并带离室内环境。这是辐射末端方式与常用对流末端方式的最大不同。当太阳辐射这些短波辐射通过幕墙进入航站楼内时,辐射板可以直接接受此部分热量。

　　 航站楼建筑层数少、层高大、平面面积大,内部人员密度是一个非常重要的指标,因为人员密度不仅影响航站楼的总设计新风量,还会影响航站楼内的冷热设计负荷。图10显示了调研得到的3座航站楼的设计人员密度。可以看出,不同航站楼的设计人员密度取值存在很大差异,因此在进行航站楼室内能源系统设计时应充分利用其内部人员流线相对固定的特点,使送入的冷/热尽可能地供到人员需求区,在尽量少消耗能源的前提下优先确保人员停留区的热舒适性。

　　 随着国内外机场建设数量的不断增多和建设规模的不断扩大,航站楼已经成为人们日常出行的重要停留场所,其室内热环境水平不仅影响乘客的亲身体验感,还与节能减排战略的实施密切相关。航站楼室内热环境的高水平营造和节能降耗涉及到建筑、结构、电气、机械、设备和自动化等多个专业之间的密切协同,而这种协同过程需要从设计阶段就深入开展。本文以调研和现场测试典型航站楼所发现的问题为导向,结合航站楼自身的建筑特点,给出了新风量区域化设计和灵活调控、多末端形式耦合、太阳辐射减少和抵消等方面的室内热舒适性改进措施建议,以期对既有航站楼室内热环境改善和未来新建航站楼的合理化设计提供参考。