航站楼建筑空调负荷特征及影响因素分析*

北京市建筑设计研究院有限公司 董俐言 杨彩青 张 杰 祁 峰

0 引言

航站楼建筑作为公共交通的重要功能性建筑，与人们日常生活密切相关，并且随着航空运输业的发展和经济社会的进步而不断演变[1]。《全国民用运输机场布局规划》计划2025年形成京津冀、长三角、珠三角三大世界级机场群，北京、上海、广州、成都、昆明、深圳、重庆、西安、乌鲁木齐、哈尔滨等10个国际枢纽，以及长春、太原、兰州、贵阳、厦门等29个区域枢纽[2]。航站楼建筑在体量、构造、功能等方面均有别于一般公共建筑，其空调负荷也具有独特的特征。因此，空调负荷特征及影响因素的研究对航站楼建筑空调系统的优化设计及运行调节都有重要的指导意义。

1 研究方法

民用运输机场根据其定位、规模及航线特征，可分为枢纽机场、干线机场和支线机场[3]。不同规格机场的航站楼在建筑规模和设计吞吐量等方面存在较大差异，逐一研究不同规模航站楼的负荷特征将会带来巨大的工作量。

图1显示了寒冷地区某机场T1、T2航站楼在2016年供冷季中逐日耗冷量与室外日平均温度的关系。其中，T1航站楼建筑面积7.8万m2，T2航站楼建筑面积33.6万m2，二者体量差异较大。由图1可见，T2航站楼的日耗冷量明显高于T1航站楼，而二者的单位面积耗冷量指标则较为接近。因此，以某一航站楼为对象，研究航站楼建筑的空调负荷特征及影响因素，对于其他不同体量的航站楼建筑也有一定的参考价值。

图1 寒冷地区某机场航站楼耗冷量分布

1.1 研究对象及设计参数

选取严寒地区(C区)某干线机场航站楼为研究对象，该航站楼建筑面积12.8万m2，设计吞吐量1 100万人次/a，平面呈“人”字形布置，由主楼和3个指廊构成，效果图见图2。航站楼采用两层半的布局方式，其中2层主要功能为值机大厅、安检大厅和候机大厅，夹层为到港通道及中转设施，首层为行李提取大厅、迎客大厅、VIP候机区、远机位候机厅及后勤办公用房等。主楼剖面图见图3，指廊剖面图见图4。

图2 航站楼效果图

图3 主楼剖面图

图4 指廊剖面图

表1给出了航站楼各主要功能区域的室内设计参数。表2给出了围护结构热工参数，其中严寒地区的数据为项目设计参数，寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区各选取一座典型城市，围护结构热工参数参考GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》限值选取。

表1 室内设计参数

1.2 研究内容

1) 通过建立目标航站楼的模型，分析各气候区典型城市航站楼在设计工况下的冷热负荷构成，以及热负荷与室内得热的关系。本研究关注的是航站楼内人员活动区的负荷特征及设计参数选取对负荷的影响，暂不考虑厨房补风及设备机房温度保障所需的冷热量。为使计算结果具有更高的可比性和更广的适用性，均采用单位面积(空调区域计算面积)负荷指标的形式予以呈现。

表2 围护结构热工参数

2) 分析围护结构、室内设计参数、人员密度、新风量指标等因素对设计工况冷热负荷的影响程度，参数的调整范围以表1和表2中的设计工况为基点，结合航站楼设计现状及相关研究进展进行选取。

3) 基于负荷特征及负荷影响因素的分析，针对航站楼建筑常见的冷热源(无蓄能的常规冷热源)设备容量偏大、末端设备能力不足的现象，从客流分布和渗透风现象等角度出发，探讨航站楼建筑系统负荷与末端负荷的差异。

1.3 研究方法

1) 现场调研与文献调研相结合。对多座航站楼建筑进行现场调研，了解其室内热舒适现状及耗冷量、耗热量水平；查阅设计资料和相关文献，掌握近年来航站楼主流的设计参数范围。通过现场调研和文献调研工作，为发现问题、分析问题奠定基础。

2) 定量分析与定性分析相结合。负荷特征及影响因素的研究采用定量分析的方法，选用HDY-SMAD 4.0版空调负荷计算软件对不同气候区设计工况下的冷热负荷进行计算，采用敏感性分析法研究各因素对空调负荷的影响，在调整某一因素的设置参数时，其他参数保持设计工况不变，直观体现该因素对空调负荷的影响程度。系统负荷与末端负荷的差异则采用定性分析的方法，基于调研中发现的问题，结合工程经验，阐述计算负荷与冷热源设备、末端设备容量之间的关系。

