高大空間機(jī)場(chǎng)航站樓輻射供冷系統(tǒng)下室內(nèi)熱環(huán)境研究

王灝林 梁錦燦

（桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

隨著國(guó)內(nèi)航站樓數(shù)量的不斷增加，如何讓大多數(shù)乘客對(duì)航站樓的室內(nèi)環(huán)境感到滿意是當(dāng)前大空間室內(nèi)熱舒適研究的重點(diǎn)。Kotopouleas等[1-2]在3個(gè)機(jī)場(chǎng)航站樓進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量，并對(duì)3 087名人員進(jìn)行了問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)工作人員對(duì)溫度變化的平均敏感性高于乘客。Geng等[3]對(duì)8個(gè)主要機(jī)場(chǎng)航站樓的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了環(huán)境測(cè)量和問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)主觀滿意度與客觀環(huán)境測(cè)量之間存在高度相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)熱舒適性和空間布局是影響乘客總體滿意度的基本因素。朱衛(wèi)華等[4]在夏季對(duì)上海虹橋機(jī)場(chǎng)T2航站樓進(jìn)行了室內(nèi)環(huán)境測(cè)量，發(fā)現(xiàn)操作溫度與熱感覺投票具有良好的線性關(guān)系。Jia等[5]通過(guò)對(duì)幾個(gè)航站樓的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行研究，得出了乘客可以承受的溫度變化。Mora等[6]和Shdid等[7]研究發(fā)現(xiàn)，極端的垂直溫度梯度變化會(huì)使人產(chǎn)生不舒適感，建議每米內(nèi)溫度梯度范圍保持在0.3～0.5 ℃。西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3航站樓使用輻射供冷/供熱系統(tǒng)，由冷卻地板控制的室內(nèi)熱環(huán)境應(yīng)引起研究人員和工程師的注意。因此，在夏季進(jìn)行環(huán)境測(cè)試和問卷調(diào)查，通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)，可以找出對(duì)舒適度有影響的關(guān)鍵因素。

1 理論基礎(chǔ)

選擇PMV-PPD作為評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)熱環(huán)境的指標(biāo)，熱舒適指數(shù)PMV反映了人體熱平衡的偏差程度，常用于分析建筑室內(nèi)環(huán)境。Fanger[8]提出的綜合舒適指數(shù)代表多數(shù)人在相同環(huán)境中的感受。將這些評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)匯總到溫度指數(shù)中，以獲得熱舒適方程。

式中：Pa——人體周圍水蒸氣分壓力（kPa）；ta——人體周圍空氣溫度（℃）；fcl——服裝面積系數(shù)；tcl——衣服外表面溫度（℃）；tmrt——環(huán)境平均輻射溫度（℃）；hc——對(duì)流換熱系數(shù)［W/（m2·K）］；Tg——黑球溫度（℃）；V——風(fēng)速（m/s）；ε——黑球發(fā)射率；D——黑球半徑（m）。

除了環(huán)境測(cè)量之外，還將對(duì)測(cè)試區(qū)域內(nèi)的人員發(fā)放熱舒適問卷調(diào)查表，表中包含性別、年齡、穿著情況、熱感覺（TSV）、熱舒適（TCV）、熱偏好（TPV）等，問卷調(diào)查結(jié)束后整理信息總結(jié)出人體熱舒適的規(guī)律。其中TSV使用ASHRAE手冊(cè)中的7個(gè)連續(xù)量表[9]用于評(píng)估局部和整體熱感覺，TCV為4個(gè)，TPV為3個(gè)。問卷的發(fā)放以100人次為標(biāo)準(zhǔn)，每隔半小時(shí)進(jìn)行一次。

2 實(shí)驗(yàn)方案

T3航站樓使用輻射地板系統(tǒng)和置換通風(fēng)系統(tǒng)，在夏季進(jìn)行供冷。夏季供以高溫冷水，冬季供以低溫?zé)崴豢諝鉂穸扔煽諝馓幚頇C(jī)組控制。終端設(shè)備主要設(shè)置在室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)，保持該區(qū)域的熱舒適性[10]。

