高原寒冷地区候机楼供暖方式适应性研究

李倩茹 夏洪涛 李永财 甄江龙



高原寒冷地区候机楼供暖方式适应性研究

李倩茹1夏洪涛2李永财1甄江龙3

（1.重庆大学 重庆 400044；2.中国民航机场建设集团公司 成都 610200；3.陆军勤务学院 重庆 400044）

高原寒冷地区因其独特的地理条件和海拔高、气压低、气温低，冬季漫长等特点，使得建筑供暖期较长，供暖能耗占建筑总能耗的比例较高。对于高原寒冷地区大空间建筑，气候条件对不同的供暖末端性能的影响，前人研究较少。首先，分析了气候条件对候机楼中常用的供暖末端在高海拔地区供暖能耗的影响；其次，基于日喀则某候机楼低温地板辐射供暖系统，通过eQUEST软件模拟和现场实测两种方式，对系统能耗和室内温度分布进行分析，并与拉萨某候机楼风机盘管供暖系统进行对比。结果表明，低温地板辐射供暖系统比风机盘管供暖系统年节约能耗5.6％，即低温地板辐射供暖末端在高原寒冷地区更为适用。

高海拔寒冷地区；低温地板辐射供暖；风机盘管；eQUEST模拟；能耗

0 引言

随着全球经济的发展，人类对能源的需求和要求也迅速增加，但我国与发达国家相比建筑能耗不仅数量大，而且能源利用效率低，特别是我国高海拔寒冷地区，供暖系统的能耗占建筑运行能耗的绝大部分[1]。而西藏属高原寒冷地区，常规能源极度匮乏，且气候条件可能会对散热设备的性能产生很大的影响，所以选择合适的供暖设备，在高原寒冷地区变得尤为重要[2]。闫博佼提出，在严寒地区，相比常规供暖系统，太阳能与地源热泵复合供暖系统节能效果显著，具备客观的发展前景[3]。Curtis O Pedersen、Richard K Strand等[4]学者通过模拟软件建立热平衡模型，主要针对不同温度下地板辐射系统的运行情况进行模拟分析，并对不同温度下的热舒适性进行比较，最后给出辐射供暖条件下热舒适性较对流供暖热舒适性更满足人们的要求。但对于低温地板辐射供暖在高海拔地区特别是高大空间的运用，前人并未涉猎。

1 高原寒冷地区供暖方式的理论分析

日喀则地区海拔在3000 m以上，气候为典型山地气候，全年平均气温在0 ℃上下。一年之中，最热为7月，月平均气温在6.4～13.2 ℃，基本无需供冷；最冷为1月，月平均气温在-6.6～-13.8 ℃，气温低且持续时间长，供暖需求极大。除此之外，由于其高海拔较高，青藏高原地区的气压仅为标准大气压的2/3左右，而热物性参数随着海拔的升高而变化[5]，供暖系统性能受热物性参数的影响，故本文对供暖性能进行分析。

1.1 对流换热供暖性能分析

由于空气的普朗特数不随海拔高度的变化而变化，因此，可对其空气进行简化处理，P=0.7，于是，上式变为：

设铜管长为，空气的体积流量为，每排有根铜管，则相邻两关键最窄流通截面积：

最窄截面处流速：

因此，表面传热系数：

式（6）中，1s、均为风机盘管自身参数；为空气体积流量，为既定值，因此，仅与空气物性参数有关，不随海拔高度变化而变化，仅与海拔高度有关。不同温度条件下风机盘管换热系数随海拔高度变化的衰减系数如表1所示。

表1 不同盘管温度条件下风机盘管的换热系数随海拔高度的衰减系数

续表1 不同盘管温度条件下风机盘管的换热系数随海拔高度的衰减系数

由表1可以看出，当其他所有条件相同的情况下，随着海拔高度的升高，风机盘管的换热系数会随之减小，即风机盘管的制热量也会随之减少。在高原地区，海拔高度一般在3000 m以上，在3500 m以上时，风机盘管的换热系数将减小1/4以上，若按照风机盘管的额定制热量选择风机盘管时，将导致室内空气获得的热量不能满足室内热负荷的需求，达不到供暖设计要求。因此，在高海拔地区使用风机盘管须考虑海拔高度对换热系数的影响来选择合适的风机盘管。