2 航站楼空调负荷构成

基于如前所述的模型和参数进行计算，得到各气候区典型城市设计工况下的冷热负荷指标，如图5所示。由图5可见，除温和地区外，其余气候区的冷负荷指标水平相当，均在110～125 W/m2范围内，热负荷指标明显呈现出严寒地区>寒冷地区>夏热冬冷地区>夏热冬暖地区的趋势，严寒地区热负荷指标高达132 W/m2，夏热冬暖地区热负荷指标仅为44 W/m2。温和地区的冷热负荷指标差异不大，均在70 W/m2左右，其冷负荷为各气候区最低，热负荷则处于中间位置。

图5 不同气候区冷负荷及热负荷指标

各气候区分项冷负荷指标计算结果见图6。人员负荷、照明负荷、设备及其他负荷不受室外气象参数的影响，因此不同气候区之间的冷负荷差异主要体现在围护结构负荷和新风负荷上。由图6可见，温和地区的负荷特征与其他几个气候区差异较大，除温和地区外，其余气候区的围护结构负荷与新风负荷之和比较接近。围护结构负荷指标：严寒地区>寒冷地区>夏热冬暖地区>夏热冬冷地区，新风负荷指标：夏热冬暖地区>夏热冬冷地区>寒冷地区>严寒地区，二者大致呈相反的趋势，这一现象的出现是由于新风负荷由室内外空气比焓差决定，而围护结构负荷受室内外温差和太阳辐射两方面因素影响，并且该航站楼建筑除首层外墙之外，大部分采用玻璃幕墙，尽管航站楼的挑檐对自身形成了遮挡(如图3和图4所示)，但太阳辐射仍是围护结构冷负荷的重要组成部分。

图6 各气候区冷负荷指标

严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区围护结构负荷中辐射负荷与传热负荷的对比见图7，可见不同气候条件下，太阳辐射得热在围护结构负荷中的占比也有差别。夏令操等人的研究表明，对于寒冷地区的航站楼建筑，考虑建筑遮挡的遮阳效果，围护结构最大冷负荷比不考虑遮阳时降低20%左右[4]。

图7 围护结构冷负荷构成

各气候区冷负荷构成比例见图8，不同气候区的分项负荷占比有差别。温和地区由于其气候的特殊性，冷负荷以室内热扰为主，人员负荷占比最高，约为38%，人员、照明、设备等内扰占总冷负荷的70%；其他各气候区的冷负荷构成有一定相似性，围护结构负荷与新风负荷之和占总冷负荷的60%左右，围护结构、新风、人员负荷共占总负荷的80%以上。

图9给出了各气候区热负荷及冬季得热构成。冬季工况下，为满足室内热环境高保障性的要求，计算热负荷时未考虑太阳辐射及人员、灯光、设备等得热的折减，因此热负荷仅由围护结构传热负荷和新风负荷两部分组成，负荷的高低主要由室内外温差和比焓差决定，因此新风热负荷、围护结构热负荷与总热负荷呈现出一致的变化趋势。而新风热负荷与围护结构热负荷的比例则有差别：严寒地区和寒冷地区的新风热负荷比例最高，达60%以上；夏热冬冷地区和温和地区新风热负荷与围护结构热负荷相近；仅夏热冬暖地区的围护结构热负荷高于新风热负荷。

图9 不同气候区热负荷及冬季得热构成

实际上，太阳辐射和各项内扰得热对热负荷有一定抵消作用，各气候区冬季得热量指标比较接近，都在75～95 W/m2范围内，严寒地区和寒冷地区的得热量低于热负荷，夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区的得热量高于热负荷。尽管设计工况下冬季得热量很高，但不宜据此对系统热负荷进行大量折减。因为太阳辐射得热受昼夜更替的限制和天气变化的影响，人员散热量与客流波动相关，灯光和设备的散热量则相对稳定，折减部分内区的灯光和设备散热量在理论上是可行的，在工程应用中则需要进行细致的定量分析。

3 负荷影响因素分析

从以上负荷分析结果可以看出，围护结构负荷、新风负荷和人员负荷是空调负荷的主要组成部分，本章分析围护结构、室内设计温度、人员密度和新风量等因素对空调负荷的影响。由于后勤办公区与旅客活动区相对独立，其层高、内扰、作息等特征更接近常规办公建筑，而贵宾休息区虽属于旅客活动区，但热舒适需求与其他区域差别较大，因此在分析负荷影响因素时，暂不考虑后勤办公区和贵宾休息区，仅关注值机大厅、候机大厅、到达大厅等常规旅客活动区，以及与之相连通的商铺和餐饮区域。