測(cè)試區(qū)域長(zhǎng)為114.00 m，寬為39.75 m，高度在17.50～26.50 m之間，平均高度為22.00 m。測(cè)試區(qū)域內(nèi)布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1～4布置在座椅及售貨機(jī)熱源附近，測(cè)點(diǎn)5布置在置換通風(fēng)口中間，測(cè)點(diǎn)6布置在電梯前，測(cè)點(diǎn)7布置在無(wú)熱源處，測(cè)點(diǎn)8在玻璃幕墻下的座椅處。根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響程度將8個(gè)測(cè)點(diǎn)分為3個(gè)區(qū)域，測(cè)點(diǎn)1～4為內(nèi)區(qū)，測(cè)點(diǎn)5和6為過(guò)渡區(qū)，測(cè)點(diǎn)7和8為外區(qū)。

測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試時(shí)段為10：00～14：00，是一天中溫度高的階段。平均溫度為34.47 ℃，最高為36.70 ℃，最低為32.10 ℃，平均相對(duì)濕度57%，最高67.8%，最低45.2%。

根據(jù)西安市夏季空調(diào)室外的計(jì)算，干球溫度35.10 ℃為標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試參數(shù)為空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、黑球溫度、頂板/地板表面溫度和室內(nèi)其他典型熱源溫度。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)放置溫濕度測(cè)量?jī)xRC-4HC和黑球溫度計(jì)AZ-8778。為了觀察垂直溫度梯度的變化，溫濕度測(cè)量分別放置在離地面0.1、0.6、1.1、1.5 m處。坐姿時(shí)，0.1 m對(duì)應(yīng)腳，0.6 m對(duì)應(yīng)腰和膝蓋，1.1 m對(duì)應(yīng)頭部。站立時(shí)，0.1 m對(duì)應(yīng)腳，0.6 m對(duì)應(yīng)腰部，1.1 m對(duì)應(yīng)膝蓋，1.5 m對(duì)應(yīng)頸部。使用溫度槍測(cè)量地板和頂板溫度，通過(guò)多次讀數(shù)取平均值。使用風(fēng)速儀AR866A測(cè)量每個(gè)測(cè)量點(diǎn)1.1 m處的風(fēng)速。

3 結(jié)果分析

3.1 水平面高度與垂直高度溫度分析

對(duì)水平面溫度分析選擇距地面高度1.1 m的位置，該位置對(duì)應(yīng)人體在坐姿狀態(tài)下的頭部。

各區(qū)域空氣溫度隨時(shí)間變化情況如圖2所示。

圖2 各區(qū)域的空氣溫度隨時(shí)間變化情況

10：00過(guò)渡區(qū)的平均溫度為最低，13：00時(shí)內(nèi)區(qū)溫度最高，達(dá)到了28.98 ℃。除去11：00時(shí)刻外，其他時(shí)段的內(nèi)區(qū)溫度最高，其次是外區(qū)，過(guò)渡區(qū)最低。由于過(guò)渡區(qū)距離置換通風(fēng)裝置最近，且置換通風(fēng)的風(fēng)速較高為0.3 m/s，風(fēng)溫25 ℃低于室內(nèi)溫度，并且置換通風(fēng)在過(guò)渡區(qū)較為集中，因此過(guò)渡區(qū)的空氣溫度最低；內(nèi)區(qū)收到人體散熱和頂棚、地板及其他熱源的綜合作用，空氣溫度較高；外區(qū)所處的位置雖然未受到太多物體及人體熱源的影響，但是玻璃幕墻受到室外太陽(yáng)輻射作用，且室外溫度在34 ℃以上，導(dǎo)致外區(qū)的空氣溫度升高。

14：00各測(cè)點(diǎn)0～1.1 m垂直高度的溫度分布情況如圖3所示。

圖3 14：00各測(cè)點(diǎn)0～1.1 m垂直高度溫度分布情況

取14：00的數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直高度溫度分布分析，因?yàn)樵摃r(shí)刻的室內(nèi)溫度最高，能夠說(shuō)明室內(nèi)熱舒適的情況。8個(gè)測(cè)點(diǎn)在該時(shí)刻的垂直溫度在4個(gè)高度上的變化表現(xiàn)為溫度升高，溫度梯度較為明顯。由于輻射冷地板通過(guò)對(duì)流及輻射作用和室內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換，置換通風(fēng)口的新風(fēng)與人體、電梯等熱源進(jìn)行空氣的冷熱交換，冷空氣下沉，熱空氣上浮，導(dǎo)致空氣溫度隨著高度的升高而升高。