1.2 地板辐射供暖换热性能分析

1.2.1 辐射换热

本文所采用的辐射换热的计算方法，是将除地板表面以外的其余五个表面等效为一个表面，通过两个灰体表面的辐射换热来计算其地板和其余各围护结构的换热[6]。

假设其房间的地板温度均匀，且其他围护结构表面均处于另一温度且为理想散热面，其系统发射率可按照下式计算[6]：

一般，非金属和涂有油漆表面金属的表面发射率约为0.9，将其代入公式（7）和公式（8），可得：

将辐射换热等效为对流换热时，其等效换热系数为：

由式（10）可以看出，辐射换热的传热系数计算公式中，无任何空气热物性参数，即辐射换热的换热系数与空气的热物性参数没有直接的关系。由此可知，辐射换热不受海拔高度对空气热物性影响的影响，只与地板辐射温度、围护结构表面温度有关。

1.2.2 自然对流换热

计算地板表面与室内空气的对流换热时，Kilkis将地板结构层简化成平面肋片模型，提出了辐射和对流散热量计算方法[7,8]。

Kilkis总结辐射地板表面的热流密度为：

其中，

式中：t为室内空气平均温度，℃；h为地板表面的自然对流换热系数，W/(m2·K)；为建筑物所在海拔高度，m；A为供暖房间总面积，m2；L为加热地板周长，m。

根据式（12）可知，辐射地板表面的自然对流换热系数和其房间所在海拔高度有关，其换热系数随海拔高度衰减系数如表2所示。

表2 辐射地板表面自然对流换热系数随海拔高度的衰减系数

对比表1和表2可知，风机盘管的换热系数随海拔高度的衰减比辐射供暖地板表面自然对流换热系数随海拔高度的衰减要大。将辐射换热表面的传热系数与对流换热表面换热系数叠加，即为复合换热表面传热系数。由于辐射换热系数，不随海拔高度变化而变化，而对流换热表面换热系数受海拔高度的影响，但衰减比风机盘管整体换热系数要小。因此，综合来看，地板辐射供暖复合换热系数受海拔高度的影响较风机盘管小。因此地板辐射供暖相对于风机盘管来说更适合在高海拔地区使用。

2 利用eQUEST软件进行模型建立和对比

2.1 模拟软件介绍

eQUEST是一款建筑能耗分析软件，它可以建立建筑模型及空调供暖系统模型，再依据室外围护结构、气候条件等条件，综合计算出室内热量和温度，进而计算负荷。本文采用eQUEST进行负荷模拟，以便更详细的建立供暖系统模型、供暖末端工况，进而得到采用不同供暖末端时的能耗状态。

图1 建筑eQUEST模型

2.2 日喀则地区水源热泵+低温地板辐射供暖系统

日喀则机场海拔3783 m，机场航站楼分为上下两层，总建筑面积为4504.4 m2，最大高度为19.95 m，第一层为候机大厅和安检区，建筑面积为3824 m2，第二层为办公区，建筑面积为680.4 m2。机场采用地板辐射采暖系统，地面设计温度为27.8 ℃。

使用eQUEST建立日喀则和平机场建筑模型图，如图1所示。

通过对建筑模型的建立，进行模拟计算得出建筑物的自然室温情况如图2-4所示。

图2 航站楼背阳房间自然室温

图3 航站楼向阳房间自然室温

图4 航站楼内区房间自然室温

结合不同朝向外区和内区房间的自然室温可以发现，在4月1日之前和11月1日之后，三种不同房间自然室温均低于供暖设计温度20 ℃。因此，将日喀则和平机场的供暖季定位11月1日至次年4月1日。根据逐时自然室温结果统计，日喀则地区全年超过26 ℃的时间仅为4个小时，因此，日喀则和平机场可全年无供冷。

使用eQUEST模拟软件，对日喀则机场建筑模型对供暖季进行负荷模拟，结果如图5所示。

从图5中可知，机场航站楼最大负荷为773 kW。根据航站楼供暖季月峰值负荷，本系统选用某品牌螺杆式水源热泵，水源热泵选型及对应水泵选型见表3。

图5 航站楼供暖季逐时热负荷

表3 系统组及水泵选型

经eQUSET模拟结果如图6所示。

图6 航站楼月供暖系统能耗

图6中，航站楼供暖季供暖系统月最大能耗为1月份的108209.6 kWh，最小为11月份92150.6 kWh。全年供暖季总能耗为供暖季5个月能耗之和498372.9 kWh。

2.3 日喀则地区水源热泵+风机盘管供暖系统

在eQUEST模拟软件中，将日喀则和平机场的供暖系统由水源热泵+地板辐射供暖系统改为水源热泵+风机盘管供暖系统。对于同一地区同一建筑，建筑负荷没有发生改变，因此供暖热源选择不发生变化，但需要对末端设备进行选型。

