绿色航站楼设计策略浅析

2021-12-16谭志文陶庸王贤明

建筑热能通风空调 2021年10期

谭志文陶庸王贤明

1 中衡设计集团股份有限公司湖南分公司

2 湖南省建筑科学研究院有限责任公司

航站楼作为旅客空陆交通的集散中心，人流大，运营长，能耗高。绿色航站楼指在全寿命期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境、减少污染，满足适用、高效、便捷、人性化要求的航站楼[1]。本文分别从被动式与主动式设计策略出发，对绿色航站楼的设计进行探讨。

1 航站楼绿色设计的作用与效果

1.1 节约能耗

据统计，旅客吞吐量千万级以上的10 个机场航站楼的年能耗平均值为257 kWh/m2，最低值为170 kWh/m2，最高值达到566 kWh/m2，远高于一般办公类建筑约100 kWh/m2的年均能耗水平。因此，航站楼具有巨大的节能潜力[2]。

目前，国内外主要通过加强机场能耗监控与优化照明、暖通空调系统等主动技术对航站楼的能耗进行控制，已取得了一定的节能效果。洛杉矶汤姆·布拉德利国际机场航站楼通过运用高效感应照明系统与供暖、通风和空调（HVAC）的自动重设温度功能，在不影响乘客舒适度的情况下实现能效最大化，取得了年节约20%的能源、节省数千万美元的成效。上海虹桥机场综合运用能耗控制措施，公示期各年度单位客货运能耗分别为9.91、11.85、8.79tce/万人，低于指标数的13%～44%[3]。北京大兴国际机场航站楼通过“减少、替代、提升”三步绿色实施路径，重点从建筑围护结构、暖通系统、设备与照明、可再生能源利用、自然采光、自然通风、非传统水源利用、室内环境等方面进行综合优化提升。据推算，该机场航站楼比同等规模的机场航站楼能耗降低20%，年均减排二氧化碳2.2 万t，相当于种植119 万棵树[4]。

1.2 改善室内舒适度及人性化设计

航站楼是机场航空重要的交通枢纽，良好的室内环境与完善的人性化设计可有效改善使用者的舒适度。研究表明，人有亲近自然的本能。因此，改善室内环境的方法通常都以与自然环境相融合或模拟良好的自然生态群落为目的。

国外，慕尼黑机场航站楼设计将室内外景观与航站楼设计良好地结合在一起，有效地将自然环境融入航站楼内部，同时配有迷你高尔夫球场、SPA、电玩、咖啡厅等人性化服务设施，为使用者提供了良好的室内舒适度与人性关怀感受。新加坡樟宜机场一直是将自然生态环境与人性化关怀结合，将机场的运营设施与顾客休闲体验巧妙地结合起来，“让机场有家的感觉”[5]。国内，北京国际首都机场T3 航站楼结合大空间开敞化设计，充分运用了自然采光与通风，结合室内绿化布置，同时将人性化流线安排与服务设施结合设计，成为国内舒适度最高的航站楼之一。

2 绿色设计策略

2.1 被动式策略

航站楼被动式策略主要包括：自然采光、自然通风、遮阳设计、室内生态景观设计四个部分。

2.1.1 自然采光

航站楼自然采光设计的基本策略为通过采光天窗、增加侧窗采光面积以引入自然光源，再结合反光板、智能云片等附加设施对自然光进行有效调节，防止眩光，形成良好的室内光环境。

国外已较好地将自然采光与智能化系统设计结合。美国加利福尼亚州的圣何塞机场航站楼离港大厅于采光天窗下面设置了大量由聚碳酸酯瓷砖制成的智能云片，每隔20 s 智能云片可通过实际天气数据的读取与智能操纵系统实现白色与透明之间的转变，以提供舒适的室内自然光环境。

国内航站楼自然采光技术已有一定的发展，但与智能化系统的结合有所欠缺，控制的实时性有待提高。郑州新郑国际机场T2 航站楼通过天窗射入的自然光线经由遮阳板散射后进入室内，遮阳板可阻隔多余阳光的入射，并将自然光扩散至整个离港大厅空间，内部形成全漫射光环境。北京大兴国际机场航站楼内60%的区域可以实现天然采光（图1），8 根巨大的C 型柱既是支撑的构件，又是室内采光的窗口。同时，在每条指廊的顶面铺设一条带状天窗，贯穿整个600 m 的五条指廊，既能为室内引入足够的光线，也能为旅客指引方向[4]。贵阳龙洞堡国际机场T2 航站楼在结合侧窗在大厅顶部设置长条状树叶形天窗以保证室内的良好采光[6]。

