混合通风与空调联合运行系统在登机桥的应用

许杰，廖勇坤，钟世权

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州，510010）

0 引言

本文通过采用CFD技术，进行物理和数学建模，对登机桥桥厢进行环境控制与混合通风及空调联合运行的对比分析，在保证室内热环境前提下减少登机桥这种过渡空间开启空调系统的时间，提出了一种新的登机桥空调系统控制策略，改善了空调的运行模式并实现节能减排。

李志生对登机桥热环境模拟与气流组织进行了研究［1］； 邹玉容对登机桥固定端空调改造进行了实践分析［2］；廖坚卫对大空间建筑空调与混合通风联合运行进行了节能研究分析［3］；段双平利用混合通风经验模型对北京地区建筑通风潜力和技术进行了研究［4］；罗国志对成都地区的办公楼应用了混合通风技术，在保证室内热环境前提下，获得较好的节能效果［5］。本文以南方某城市机场扩建工程的登机桥为研究对象，在典型气象条件下运用混合通风与空调联合运行系统进行数值模拟，以获取运行过程中的通风潜力和节能效益。

1 工程案例概况

工程位于南方某城市机场扩建工程的105号登机桥项目，该地区属海洋性亚热带季风气候，全年平均气温21.9为摄氏度，是中国年平均温差最小的大城市之一，夏季空气调节日平均室外计算干球温度为29.6℃，极端最高温度为38.4℃，空调供冷季较长，供暖期较短。105号登机桥室内空间的宽度为2.6米，高度为2.6米，长度为40米。登机桥的两侧围护结构为玻璃，屋面为金属屋面，如下图1-3的平面图及剖面图所示，登机桥的左侧与航站楼相连接，其中编号32为通风抽风机、编号33为通风排风机、编号1为可开启外窗、编号31为多联空调室外机、编号11为从送风机吸入口接出的风管，编号11的风管连接至航站楼登机桥的门套，并接至门套的取风百叶，当风机开启时，把航站楼内的室内空气抽进登机桥始端内，风经过登机桥室内后通过排风机于登机桥末端排走，实现登机桥内通风换气及排走室内余热的目的。

图1 105号登机桥建筑平面示意图

图2 105号登机桥建筑剖面示意图

图3 105号登机桥风机布置剖面示意图

2 登机桥混合通风与空调联合运行系统控制逻辑

2.1 登机桥的混合通风与空调联合运行系统运行过程

登机桥室内及室外均设置温度传感器，通过登机桥控制单元与机场信息集成系统通信获取机场实时航班信息，从而获取所述用于登机桥的混合通风与空调联合运行系统的使用时段，确定通风单元、空调单元的开启时刻、关闭时刻；注：所述开启时刻早于旅客进入登机桥的开始时刻15min以上（可根据室外气温对此值进行重设调整），所述关闭时刻晚于登机桥所服务飞机起飞时刻5min以上。

在通风单元开启时刻时，控制通风抽风机、通风排风机工作，根据室外温度条件，由通风抽风机抽取航站楼内空气，或由通风排风机排出登机桥固定端内空气并从登机桥固定端外窗引进室外空气；当通风单元运行一定时间后，登机桥室内温度仍高于设定目标温度T1时，则关闭通风抽风机、通风排风机，开启空调单元；在关闭时刻时，关闭通风单元、空调单元。

2.2 登机桥的混合通风与空调联合运行系统还包括温度较正过程1：

（1）获取所述用于登机桥的混合通风与空调联合运行系统的目标温度T1；

（2）若开启时刻目标温度T1与登机桥固定端所在室外温度之差为负数，保持登机桥固定端外窗关闭，开启通风抽风机、通风排风机，抽取航站楼内空气；

（3）在通风抽风机、通风排风机开启一定时间后，获取登机桥固定端内温度T2，若登机桥固定端内温度T2未达到目标温度T1，则开启多联空调室外机、空调室内机，关闭通风抽风机、通风排风机。

此过程为空调季节的控制逻辑。

2.3 登机桥的混合通风与空调联合运行系统还包括温度较正过程2：

（1）若开启时刻目标温度T1与登机桥固定端所在室外温度之差为正数但差值小于某一设定值时，且所述航站楼内空气温度不低于目标温度T1，则不开启通风抽风机，仅提示现场工作人员把登机桥固定端外窗完全打开，并开启通风排风机进行通风；

（2）当通风排风机开启单位时间后，获取登机桥固定端内温度T2，若登机桥固定端内温度T2未达到目标温度T1，则关闭通风排风机及登机桥固定端外窗，开启空调单元；

（3）若开启时刻目标温度T1与登机桥固定端所在室外温度之差为正数且差值大于某一设定值时，则不开启通风抽风机而仅提示现场工作人员把登机桥固定端外窗完全打开，并开启通风排风机进行通风，直至所述关闭时刻，则关闭通风排风机。

此过程为过渡季节的控制逻辑。

3 CFD模拟设计思路

本文以《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012，该地区的室外设计干球温度为计算条件，对机场扩建工程的105号登机桥进行CFD模拟，从中分析混合通风与空调联合运行系统在登机桥应用的节能效果。