本建筑位于海拔高度4000米左右的高海拔寒冷地区，采用风机盘管作为供暖末端，进出风平均温度为30℃。由表1中风机盘管的换热衰减系数得出风机盘管换热量为：

故风机盘管在4000 m海拔高度工况下的制热量为在海拔高度为0 m工况下的0.737倍，等效为制热效率=0.737。由于建筑供暖季峰值热负荷为773 kW，为建筑布置100台风机盘管，其每台盘管承担热负荷为7.73 kW，故其风机盘管额定制热量应大于0=10.48 kW。

选择某品牌风机盘管，其性能参数如表4所示。

表4 风机盘管选型

对建筑供暖系统其供暖季进行模拟得出图7。

图7 水源热泵+风机盘管供暖系统供暖季月系统总能耗

对比图6和图7可以看出，水源热泵+风机盘管供暖系统能耗要比水源热泵+低温地板辐射供暖系统能耗高，每月因负荷变化而造成的能耗变化也更加明显。供暖系统最大月能耗为115020.8 kWh，全年供暖系统总能耗为527993.8 kWh。

图8 两种不同供暖系统月系统能耗

比较同一建筑采用两种不同供暖系统在日喀则地区的供暖能耗可以发现，采用地板辐射供暖系统的能耗低于采用风机盘管供暖系统的能耗。在供暖季，风机盘管供暖系统在供暖季的月最高能耗为115020.8 kWh，最低能耗为97281.5 kWh，全年供暖季总能耗为527993.8 kWh；低温地板辐射系统的月最高能耗为108209.6 kWh，最低能耗为92150.6 kWh，全年供暖季总能耗为498372.9 kWh，比风机盘管供暖系统的节约能耗5.6%。

3 系统实测与分析

本文对西藏日喀则机场水源热泵+低温地板辐射供暖系统和拉萨机场水源热泵+风机盘管供暖系统进行了测试，对西藏不同供暖系统的运行特性及供暖末端的室内热环境进行现场实测及对比分析。

3.1 测试结果及分析

3.1.1 室外气象数据

测试期间，拉萨和日喀则地区室外气象参数如图9所示。

图9 拉萨和日喀则室外空气温度

由图9可以看出，测试期间两地区的空气温度近似正弦波变化，测试典型日室外气温均没有超过8 ℃，平均室外干球温度为0 ℃左右。两地区在典型日室外气温变化基本相同，温度相似。

两测试建筑均为机场建筑，功能相同，大小相近，且围护结构采用相似材料。两建筑室外气候条件相同，并且采用供暖系统热源相同，均为水源热泵制热，仅供暖末端不同，因此，对两建筑供暖期间室温及能耗等的比较，可视为对两供暖系统的比较。

3.1.2 室内温度测试结果

（1）室内壁温

测试组在8:00～20:00之间利用红外线温度仪分别测量各墙面、玻璃幕墙、屋顶及一二楼地面的温度，测量结果如图10、11所示。

图10 拉萨机场各壁面温度

图11 日喀则机场各壁面温度

比较两建筑壁面温度，发现拉萨机场屋顶温度要比日喀则地区屋顶温度高，地面温度因日喀则机场为地板辐射供暖，所以没有可比性，四周墙壁温度拉萨机场要略高于日喀则机场。整体来看，除地面温度以外，拉萨机场的壁面温度要高于日喀则机场的壁面温度。

（2）垂直方向上室内温湿度分布

利用温湿度巡检仪测量其纵向的温湿度分布，以研究地板辐射供暖下高大空间纵向的温度分布特性，测试结果如图12所示。

图12 拉萨机场不同时刻垂直方向的温度分布

图13 日喀则机场不同时刻垂直方向的温度分布

图12中可以明显看出，采用风机盘管供暖末端的拉萨机场，在低于10 m高度的区域，空气温度随着高度的增加而增大，工作区域2 m处的温度最低，在典型日中，最低温度11.48 ℃，最高温度17.93 ℃，未达到室内设计供暖温度。而在10 m处，温度却远远超过了室内供暖设计温度。这样的温度分布既没有使工作区达到供暖需求，同时降低了室内的热舒适性，增加了通过屋顶的热损失传热，造成了能耗的浪费。

图13中可以看出，采用低温地板辐射供暖的日喀则机场，垂直方向上的温差小，从0.1 m～8.5 m处的空气温度最大差值小于4 ℃，垂直方向上温度分布均匀，且0.1 m、1.5 m工作区的空气温度均达到供暖设计温度，热舒适性高。

