机场航站楼通风空调末端系统的设计及运行现状*

中国建筑设计研究院有限公司 晁江月 胡建丽 潘云钢

0 引言

机场航站楼是重要的城市基础设施。随着我国城镇化建设需求、交通需求的持续增加，机场航站楼建筑建设量日益增大。尤其是各大区域干线机场航站楼的建设量在近10年增加了1倍。支线机场作为城镇化建设、城市群建设的重要支点，预计未来10年其建设量很大。

通风空调末端系统是保障机场航站楼室内环境的重要设施。机场航站楼空调末端系统的运行负荷占其总负荷的40%～60%[1]。与普通公共建筑相比，机场航站楼的运行时间更长，客流量更大，人员密度在航站楼各区域间差异较大，而且不同规模航站楼的运行特点差异也很大。因此，准确掌握机场航站楼空调设计负荷的影响因素可以有效提高空调系统设计的合理性。

目前国内外关于机场供暖空调末端系统的设计、运行研究较少，国内相关文献多为针对单个机场航站楼供暖空调末端系统设计的介绍。Kotopouleas等人通过对航站楼不同区域热舒适现状调研发现：旅客和机场职员由于行为、着装等不同对热舒适的要求不同；在旅客活动区域，旅客的舒适温度要求比职员低，对温度变化的容忍度高；热比冷更容易引起不满，冬季节能潜力大[2]。石利军等人对成都双流机场T1航站楼冬季室内参数实测后发现：夏热冬冷地区外门的冷风侵入对室内空调效果影响较大，大空间内难免出现区域温差；冬季室内相对湿度不能满足人员舒适需求，高大空间的温度梯度不可避免[3]。

目前，对于如何设计、构建合理的机场航站楼空调末端系统，如何优化实际运行等缺乏系统性的研究，其中存在的共性问题尚待研究。例如：许多大型空间(包括部分航站楼和高铁候车室)采用高位集中送风模式，低位风口的安装高度与射流流程的关系不清、不同功能区域人员对风速的适应性不明确；大多按照现有规范设计而没有考虑人员自由流动的因素；夏季供冷和冬季供热时如何保证合理的气流组织等。另外，新风负荷作为航站楼总负荷的最大组成部分，航站楼的设计和节能验收并没有专门的标准，依据GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》和JGJ/T 177—2009《公共建筑节能检测标准》有一定的局限性[4]。

课题组通过文献[4-20]调研对全国各气候带21座航站楼的设计参数进行了统计，分析了航站楼空调负荷的影响因素。为进一步调研评估目前航站楼内空调末端系统的运行效果，总结航站楼空调及供暖系统的优缺点，课题组亦对国内各大机场航站楼进行了实地调研测试，包括5个典型气候区的各级干支线机场共8个。

1 航站楼空调系统末端设计现状

1.1 设计负荷

对21座航站楼的单位建筑面积设计负荷进行统计，其中严寒地区2座、寒冷地区5座、夏热冬冷地区8座、夏热冬暖地区5座、温和地区1座，设计负荷与气候因素的统计结果见图1。寒冷地区航站楼单位建筑面积冷负荷平均为133 W/m2，单位建筑面积热负荷平均为117 W/m2；夏热冬冷地区航站楼单位建筑面积冷负荷平均为182 W/m2，单位建筑面积热负荷平均为128 W/m2；夏热冬暖地区航站楼单位建筑面积冷负荷平均为161 W/m2；温和地区航站楼单位建筑面积冷负荷平均为95 W/m2。尽管温和地区样本量少，但负荷明显小于其他气候区，具有一定代表性。寒冷、温和地区的冷负荷明显小于其他气候区。夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的设计冷负荷没有明显区别。从图1可知，每个气候区的航站楼设计冷负荷差异很大。这说明设计负荷与气候因素有一定相关性，但不是最主要的因素。设计负荷与航站楼建设年代的统计结果见图2。随着建筑节能的推进，航站楼设计冷负荷呈现下降趋势，夏热冬冷地区下降趋势明显，寒冷地区普遍下降，但各航站楼间个体差异更大。这说明航站楼空调负荷很大程度取决于设计阶段的主观因素，如航站楼的规模定位、建设年代、设计客流量，所参考设计标准及所采用的空调技术合理性等。