图1 北京大兴机场室内采光带与C 型柱一体化设计

2.1.2 自然通风

自然通风能为航站楼引入室外新鲜空气，提高室内空气质量。同时，能有效增加室内通风量，减小机械通风的负荷与能源消耗。较为常用的策略为增大进风口与出风口的高差与增设中庭两种方式。

1）增大进、出风口高差

增大进风口与出风口高差为常用的增加室内风压通风的策略，在国内、外航站楼设计中运用较为普遍。建议可充分利用计算机软件模拟，精确开窗位置与相应的面积比例，对室内通风环境有较为准确的估量。昆明长水机场航站楼针对不同的区域进行自然通风设计，在陆侧航站楼采用底层幕墙开窗与屋顶可开启天窗相结合的方式，并在进风口处设计陆侧绿化、水体景观以为室内提供新鲜空气。上海虹桥国际机场T1航站楼改造（图2），为加强和促进室内自然通风，利用计算机软件充分进行精细化性能分析与辅助设计，大大提高了航站楼的自然通风性能[7]。

图2 上海虹桥国际机场T1航站楼自然通风设计与分析

2）中庭

由于航站楼均有较大的层高与较多的室内大空间，合理增设中庭能有效加剧室内的烟囱通风效应。新加坡樟宜机场通过设置绿色中庭，与屋顶的采光天窗、雨水汇水区完美结合，结合雨水的蒸发冷却作用，美化环境的同时有效地促进了室内的自然湿冷通风（图3）[5]。云南腾冲驼峰机场航站楼将大面积玻璃窗开向纵穿的绿化中庭，结合适量的天窗与侧窗开启，且将南面庭院下沉引入四季主导的西南风，有效提升了室内换气效率，降低了运营成本。

图3 新加坡樟宜机场绿化中庭

3）遮阳设计

航站楼遮阳设计不仅能减少夏季室内能耗，而且能有效提高室内舒适度。遮阳设计应结合参数化模型，根据当地气候条件与夏季太阳高度角，设计有方向选择性遮阳，常采用高性能幕墙、玻璃中置遮阳与外遮阳相结合的方式。相较于国外先进控制技术，国内遮阳设计欠缺系统化、可变智能控制，对遮阳效果产生一定的影响。

新加坡樟宜机场屋面的天窗与遮阳板、反光板相结合，以阳光入射角度与日照强度为依据，通过智能建筑控制系统（EIB/KNX）对遮阳板与反光板的角度进行调节，遮挡夏季太阳辐射的同时为室内提供最佳的自然照明效果（图4）。

图4 新加坡樟宜机场室内遮阳反光板

国内，上海虹桥国际机场T1 航站楼南、北立面玻璃幕墙设置宽度为400 mm、间距为300 mm 的铝制水平遮阳百叶，天窗上方设置垂直外遮阳百叶，同时根据不同采光要求分别设置遮阳型与高透型Low-E 中空玻璃。郑州新郑国际机场T2 航站楼采光材料采用3 mm 厚穿孔率为20～50%的穿孔铝板作为反射遮阳板，表面氟碳喷涂，由不锈钢或铝合金龙骨吊挂于采光天窗下方。同时，反射遮阳板采用三维可调节系统，以自身对角线为轴随屋面曲线渐变转动并统一于简洁的整体形态中（图5）。

图5 郑州新郑国际机场T2航站楼室内天窗下设穿孔铝板

4）室内生态景观设计

合理的绿化能有效净化室内空气，改善微环境。国外，室内绿化的技术较为成熟，因此航站楼室内生态景观设计已较为完善，具有较大的借鉴价值。新加坡樟宜机场依据当地气候设计了完善的室内绿化体系，选择了丰富的植物种类，将立体绿化与平面绿化设计结合，于大体量公共空间内布置立体绿化墙，以藤本攀岩植物为主。平面则采用复层绿化种植，选用适合于新加坡生长的本土植物，如棕榈、蕨类植物，形成了类似植物园的室内空间，构成了良好的室内环境和生态效益，使其成为不仅是交通枢纽，而且还是“游客必去的旅游胜地”[5]。加拿大在埃德蒙顿国际机场中设置了活体植物生态墙壁，将线性混凝土与自然山水良好地融合。