3.1 在旅客进入登机桥前，提前开启通风系统，从登机大厅抽取温度为26℃的风送入登机桥，降低登机桥室内温度，实现预冷的过程。一段时间后关闭通风机并开启多联空调，由于室内温度的降低，可减少多联空调的制冷时间，以达到节能的效果。

3.2 运用CFD气流组织模拟，探讨在能达到设计温度26℃时，预冷过程和制冷过程各自的运行时间的搭配，以得出能耗最低的运行方案及控制策略的临界点。

3.3 模拟分析分为以下几个实验：

模拟实验A：研究登机桥长时间静置室外时在太阳辐射的作用下，登机桥室内的室内温度。

模拟实验B：研究登机桥足够长时间通风预冷后，室内能到达的稳态温度。

模拟实验C：研究登机桥在不同的通风预冷时间下，室内能到达的瞬态温度。

模拟实验D：研究登机桥在不同的初始温度下，开启多联机空调制冷室到达的室内设计温度26℃所需要的时间。

4 模型设计

4.1 物理模型

为了更好地划分网格，对登机桥的结构进行简化建模：简化为几何参数为4000×2600×2600mm（长宽高）。

图5 CFD模型示意图

图6 通风预冷工况模型示意图

图7 制冷工况模型示意图

4.2 数学模型

4.2.1 设计参数

1）室外温度：33.2℃；

2）外墙传热系数：铝板外墙2.5 W/(m2•K)；幕墙1.79 W/(m2•K)；屋顶0.5 W/(m2•K)；

3）幕墙平均辐射传热量：西侧77W/m2；东侧70W/m2；

4）风口条件：

通风预冷工况：通风抽风机风量为2500CMH，送风口尺寸600×200，温度26℃，风速2.31m/s；通风排风机风量为2500CMH，排风口尺寸600×200，风速2.31m/s。

制冷工况：室内机每一侧送风口尺寸600×50，温度14℃，风速2.3m/s，送风角度45°向下；回风口尺寸750×750，风速0.5m/s。

因本项目研究登机桥在使用前的处理过程，因此灯光、设备、人等发热量不作考虑。

4.2.2 网格划分

网格质量对CFD计算精度和计算效率及收敛性有重要影响. 对于复杂的CFD问题，网格生成极为耗时且极易出错，生成网格所需要的时间常常大于实际CFD计算的时间. 因此，在划分网格时应该把网格细密的程度直接与物理量在计算区域内的变化进行统一考虑. 同时，还应根据计算机硬件条件，对模型的网格数量进行范围控制［19-20］.

本次研究的登机桥尺寸为4000×2600×2600mm（长宽高），网格划分控制在网格大小为0.5×0.13×0.13m。对风口进行局部的加密，风口周围网格尺寸控制在0.2m。 经检验Face alignment和Quality均接近1，说明网格质量良好。网格如下：

图8 网格示意图

图9 风口处网格局部示意图

4.2.3 其他设置

1）模拟过程把室内空气视为透明介质，采用辐射模型。

2）气流为稳态流动。

3）湍流计算模型采用RNG k-ε模型，k-ε模型为工程流场计算中主要的工具，有适用范围广、经济、合理的精度等优点，RNG模型在ε方程中加了一个条件，更是有效的改善了精度。

4）连续性方程和动量方程收敛精度为0.001，能量方程收敛精度为1e-6。

5 CFD模拟升温过程

在封闭的室内空间里，在太阳辐射的作用下，空间内的温度往往比室外温度要高，比如汽车在暴晒下温度可以到40～60℃。同理，登机桥有两面外墙为玻璃幕墙，在不开启任何通风及空调设备时，登机桥有升温的过程。模拟实验A就是探讨在长时间太阳辐射下，登机桥内部的稳态温度值。

模拟实验A

由图10可得，在持续长时间太阳辐射下，登机桥的室内温度最终达到平衡值为40.2℃。

图10 升温过程室内温度平衡时h=1.5m温度云图

6 CFD模拟预冷过程

由实验A得出，在未开启任何通风及空调设备时，登机桥的初始温度为40℃。在开启通风系统时，26℃的风送入登机桥，输入冷量后登机桥温度降低。登机桥温度降低后，与室外产生温差，导致围护结构输入热量。在输入冷量与输入热量在某个时刻达到平衡后，登机桥的室内温度恒定，此温度可以当做这种通风换气方式的极限温度。模拟实验B就是探讨达到极限温度的最小时刻，以便展开后续方案研究。

6.1 模拟实验B

由图11可得，在持续开启机械通风系统时，登机桥的室内温度最终达到平衡值为31.8℃，且实验结果显示，达到31.8℃时，通风时间为600s，且继续进行通风也不会继续降温。