图1 设计负荷与气候因素的关系

图2 设计负荷与建设年代的关系

1.2 空调末端系统形式

在近10年的航站楼空调系统设计中，高大空间(出发大厅等区域)的空调系统以全空气系统为主。在过渡季较长、气候较温和的地区，通过天窗自然通风是一种辅助空调方式。自然通风的利用主要出现在近5年新建航站楼项目中，说明充分利用自然通风的设计理念正在逐步被采纳。送回风口末端形式在各大机场中的应用基本一致，不同功能区略有不同。一般出发大厅采用岛式喷口送风，同侧回风；到达通廊区域采用侧送同侧回的气流组织形式；行李分拣大厅转盘上设喷口送风。控制手段较单一，调研结果显示，目前的机场运营并不能做到自动控制，基本需要工作人员手动调节，因此无法实现实时调控。自动控制仅限于设备启停。另外与末端相对应的冷源形式较单一，几乎均为电制冷冷水机组，部分机场结合当地电价、燃气价格和冷热负荷比会考虑增设蓄冷装置、溴化锂吸收式冷热水机组。而机场的规模、定位对末端空调形式的选择没有明显的影响。

冬季末端形式的选择则与气候有显著关系。在严寒、寒冷地区，冬季热负荷较大，基本采用地面辐射供暖和散热器供暖形式，同时玻璃幕墙附近设置地面散流器。在夏热冬冷和温和地区，冬季负荷较小时，一般采用空调系统冷/热工况切换的方式。这种切换方式会导致冬夏季气流组织不同，这也是未来新型送风末端需要解决的重要问题之一。表1中D航站楼采用地板辐射供热+置换送风系统可以解决上述问题，但由于温湿度独立控制系统的自控问题及对设计要求较高(防结露问题等)，因此其在夏季的应用受到一定限制。今后应研发安全可靠、易操作的温湿度独立控制系统。

表1 典型航站楼功能区空调末端形式

与功能区相比，航站楼指廊、商铺等区域的末端形式单一，几乎全部为风机盘管加新风系统。这与这些区域客流波动性大、个性调控需求大有很大关系。因此在这些区域应根据其波动性合理设计，兼顾节能。冬季这些区域的末端形式较多。在冬季负荷较大的严寒、寒冷地区，根据所在区域的特点，末端形式的选择也不一样，空调供暖、散热器供暖都有。而在冬季负荷较小的地区，风机盘管+新风系统供冷热是一种较为经济的末端形式。

1.3 气流组织

调研结果显示，尽管各航站楼的空调末端形式趋同，但末端形式的排布对航站楼内尤其是大空间内的气流组织有很大影响。较为突出的问题有以下几点。

1) 各层分散送风、单层集中回风的气流组织形式会导致室内温度分布不均匀，送风阻力大，气流组织不理想。例如：表1中G航站楼为镂空结构，2、3、4层中间镂空，空调送风口分布在各层，回风口均在2层，加上5层为餐厅(厨房有明火，热源大、排风量大)，冷负荷大，4层为出发大厅，人员密集，导致4、5层特别热，1、2层特别冷。该航站楼位于深圳，因常年雨水较多，顶部没有设置排风排热装置，消防天窗常年不开，引发此问题。

2) 外门长时间开启带来的冷风/热风侵入问题。航站楼外门较多，且开启时间较长，门斗过高过大，风幕送风无法完全阻挡室外空气入侵，因此无论严寒地区还是夏热冬暖地区都存在冷风/热风侵入问题。对于较温暖地区，航站楼出发大厅入口处安装空气幕(无加热功能，仅考虑阻挡冷风入侵)，冬季会造成强烈的吹风感，夏季又会阻挡室内的冷空气，因此门口的安检人员不愿开启空气幕。针对冷风侵入问题，从使用效果看，目前较好的方法是设置门斗，加大门斗的进深，两道门的开口位置错开布置，但是会影响建筑的空间效果。

3) 工艺要求造成的气密性不佳(如行李提取区域等)及其他原因造成的无组织渗透风对空调负荷影响很大。无组织渗透风还存在路径不易明确、风量波动且不易确定等多种不规律性特征。这既可能加大新风量，对空调设计产生正面影响，也可能因此带来负荷增加等负面影响。目前的设计对此问题没有很好的解决办法。一方面，渗透风计算方法在大空间建筑中的应用存在诸多局限性[21]；另一方面，渗透风的影响因素也有待进一步分析，如季节风向等气候条件、航站楼建筑形式、功能布局及连通开口数量、厨房餐饮排风均可能对渗透风的来源、大小等产生影响。

4) 航站楼内/外区新风需求不同。航站楼内既存在高大空间，也存在层高较低的内区较狭小空间，由于内外区渗透风量不同、人员停留时间不同、视觉等因素造成的心理感受不同，这些区域的新风量需求并不只与人员密度和人员活动强度相关。部分净高较低区域或内区，如贵宾候机室，有时人员密集，呼吸造成空间内瞬时CO2浓度上升，空调控制系统如果不能及时加大新风量或进行有效通风，旅客就会产生憋闷感。但是在高大空间中，如出发大厅，尽管新风机组经常处于未开启状态，但旅客很少出现感觉空气质量不佳的情况，这与大厅容积大(可以有效降低瞬时CO2浓度)和外门开启漏风量大有关。因此大型交通建筑必须重视内区新风，而外区高大空间可以适当降低新风量，以达到节能效果。