国内，室内生态景观设计起步较晚，多以可移动式点状或小型带状为主，未形成规模或统一规划。深圳宝安机场B 航站楼旅客候机区内外共有植被26处，在种植花卉与地被植物的基础上增加了中东海枣和桫椤等大型物种，芭蕉树、棕榈树与值机柜台平行（图6），使整个航站楼氧气含量大量提高，但未形成统一的体系，生态作用有待提高。

图6 深圳宝安机场B 航站楼绿化布置示意图

2.2 主动式策略

2.2.1 空调系统优化设计

航站楼所有能耗中，通风，空调和照明大概分别占能耗的80%、20%。同时，航站楼建筑围护结构运用了大量的玻璃幕墙，玻璃采光与落地玻璃窗，导致冷热负荷大量增加。因此，高效的空调系统优化设计能有效节约能耗。空调系统的优化设计主要包括了冷热源、输配系统及空调末端三方面内容。目前，我国的空调系统设计已有较为先进成熟的设计方法，可为航站楼设计提供有利参考。

1）冷热源方式

航站楼冷热源设计建议采用冷热电三联供系统、电制冷系统、冰/水蓄冷系统三种方式。设计时应根据不同的空间需求，与相应的冷热源方式相结合，达到系统能源利用的最优效率。

揭阳潮汕机场航站楼依据不同的功能空间需求，设计了三种冷热源方式[8]。冷源1 采用制冷量为3692 kW 的水冷离心式冷水机组2 台和制冷量为2286 kW 的水冷离心式冷水机组1 台，装机总容量为9670 kW，主要服务于仅提供夏季供冷的航站楼。冷源2 采用冷暖型风冷智能多联空调系统，配置于长年需要确保空调的重要房间，如头等舱、贵宾室、母婴候机室等，空调总面积约为5057 m2，装机总容量为1206.5 kW。冷源3 为单冷型风冷智能多联空调系统，用于登机桥固定端、弱电间、弱电控制中心，其中登机桥固定端共设置13 套多联空调机组，总制冷量518 kW，根据航班的出发或到达情况选择是否开启相应的登机桥固定端空调，以节约能耗。

2）输配系统

航站楼输配系统设计建议采用变频技术对风机、水泵进行转速调节，降低风机、水泵在部分负荷时的能耗。利用控制调速代替挡风板对空调出风风速的调节，合理的控制室内温度，有效减少了挡风板对出风口造成压力使风机负荷增大而加剧能源消耗的现象。利用变频技术控制水泵的转速，避免定频水泵在部分负荷时“大马拉小车”造成能耗浪费现象，具有较高的节能效益。

邓祺、刘新民对上海虹桥国际机场T2 航站楼空调冷水系统设计思想，控制方式和实际运行工况进行辨别分析指出以各换热站的三次水系统之间水力解耦和减少相互干扰等因素的考虑而选择的共有管解耦直接供冷系统设计方案，提出共有管反向流量产生的弊端、最不利环路压差控制策略存在的缺陷的不同观点。强调任何以牺牲用户侧服务质量为代价换取系统水力平衡的设计思维都不值得鼓励[9]。

3）空调末端设计及控制策略

国内航站楼全空气空调系统技术运用较为成熟，运行稳定可靠，但末端电耗占所有能耗的40%以上，甚至超过了能源中心。因此，建议采用热回收技术、分层空调控制与调节供水温度设定值以及过渡季节全新风运行方式以减少空调末端能耗。

李灿等人提出在航站楼空调系统中采用排风余热回收技术，夏季利用热回收装置对空调排风和室外进风进行热交换，通过室外自然风的温度来降低空调出风口的温度。冬季，通过空调出风口的热交换装置对相邻管道进行加热，将排风口余热重新回收并加以利用，使航站楼室内温度高于室外温度，以达到调节室内温度的目的[10]。

昆明长水国际机场航站楼值机大厅最低处高15 m，最高处达到38 m，采用分层空调系统，仅对室内下部人员活动区进行空气调节，避免能量浪费。张旭豪等人提出供水温度设定值优化控制策略，将供水温度由常规的7 ℃设定为9 ℃，达到8.4%的节能效果，将供水温度实时调控可节能11%。

2.2.2 智能照明

航站楼智能照明设计可适当结合综合布线系统网络，降低控制成本。同时，照明控制支线与场景设计应尽量细化，以提高照明利用率，其中场景设计可按天气、工作情况等不同照明体系进行分类，以便进行统一末端控制。