图11 通风过程室内温度平衡时h=1.5m温度云图

6.2 模拟实验C

基于上述结果，设计模拟实验C为在通风时间分别为150s，300s，450s，600s时，登机桥所能达到的室内温度。

由图12～15可得，在通风时间为150s，300s，450s，600s时，对应的室内平均温度为37.9℃，35.9℃，33.8℃，31.8℃。

图12 通风150s时h=1.5m温度云图

图13 通风300s时h=1.5m温度云图

图14 通风450s时h=1.5m温度云图

图15 通风600s时h=1.5m温度云图

7 CFD模拟制冷过程

由上述预冷过程的实验结果可得，仅开启通风系统，室内温度只能达到31.8℃，未能达到登机桥的设计温度26℃，所以需要设置多联空调系统继续制冷。在不同的初始温度下，多联机空调使室内温度降低到26℃需要的时间不同。基于上述分析，设计模拟实验D在初始温度分别为40℃，37.9℃，35.9℃，33.8℃，31.8℃时，登机桥室内温度达到设计温度26℃所需的制冷时间。

7.1 模拟实验D

图16 制冷过程室内温度平衡时h=1.5m温度云图

多联空调系统制冷量与围护结构输入热量达到平衡时，室内温度也会达到一个平衡，由图3-1可得，在持续开启空调系统时，登机桥的室内温度最终达到平衡值为23.5℃，证明多联空调系统的制冷能力足够。

研究不同初始温度的制冷时长，换个思路即是研究初始温度为40℃制冷到37.9℃，35.9℃，33.8℃，31.8℃，26℃需要的时长，可反推得出结果。结果如下图：

图17 制冷190s时h=1.5m温度云图

图18 制冷370s时h=1.5m温度云图

图19 制冷560s时h=1.5m温度云图

图20 制冷750s时h=1.5m温度云图

图21 制冷1280s时h=1.5m温度云图

7.2 总结数据如下表：

7.2 总结数据如下表：

图22 制冷过程温度变化图

由上表可得40℃制冷到26℃需要1280s，37.9℃制冷到26℃需要1090s，35.9℃制冷到26℃需要910s，33.8℃制冷到26℃需要720s，31.8℃制冷到26℃需要530s。

8 登机桥的热舒适

为探讨设计的多联空调系统选型是否合理，对登机桥达到设计温度时的状态，进行热舒适分析分析内容为温度场，速度场，PMV指标。

图23 H=1.5m温度场

图24 风口处温度场

由温度场云图可见，登机桥温度范围在24～27℃之间，基本满足设计要求。

图25 H=1.5m速度场

图26 风口处速度场

由速度场云图可见，登机桥风速范围在0.05～0.4m/s之间，风口附近风速较大为0.4m/s，人员活动区的风速0.05～0.2m/s，人没有明显的吹风感。

图27 H=1.5m PMV云图

由PMV云图可见，除风口附近PMV值接近-1（微凉），登机桥其余区域都处于-1～0之间，人体热舒适性较高。

从上述模拟结果可知，设计选型的登机桥多联空调系统可满足舒适性的要求。

9 总结

（1）旅客登机桥是用以连接飞机和候机楼的一个封闭通道，为旅客提供全天候的上、下飞机服务，［7］正常情况下，登机桥每分钟能登机9～20名乘客，不属于旅客长期停留的空间，但一般情况下登机桥的空调系统均长时间开启。登机桥作为机场的外设建筑，着围护结构大面积采用玻璃窗、室内空间通透等特点，因此极易受外界温度影响而导致冬冷夏热，其能耗比普通公共建筑更大。为确保顾客在登机时具有良好的舒适感，需要在登机桥内设置空调，在使用登机桥时，通过空调的运作，确保登机桥内温度适宜人体，但由于登机桥本身利用时间较短，频繁使用空调会导致能源浪费，造成机场能源消耗较大。然而，航站楼内由于需满足平时运行空调系统新风吸入的要求，需把一定量的冷空气排至室外，现通过在登机桥设置通风系统，将原有本该排至室外的航站楼冷空气先引入登机桥室内始端进行预冷，经过换气后，再通过登机桥末端的排风机排走，把桥内的热空气排走并置换冷空气，以实现“免费冷源”的概念。于登机桥内应用混合通风及空调系统，旨在满足热舒适性及的前提下，使自然通风与机械通风交替或联合运行，提高自然通风的可靠性及机械通风与空调系统的节能率。

（2）由模拟实验结果可得知，降低登机桥内的初始温度，可使得空调系统制冷的时长缩短，从而可节省运行能耗。而本项目中降低初始温度是由开启通风设备实现的，通过在不同的通风时间和制冷时间的搭配运行，可找出最运行能耗最小的一种方案。由厂家提供的产品样本进行选型，两台通风风机总功率为740W，多联空调设备总功率为8754W，结合CFD模拟结果及设备选型后的运行能耗如下表：

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可以由上表看出，当通风600s、制冷530s时，可以达到设计温度26℃，且运行总耗电量最小，为1.41kW•h，比未设置通风设备，仅开启多联空调系统制冷时，节约电量54.7%。从上述一个静态过程的模拟结果，可得出混合通风与空调联合运行系统在登机桥应用有一定的节能效果。同时，配合在登机桥设置的混合通风与空调联合运行系统控制逻辑，结合本模拟过程及通过实际使用时的效果进行记录和分析，对各项初设设定值进行再设定，可优化此系统在登机桥全年的运行效果，实现节能的目的，可供夏热冬暖地区的登机桥参考应用。