3.1 围护结构

围护结构对负荷的影响包括体形系数、窗墙面积比、传热系数及透明围护结构的太阳得热系数(SHGC)等多个方面。航站楼建筑体形通常比较规整，体形系数较小，MH/T 5033—2017《绿色航站楼标准》中规定严寒地区和寒冷地区的航站楼体形系数不应大于0.2[5]，并且体形系数对空调负荷的影响难以直接衡量；另一方面，为了获得良好的自然采光，营造舒适开阔的视觉环境，航站楼多采用大面积玻璃幕墙。因此，本研究暂不考虑对研究对象的体形系数和窗墙面积比进行调整，仅分析围护结构热工参数对空调负荷的影响。

由于围护结构种类多样，热工参数各不相同，故采用无量纲化的方式，在表2中表述的热工参数基础上分别优化5%和10%，以衡量围护结构对负荷的影响，结果如图10所示。可见，空调负荷与围护结构热工参数大致呈线性关系，将线段的斜率称为影响因数，影响因数越大，表示围护结构热工参数对负荷的影响越大。

围护结构对冷负荷的影响因数范围为0.22～0.37，对热负荷的影响因数范围为0.37～0.58，即围护结构热工参数对热负荷的影响大于对冷负荷的影响，这是因为设计工况(夏季26 ℃，冬季20 ℃)下，冬季室内外温差大于夏季(见图11)，围护结构负荷在总热负荷中的比例比在冷负荷中的比例高。而不同气候区中围护结构负荷占总负荷的比例不同，因此围护结构对负荷的影响因数也略有差别，严寒地区冷负荷受围护结构的影响最大，热负荷中影响因数最大的是夏热冬暖地区。

图11 各气候区典型城市设计工况下的室内外空气温差

MH/T 5033—2017《绿色航站楼标准》规定：航站楼围护结构的热工性能指标宜优于GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》规定的限值5%及以上[5]。围护结构热工参数优化5%时，冷负荷可降低1%～2%，热负荷可降低2%～3%。

3.2 室内设计温度

除了人员、照明及设备的散热量与室内设计参数关联较小外，围护结构和新风的冷热负荷均受到室内设计参数的影响，其中围护结构负荷仅与设计温度有关，新风负荷则同时受温度和相对湿度影响。由于航站楼建筑对室内相对湿度的要求较为宽泛，因此本研究主要分析室内设计温度对空调负荷的影响。

相关文献表明，国内航站楼夏季室内设计温度多为24～26 ℃，冬季室内设计温度为18～22 ℃[4,6]。朱颖心等人对不同气候区、不同人员活动水平下各功能区域的操作温度给出了建议值[7]。

由于本研究计算所选取的温和地区典型城市夏季空调室外设计干球温度为26.2 ℃，与室内设计温度非常接近，故分析室内设计温度对冷负荷的影响时暂不考虑温和地区。

计算结果见图12。可以看出：各气候区冷负荷受室内设计温度影响的程度非常接近，室内设计温度每升高1 ℃，冷负荷降低4%～5%；热负荷则呈现出较大的差异，总体而言，总热负荷越小、围护结构传热系数越大的地区，围护结构热负荷占比越高，室内设计温度对热负荷的影响越显著。室内设计温度每降低1 ℃，夏热冬暖地区热负荷降低约10%，夏热冬冷地区及温和地区热负荷降低约6%～7%，寒冷地区和严寒地区热负荷分别降低约4%和3%。

根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第3.0.2条及其条文说明，机场航站楼属于人员短期逗留区，室内设计温度可比长期逗留区放宽1～2 ℃。与航站楼建筑中其他功能区域相比，候机大厅中人员的停留时间相对较长，可将候机大厅视为人员长期逗留区，其他旅客活动区视为人员短期逗留区，为航站楼不同功能区域选择不同的室内设计温度，在保障人员热舒适的前提下降低空调负荷。

3.3 人员密度

人员密度对冷负荷的影响包括人员负荷和新风负荷两部分，对热负荷的影响则全部为新风负荷。由图7和图9可见，各气候区人员负荷和新风负荷之和占总冷负荷的比例为45%～60%，与新风负荷在总热负荷中的占比相近。因此人员密度是空调负荷的重要影响因素。目前机场主要旅客活动区的设计人员密度多取4～6 m2/人[4,6,8-9]。