采用风机盘管供暖末端的建筑工作区未达到供暖设计温度，因其设计时，对风机盘管的选型未考虑海拔高度的变化对风机盘管制热性能的影响。而低温地板辐射供暖的复合传热系数受海拔高度影响较小，所以设计时，即使不考虑海拔高度的影响，低温地板辐射依旧可以承担其室内热负荷需求，从而达到室内设计供暖温度。这也从侧面印证了前文理论和模拟的结果。

3.2 供暖系统的性能测试

（1）拉萨水源热泵+风机盘管供暖系统

拉萨机场地下水源热泵+风机盘管供暖系统测试结果如图14所示。

图14 水源热泵机组两端进出口水温与机组COP

详细检测数据如表5所示。

表5 热泵机组制热性能系数检测结果

（2）日喀则水源热泵+地板辐射供暖系统 日喀日喀则机场地下水源热泵+地板辐射供暖系统测试结果如图15所示。

图15 热泵机组两端进出口水温与机组COP

详细检测数据如表6所示。

表6 热泵机组制热性能系数检测结果

由测得的风机盘管供暖系统和低温地板辐射供暖系统的系统特性可知，两系统水源热泵特性基本相同，水源热泵供热量基本相同，但系统能效比却不同，因供热末端的不同而有所差异，验证了本文所模拟的结果。

4 结论

本文分析了气候条件对候机楼中常用的供暖末端在高海拔地区供暖能耗的影响，并基于日喀则某候机楼低温地板辐射供暖系统，通过eQUEST软件模拟和现场实测两种方式，对系统能耗和室内温度分布进行分析，并与拉萨某候机楼风机盘管供暖系统进行对比。具体结果如下：

（1）通过对高原寒冷地区候机楼常使用的风机盘管供暖系统和低温地板辐射供暖系统的传热过程进行理论分析，并结合不同海拔高度对空气热物性参数的影响，得出地板辐射供暖复合换热系数受海拔高度的影响较风机盘管小。

（2）通过使用eQUEST能耗模拟软件分别对水源热泵+低温地板辐射供暖系统和水源热泵+风机盘管供暖系统建立模型和计算，比较两供暖系统的能耗差异，得出风机盘管系统全年供暖季总能耗为527993.8 kWh；低温地板辐射系统全年供暖季总能耗为498372.9 kWh，比风机盘管供暖系统的节约能耗5.6%。

（3）通过对拉萨市的水源热泵+风机盘管供暖系统和日喀则市的水源热泵+低温地板辐射供暖系统进行现场实验测试，分析了系统的能耗和室内的温度分布，使模拟结果和理论分析得到了验证。水源热泵供热量基本相同时，低温地板辐射系统的平均能效比为2.7，而风机盘管系统为2.5。即低温地板辐射供暖末端在高原寒冷地区更为适用。

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Applicability Study on Low Temperature Radiant Floor Heating of Large Space Building in High Altitude Cold Regions

Li Qianru1Xia Hongtao2Li Yongcai1Zhen Jianglong3

(1.Chongqing University, Chongqing, 400044;2.China Civil Aviation Airport Construction Group Company, Chengdu, 610200;3.Army Service College, Chongqing, 400044 )

Due to its unique geographical conditions, plateau cold areas has the characteristics of high altitude, low air pressure, low temperature, long winter, which makes a long heating period and high proportion of building energy consumption. However, the research about the influence of climatic conditions on the performance of the terminals in plateau cold areas is less. First, this paper analysis the impact of atmosphere on heating energy consumption of the common heating devices used in the terminals in t plateau cold area; then, study on the low-temperature radiant floor heating system of a terminals in Shigatse and analysis its system energy consumption and indoor temperature distribution compared with the FCU heating system of a terminals in Lhasa by both eQUEST stimulation and the field measurement. The results show that the low-temperature floor radiant heating system is 5.6% less energy consumption than the fan - coil heating system, that is, the low temperature floor radiant heating system is more suitable for the plateau cold areas.

Plateau Cold Area; Low Temperature Floor Radiation Heating; Fan Coil Unit; eQUEST Simulation; Energy Consumption

1671-6612（2018）04-391-09

TU831

A

中国中冶重大科技专项项目（项目编号：0012012006）

李倩茹（1992.11-），女，在读硕士研究生，E-mail：qianruli123@163.com

李永财（1982-），男，博士研究生，讲师，E-mail：905255911@qq.com

2017-08-07