5) 高大空间竖直温差明显。实地调研发现，多个航站楼有多层贯通区域(通高可能达到40 m以上)，此类区域竖直温差达10 ℃左右。例如：表1中B航站楼是一个多连通的结构，1层出入口、2层GTC(交通中心)连接处、4层车道边4层通高，渗透风明显。表1中E航站楼陆侧出入口处4层通高，竖直温度梯度导致顶层夏季高层偏热，冬季底层偏冷。按目前的负荷计算方法所得到的顶层设计冷负荷偏小，顶层空调末端夏季供冷量不足。冬季需要将顶层的空调机组热水阀关闭，以保证顶层的环境温度。冬季底层供暖温度由于竖直温差影响已经偏低，如果关闭顶层供暖设备后温度会更低，因此设计时应考虑高大空间竖直温差影响的附加值。

6) 从现有航站楼供冷/热空调系统设计工况分析中可看出，供热需求大的地区一般直接采用地板供暖和散热器供暖，供热需求少的地区采用空调供暖。对于供冷和供热工况转换的空调系统，冬夏季转换引起的送回风气流组织不合理问题不容忽视。因此应研究空调系统冷/热工况的切换方式对气流组织的影响，降低热压和温度梯度，减少渗透风影响。

7) 厨房排油烟实际运行与设计工况不符，破坏了空调系统风平衡。目前厨房排油烟设计补风量按负压考虑，但通过调研发现，实际运行时多通过启动新风机组实现补风，且新风机组通常不变频。表1中F航站楼内还存在后期增设的多处餐饮单位采用开放式厨房的情况，从空调区直接引冷风对厨房排油烟进行补风，破坏了空调系统的风平衡。

2 航站楼空调末端系统运行现状

目前航站楼空调末端系统设计工况趋同，但实际运行情况与设计工况差异较大。

1) 各大枢纽机场普遍处于超负荷运行状态，实际旅客吞吐量远大于设计值。如首都国际机场3座航站楼设计吞吐量8 200万人次/a，2019年年旅客吞吐量已超过1亿人次；深圳宝安机场2012年建成，设计旅客吞吐量4 500万人次/a，2018年年旅客吞吐量已超过4 900万人次；成都双流机场设计旅客吞吐量5 000万人次/a，2018年年旅客吞吐量已超过5 200万人次；昆明长水机场设计旅客吞吐量3 800万人次/a，2019年年旅客吞吐量已超过5 000万人次。

2) 末端容量和冷热源容量不匹配。调研结果显示，绝大部分航站楼的能源站装机容量足够大，可以满足最不利工况时的负荷需求，但空调末端设备容量偏小，且有的末端排布不合理，没有考虑竖直温差等问题，导致过冷和过热区域同时存在，无法满足航站楼需求，既不舒适，也不节能。考虑到后期改造时能源站加装机组相对容易，但末端侧改造困难较大，因此空调末端设计的不合理对整个航站楼空调设计将产生不可逆的影响，需要格外重视。

3) 航站楼实际全天负荷波动很大，尤其在全天温差较大的地区更明显。因此实际运行时需要改变设计运行策略，通过延长运行时间、调整室内设计温度、围护结构蓄冷等方式满足最不利工况。造成逐时负荷波动过大的主要原因有：玻璃幕墙热阻小、热惰性较差，气密性并不理想；太阳辐射热波动性强，透过玻璃幕墙对室内热环境的影响大。例如，在严寒地区长春，冬季巡检发现温度较低时，会加大锅炉供热量；夜间采取增加锅炉开启数量、延长运行时间等措施。每天最高负荷与最低负荷大概相差10 MW。

4) 光热环境对人员活动规律造成影响。航站楼内玻璃幕墙附近太阳辐射过强，某些候机指廊端头位置出现了多个方向玻璃幕墙造成的眩光，导致局部光环境和热环境舒适性都很差，这是目前空调末端系统设计中被忽视的问题。例如：表1中A航站楼有部分区域采用幕墙结构，太阳照射强，夏季冷负荷大。17：00—18:00，阳光直射到旅客，舒适性较差，旅客会选择避开太阳直射的区域及座位，导致实际人员密度与设计值产生较大差异。

5) 人员密度设计值与实际情况存在较大差异。比如，远机位候机区与近机位候机区人员密度差异明显。航空公司出于成本控制的考虑和机场发展政策的导向，远机位候机区人员十分密集，并持续有乘客排队登机，指廊候机区域则人员相对少。此类机位分配的问题在设计阶段无法预料，而无差异化末端设计模式不能完全适应实际运营的要求。