不同功能区域人员密度变化对负荷的影响见图13，拟合的趋势线为敏感度最高和最低的2个气候区，其余气候区则处于二者之间。可以看出，不同气候区之间人员密度对负荷的影响程度有一定差异。冷负荷受人员密度影响最大的是夏热冬暖地区，最小的是严寒地区；热负荷受人员密度影响最大的是严寒地区，最小的是夏热冬暖地区。

a 候机厅及餐饮零售 b 迎客大厅

c 值机大厅 d 安检大厅

“m2/人”是设计工作中常用的人员密度表达方式，对于一定面积的区域或建筑，人员密度每变化1 m2/人，研究对象内总人数的变化是非线性的，因而图13中各区域的冷热负荷与人员密度也呈非线性关系。将人员密度的量纲由“m2/人”折算成“人/m2”后，可知人员密度每增大0.1人/m2，负荷增加约15%～20%。

3.4 新风量指标

新风负荷是空调负荷的重要组成部分，其数值的高低受到人员密度、新风量指标及室内外空气比焓差的影响。人员密度对负荷的影响已在第3.3节中进行了讨论，对于任一具体工程，当室内设计参数确定后，即可得到设计工况下室内外空气的比焓差。

各气候区典型城市设计工况(夏季26 ℃/55%，冬季20 ℃/30%)下室内外空气比焓差见图14。严寒地区、寒冷地区和温和地区典型城市的冬季室内外空气比焓差大于夏季，其中严寒地区冬夏季室内外空气比焓差的差异最大，差值高达37.7 kJ/kg，夏热冬暖地区冬季室内外空气比焓差小于夏季，这一结论与第3.3节中人员密度变化对冷热负荷的影响趋势一致。夏热冬冷地区冬夏季室内外空气比焓差的差异最小，差值仅为6.5 kJ/kg，对于该气候区的其他城市，或当室内设计参数改变时，可能出现冬季室内外空气比焓差大于夏季的情况。

图14 各气候区典型城市设计工况下的室内外空气比焓差

由图14还可以看出，设计工况下温和地区夏季室内外空气比焓差仅为3.7 kJ/kg，因此在制冷季的夜间及过渡季存在大量室外空气比焓低于室内的情况，充分利用自然通风可以缩短制冷机运行时间，降低冷源设备和输配系统的能耗，若采用机械通风手段加强空气流通，则会增大末端风机能耗。此部分内容有待下一步深入研究。

新风负荷与新风量指标呈正线性相关，即新风量指标越高，新风负荷和总负荷越大。设计工况下室内外空气比焓差越大，单位新风量的负荷越大，新风量指标对负荷的影响就越大；新风负荷在总负荷中的比例越高，新风量指标对负荷的影响也越大。

文献[10]对航站楼内各区域新风量指标的设计值进行了调研，结果表明旅客活动区的新风量指标大多集中在15～25 m3/(人·h)。研究对象设计参数中餐饮区域的新风量指标与其他区域稍有差别(见表1)，为便于结果的对比分析，在计算不同新风量指标下的冷热负荷时，将各功能区域的新风量指标设置为相同的数值，仍以设计工况下的负荷作为100%的基准值。计算结果见图15，人均新风量指标每增大5 m3/(人·h)，冷负荷升高2%～10%，热负荷升高10%～15%。

新风的设置主要是为了满足室内人员的卫生需求，以CO2浓度作为其衡量指标。多个航站楼室内环境调研结果表明，航站楼内的CO2浓度普遍较低，即使在过渡季新风不开启的情况下，室内的CO2体积分数仍未超过1 000×10-6，这表明航站楼中存在过量的新鲜空气，因而从这一角度来说，机械新风量宜根据各区域所处的位置和使用功能灵活设置，例如，值机大厅、到达大厅等与室外多开口连通的区域可设置较低的新风量指标，航站楼内区及候机厅等可能因航班延误造成人员聚集的区域，可按人均新风量标准设置。

4 系统负荷与末端负荷的差异

对多个机场航站楼的现场调研发现，能源站的冷热源设备通常处于部分负荷运行的状态，甚至出现设备闲置的现象，而与此同时，又存在夏季顶层过热或冬季底层过冷等室内热环境不满足设计要求的情况。除了受高大空间热压造成的竖向温度梯度影响外，也在一定程度上说明了冷热源设备容量和末端设备容量均与实际需求存在差异。

前文所分析的负荷特征和影响因素均针对设计条件下的建筑计算负荷，按照设计计算负荷直接确定冷热源设备容量和末端设备容量显然是不适宜的，应进行适当的修正或附加。将用于确定冷热源设备容量的负荷称为系统负荷，系统负荷反映的是建筑整体对总冷热量的需求，对于常规公共建筑(如办公建筑)的冷热源系统而言，系统负荷约等于设计计算负荷；用于确定各末端设备容量的负荷称为末端负荷，总末端负荷相当于各区域负荷的累计最大值。