迪拜国际机场安装了DALI 模块与调光模块达到LED 灯与荧光灯的智能开关与控制。安装HDL48 路DMX 场景控制器以实现灯光的颜色与亮度控制。工作人员可通过智能触控面板直观控制照明设备。我国的昆明新机场航站楼智能照明系统隶属于楼宇自控系统设计，于相应区域设置照度传感器，通过现场照度实测值与设计值进行比较控制。同时于大型公共空间如公共卫生间、机电管廊等设置手动控制末端，已实行人性化控制。

较国外先进水平，我国航站楼智能照明设计对灯光控制仅限于是否开关，缺乏对亮度、柔和度、色彩等更为精细的控制，因此有较大的发展空间。

2.2.3 可再生能源利用

航站楼可再生能源利用主要指利用太阳能光电或光热设施将太阳热辐射能源转换为热能或电能，可有效减少用电能耗与碳排放量。航站楼体量一般较大，具有大面积的屋顶与立面，为太阳能集热板的布置提供了有利条件。可将光电板结合屋顶花园布置或局部设置于玻璃幕墙上，同时，为了不让太阳能设施影响采光或通风，可增设相应的辅助措施，如智能调节反光板。

国外在太阳能较为丰富的地区，常采用太阳能光电系统。芝加哥奥黑尔机场航站楼屋顶将太阳能光电板与屋顶花园结合布置，降低热岛效应3-7 ℃，减少空调能耗约10%，降低室内噪声40 dB(A)。新加坡机场第三航站楼采用了日光屋顶，同时919 片反光板可让阳光直接照进室内。意大利厄尔巴机场光伏屋顶产能量155000 kWh/d，为机场提供全部电能的同时将剩余电能出售给供电局以创造收益。

目前国内有较多航站楼采用了太阳能利用设施，取得了一定的节能效果。但是从太阳能发电利用率与设施艺术处理上考虑，国内航站楼的太阳能利用仍存在一定的局限。广州新白云国际机场T2 航站楼基于广州丰富的太阳能资源，运用了太阳能加热泵热水与光伏发电系统，太阳能热水用量占建筑生活热水消耗量的72%。上海虹桥机场航站楼采用光伏建筑一体化设计，年发电量277 万kWh。北京大兴国际机场创造性的将景观湖区作为集中埋管区，通过耦合设计实现地源热泵与集中燃气锅炉系统、锅炉余热回收系统、常规电制冷、冰蓄冷等的有机结合，形成稳定可靠的复合式系统，集中解决了周边规划面积近250 万m2建筑的供热需求，实现年减排1.81 万tce。通过建设地源热泵、太阳能光伏、太阳能热水三大可再生能源系统，实现可再生能源利用比例超额完成10%的既定目标[4]。

2.2.4 节水设计

航站楼节水设计主要包括节水器具运用与中水回用。前者主要目的为减少航站楼用水量，后者主要目的为增加用水来源，减轻了城市自来水供水系统的压力。

1）节水器具

航站楼应参照《节水型生活用水器具标准》（CJ164）全部采用节水器具。参照先进水平国家的节水器具，如日本的超节水型便器，通过合理的S 弯管设计与国际先进的水箱配件实现单档冲水量平均在4.5 L 以下。由于航站楼为人流量较大的交通枢纽，建议采用避免人触摸的光电控制式水龙头和脚踏板式冲水开关。同时采用模糊控制原理将冲洗水量分为若干区间，根据使用时间、使用频率自动判断所需冲洗水量，可比以往系统节水约30%。在节水水龙头流量设计上，我国仍采用统一额定流量12 L/min；而国外已将流量设计细化，如新加坡洗手盆、淋浴额定用水为6 L/min、9 L/min。台湾的喷雾型洗手专用水龙头流量仅为1 L/min，能够有效的根据用水类型控制水龙头用水量。

2）中水回用

机场航站楼均有较大面积的开敞空间，提供了有利的雨水回收条件。同时，航站楼内用水量较大，可利用一定的处理方法收集雨水进行回用或将盥洗池等中水进行处理以进行绿化灌溉等杂用水和室内冲厕。

国外，尤其是欧洲，雨水利用技术先于我国，且发展较为成熟。法兰克福机场设置成熟的雨水收集系统，系统管网达200 km，可收集储存雨水10 万m3。新加坡樟宜机场每个月可以收集6.35 万m3雨水用于冲洗厕所和航站楼的空调水系统，一年可节省水费约39 万美元[5]。希腊雅典机场回收与再利用42.2 万m3的中水用于灌溉，且建立新的回收中心，回收率达到20%。