6) 实际运行中，新风机组并不是一直开启。一方面，对于空气质量较差地区，新风机组过滤材料消耗快，导致成本增加，运维人员往往会选择关闭新风机组；另一方面，对于冷负荷较大地区，高温时段、航班延误旅客滞留时段，为保证室内参数，运维人员会关闭新风机组，加大空调机组送风量。

7) 后期装修等不可控因素导致实际工况与设计工况差异较大。例如表1中E航站楼的商铺采取的措施是由商户自行选择接入全空气系统或自行安装风机盘管。由于商铺的空调计费与运行时间无关，大多数商铺选择接风管，以节省运行费用。商铺自行安装的风管不设置调节措施，风路平衡性较差，各风口送风不均匀的情况很明显，远端的风口甚至基本无风。另外商铺的装饰性构件有遮挡公共区域送风口的情况。因此应在今后设计中注意合理分区、独立控制，以减少后期改造对系统的不利影响。

8) 空调控制系统的施工与设计不匹配，使得自控系统的可用性差，导致实际运行并不节能。与普通建筑不同，航站楼空调系统的控制分为三部分：一是航站楼内的末端设施设备，二是冷热源设备，三是空调系统的自动控制平台。航站楼的自控系统主要关注航线、航班动态，空调自控系统的优先级非常低。

9) 自控系统需要针对能源系统、末端系统等进行协同控制，每个系统相对独立控制并不能达到良好的使用体验和节能效果。表1中D航站楼采用温湿度独立控制系统，但原有能源系统控制与末端相独立，能源侧看不到末端的数据，无法了解末端的实际需求，运行人员根据经验猜测末端的需求，或者以制冷机节能为出发点进行控制，与航站楼的实际需求存在偏差。后建立空调协同控制系统，涵盖了能源和水输配系统，可实现冷源和水泵设备的远程控制、各支路的供回水温度和压力及空调末端设备运行状态的监测，但仍未覆盖末端设备。

3 结语与展望

从以上分析可以看出，航站楼空调末端系统的设计受气候、能源等客观条件的影响，但更多地还是取决于设计的合理性及自控系统的有效性。

除严寒地区的冷负荷明显偏小外，其他地区现有航站楼空调末端系统设计负荷并未显示出明显的气候区相关性。随着建筑节能技术的发展，航站楼设计冷负荷呈现下降趋势，但个体差异依然较大。这说明航站楼空调负荷很大程度上取决于设计的主观因素即建筑本身，比如航站楼的规模定位、建设年代、设计客流量，所参考设计标准及所采用的空调技术合理性等。

在近10年的航站楼空调末端系统设计中，高大空间(出发大厅等区域)中空调末端系统形式主要以全空气系统为主。对于过渡季较长、气候较温和的地区，自然通风是一种辅助空调方式，航站楼的空调设计冷负荷低于同地区的平均值，具有一定的节能效果。除严寒、寒冷地区外，由于冬季热负荷较大，航站楼基本都采用地面辐射供暖和散热器供暖形式，同时玻璃幕墙附近设置地面散流器，其他地区供冷/热末端形式基本相同。航站楼的规模定位、建设年代、设计客流量等因素对末端空调形式的选择并没有明显的影响。

尽管各航站楼空调末端形式趋同，但由于建筑内空间结构差异较大，气流组织形式差异较大。调研结果显示，目前设计中存在局部气流组织不合理、温度梯度大、空调系统冷/热工况的切换方式对气流组织的影响较大等问题。因此需要进一步构建高效气流组织形式，重点研究适合各类热舒适需求的送风口安装位置、高度及送风方式，空调系统冷/热工况的切换方式，合理改变气流组织，降低热压作用和温度梯度，以满足供冷和供热的需求。

合理确定航站楼供冷/热空调末端系统的负荷是构建高效空调末端系统的基础；合理确定设计工况、减少实际运行过程中的差异对空调末端系统的影响是实现空调系统高效运行的重要环节。

调研结果显示，现有航站楼空调末端系统实际运行工况与设计工况存在较大差异。因此在今后设计中应重视和充分考虑航站楼内各区域人员密度及其波动性、空调系统的冷热源及末端系统形式的匹配、近远期航站楼旅客吞吐量发展趋势的适应性，瞬时负荷波动的影响、渗透风的影响及作用规律等问题。

自控系统的实际运行效果和可靠性分析需要进一步深入研究。目前的航站楼建筑空调末端系统中，绝大部分采用的是传统的一次回风全空气系统。而温湿度独立控制系统作为一种较先进的暖通空调技术形式，节能性好，但由于实际运行中控制策略的复杂性较高，应用并不广泛。因此，应进一步研究辐射末端(辐射板制品、辐射楼板)和分布式干工况空调机组的设置方法、设置容量、调控方式等技术应用问题；同时，分析低位送风末端方式(不切换)对冷热供应的适应性和实施可行性，以构建适合航站楼建筑高大空间的温湿度独立控制空调系统。