由于蓄能系统的冷热源装机容量需要根据负荷曲线、蓄能率、能源价格等因素综合确定，通常小于建筑设计负荷(即设计工况下的计算负荷)，本研究暂不考虑蓄能系统的能源设备容量设计，仅讨论常规冷热源系统负荷与末端负荷之间的差异。

4.1 客流分布

人员流动性和客流分布的不均匀性是航站楼等交通建筑的一大特征，航站楼内的人员流动比常规公共建筑大得多，总体而言，分为旅客出发流程和旅客到达流程。出发流程中，旅客进入航站楼后，依次经过值机大厅、安检大厅、候机大厅，直至登机；到达流程中，旅客经由到港通道，经过行李提取厅和到达大厅离开航站楼。由于出发流程和到达流程的时序性，各个区域的人员密度不会在同一时刻达到高峰值。李凌杉等人对西南地区某枢纽机场航站楼值机区域与候机区域的人员密度进行了研究，结果表明：航站楼各典型功能区域的人员密度调研结果与其设计值较为接近，但各区域实际总人数与设计总人数之间存在显著差异[11]。

另外，航站楼内客流高峰出现的时间与室外气象参数最不利的时刻未必重合。文献[11]调研得到的客流峰值在早上，而夏季室外温度最高、太阳辐射最强的时刻通常为14:00左右，冬季室外温度最低的时间则是凌晨。

末端设备容量需满足各功能区域的负荷峰值，并适当考虑航班延误等特殊情况造成的人员聚集，在冷热源设计时可考虑一定的同时使用系数，以降低能源设备的冗余度。

4.2 渗透风

航站楼属于跨层连通、不同高度多开口的高大空间，热压作用显著。模拟和实测结果表明，冬季和夏季均存在相当可观的渗透风量，并以冬季为甚，甚至远远超过设计新风量[12]。因而渗透风会造成大量的冷热负荷，而在目前的航站楼设计中，渗透风的影响尚未被纳入负荷计算中。

第3.4节分析指出，渗透风的存在使得出于卫生需求考虑的机械新风量有降低的可能性，而当室外空气质量较差，如PM2.5超标时，为保障室内人员的健康，仍需采取机械新风的方式。

建议在冷热源设备选型时适当折减与室外多开口连通区域的新风负荷，以降低设备容量；而在末端设计中，满足设计人均新风量指标之余，宜对渗透风负荷予以一定的考虑，以保障局部区域的舒适性。

5 结语

本文通过分析不同气候区典型城市航站楼建筑空调负荷的构成及各主要因素对负荷的影响，得出以下结论：

1) 围护结构负荷、新风负荷和人员负荷是空调负荷的主要组成部分，除温和地区外，其他各气候区的冷负荷指标水平相当，均为110～125 W/m2，围护结构负荷与新风负荷之和占总冷负荷的60%左右；热负荷明显呈现出严寒地区>寒冷地区>夏热冬冷地区>夏热冬暖地区的趋势，负荷指标差异较大；温和地区的冷热负荷指标差异不大，均为70 W/m2左右，冷负荷以室内热扰为主，人员、照明、设备等内扰占总冷负荷的70%。

2) 人员密度和新风量指标是对负荷影响较大的因素，人员密度每增大0.1人/m2，负荷升高约15%～20%；人均新风量指标每增大5 m3/(人·h)，冷负荷升高2%～10%，热负荷升高10%～15%；围护结构热工参数优化5%，冷负荷降低1%～2%，热负荷降低2%～3%；室内设计温度每升高1 ℃，冷负荷降低4%～5%，热负荷降低3%～10%。

3) 系统负荷和末端负荷之间存在一定差异，建议综合考虑客流波动、渗透风的影响等因素，慎重确定冷热源设备的装机容量和末端设备的选型。

受时间所限，本研究存在一些不足之处，后续将进行更为深入的研究：

1) 本研究关注的是设计工况下的空调负荷特征及影响因素，后续研究可对客流波动和渗透风等因素对设计负荷的影响进行定量分析，优化负荷计算及系统设计，并面向全年动态负荷，为空调系统的运行调节提供参考。

2) 本研究仅分析了各个因素作为单一变量对空调负荷的影响，未纳入各因素之间的相互作用，后续可综合考虑各因素对负荷的影响，深入开展空调负荷的敏感性分析。