国内机场雨水利用的案例较少，但技术与环保收益不低于国外水平。深圳宝安机场T3 航站楼西侧设置有三个雨水回收池与一座雨水处理场，起到了防洪、防涝和全面解决T3 航站楼、生产运作部门办公以及附近商业区的非饮用水问题，且通过调节水池日生产中水7000 t。上海虹桥综合交通枢纽西航站楼收集机场机坪雨水，用于楼内空调机房冲洗，扫除和绿化浇洒用水，雨水量不足部分直接从机场周边的围场河抽取补充，每年可节约用水成本95.4 万元，预计7.3 年可回收成本[11]。

北京大兴国际机场对全场水资源收集、处理、回用等统一规划，综合采取“渗、滞、蓄、净、用、排”等措施，实现雨水的自然积存、自然渗透、自然净化和可持续水循环，回收雨水用于绿化、环卫用水及景观湖补水，不但调节了机场内小气候，也形成了人、水、自然和谐相处的美好生态环境。全场雨水海绵设施总容积达280 万立方米，容量约相当于1.5 个昆明湖，是南水北调日均入京水量的3 倍。机场建成后雨水回渗率不低于40%，雨、污分离率和处理率均达100%，非传统水源利用率达30%，年经流控制率85%以上，成为国内首个复合生态水系统高效运行的“海绵机场”[4]。

2.2.5 人性化设施设计

近年来，航站楼客流量逐年增长，据统计，2014 年北京首都机场旅客吞吐量8612.8 万人次，较前一年增长2.9%，因此，航站楼作为旅客集散的重要交通枢纽，应增设相应的设施及服务，如哺乳室、按摩椅、儿童游乐区等，以满足各类人群使用需求的同时缓解旅行过程中的疲劳。

国外的航站楼人性化设施设计发展较早，配备相对较为成熟。亚特兰大哈茨菲尔德-杰克逊国际机场航站楼的Minute Suites 提供私人迷你办公室，配置长沙发、书桌和淋浴，供旅客工作、睡觉或看电视。樟宜机场航站楼根据不同人群的需求设置了多项人性化服务设施，为人提供办公桌，免费按摩椅与足疗椅，哺乳室，儿童游乐区与游戏机，室外吸烟区，同时提供旅客服务打分装置，便于对使用者的意见进行了整理与反馈。

国内航站楼的人性化设施设计已得到一定的发展。南宁机场T2 航站楼设置了爱心座椅、自助值机、饮水机、充电柱等人性化设施。咸阳T3 航站楼设置了母婴室，配备婴儿床、婴儿打理台、软质沙发等相应设施，同时将吸烟空间改设为透明玻璃盒子，以在不影响其他旅客的前提下改善吸烟室视野。北京大兴国际机场将运行高效和人性化服务作为实现绿色机场建设的两大目标。在跑道设计方面，采用“三纵一横”国内首创带有侧向跑道的全向跑道构型，运行效率达到世界同等级机场的先进水平。据仿真模拟推算，全向跑道构型相较全平行构型全年节约燃油消耗约1.85万t，减少碳排放约5.88 万t。同时，跑道和航站楼的合理布局大幅缩减旅客中转时间，旅客国内转国内30 mins，国际转国际45 mins，国际国内互转60 mins。高效的行李传输系统，使首件进港行李可在13 mins内到达，指标均居世界一流水平。人性化服务设施方面，设置有自助值机、WIFI、母婴室、休闲娱乐设施等，满足旅客的个性化需求。此外，还在航站楼五个指廊端头设置了5 个庭院，分别呈现中国园林、田园、丝、瓷、茶等元素，为旅客提供绿色的活动空间，凸显绿色和人性化理念[4]。

3 国内、外绿色航站楼设计相关标准与政策

3.1 国际上的相关标准与政策

国际上，推广绿色航站楼设计的政策起步较早，实行程度较为完善。欧盟在2005 年底启动了《欧盟现代航空管理计划》，致力于提高航空管理的设施与技术，以使每次飞行的温室砌体排放量减少4%～6%。日本成田机场于2005 年制定了《生态机场总体规划》提出了机场节能、减排、资源循环利用的规划与目标。

3.2 我国的相关标准与政策

我国的相关政策与标准的制定虽然较晚，但逐步趋于完善。《绿色航站楼标准》MH/T 5033-2017 较为完善地对航站楼从总体规划、建筑设计、运营管理进行引导与控制，对航站楼构型、节地与室外环境、节能与能源利用、节水与水资源利用、节材与材料资源利用、室内环境质量、人性化服务以及运行管理等提出了规范性要求，为国内的绿色航站楼设计策略的选择提供有效参考。