頂板的溫度與地板溫度數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 14：00地板與頂板表面溫度

由圖4可知，兩者之間的溫度差值隨著時(shí)間的變化而升高，最大可達(dá)到12.27 ℃，表明室外氣溫過(guò)高導(dǎo)致室內(nèi)溫度出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象。

3.2 風(fēng)速及平均輻射溫度分析

各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)速的分布情況如圖5所示。

圖5 各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)速的分布情況

由圖5可知，測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速均小于0.3 m/s。根據(jù)置換通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范，置換通風(fēng)口風(fēng)速不超過(guò)0.5 m/s，坐姿狀態(tài)下，停留處空氣流速不超過(guò)0.2 m/s，因此該區(qū)域風(fēng)速符合規(guī)范要求。靠近置換通風(fēng)口測(cè)點(diǎn)5的風(fēng)速較高，靠近熱源、座椅以及玻璃幕墻的其他測(cè)點(diǎn)風(fēng)速較低，出現(xiàn)了局部分布不均勻情況。

14：00各測(cè)試點(diǎn)平均輻射溫度分布情況如圖6所示。

圖6 14：00各測(cè)點(diǎn)平均輻射溫度的分布情況

將測(cè)量得到的空氣溫度、黑球溫度以及黑球發(fā)射率（ε=0.95）、黑球半徑（D=0.075 m）數(shù)值代入式（2）中得到平均輻射溫度。所有測(cè)點(diǎn)的平均輻射溫度為28.4 ℃，14：00時(shí)刻，測(cè)點(diǎn)1的平均輻射溫度值最大，為29.8 ℃。10：00時(shí)刻測(cè)點(diǎn)1的平均輻射溫度值最小，為26.7 ℃。除去測(cè)點(diǎn)5以外，其他測(cè)點(diǎn)的輻射溫度均在29.0 ℃以上，高于夏季室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)值，室外環(huán)境溫度較高導(dǎo)致建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度較高，使室內(nèi)的輻射換熱效果加強(qiáng)。由于測(cè)點(diǎn)5處于4個(gè)置換通風(fēng)的中間且避光的位置，因此受到熱輻射作用的影響最小。整個(gè)測(cè)試期間的平均輻射溫度波動(dòng)較為均勻。

3.3 PMV-PPD分析

各測(cè)點(diǎn)PMV-PPD值隨時(shí)間變化如圖7所示。

圖7 各個(gè)測(cè)點(diǎn)PMV-PPD值隨時(shí)間變化

由圖7可知，PMV值幾乎都大于0.5，35%的值在0.5～1.0之間，65%的值大于1，最大值為1.63。部分PMV值均高于《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50736—2012）[11]夏季室內(nèi)PMV值的熱舒適范圍。12：00～14：00，幾乎所有測(cè)點(diǎn)PMV值都大于1.0。PPD值范圍為12%～58%，大部分時(shí)刻室內(nèi)的環(huán)境偏熱，不滿足人體熱舒適需求。

3.4 主觀感受結(jié)果

在熱感覺投票中，41%的人認(rèn)為當(dāng)前環(huán)境為中性，33%認(rèn)為環(huán)境“稍熱”，24%認(rèn)為環(huán)境“暖和”，TSV平均值為0.87，相比“偏暖”的臨界值1，整體熱舒適感覺偏熱。在熱舒適投票中，認(rèn)為環(huán)境“稍不舒適”“稍舒適”“不舒適”“很不舒適”占比分別為45%、49%、5%、1%。TCV平均值為-0.58，說(shuō)明近半數(shù)的人認(rèn)為對(duì)目前環(huán)境需要進(jìn)行優(yōu)化。在熱偏好投票中，分別有73%、27%的人希望環(huán)境冷一些和不需要改變。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是室內(nèi)環(huán)境較熱，人體更趨向于環(huán)境溫度降低。人體熱舒適主觀感受投票結(jié)果如圖8所示。

圖8 人體熱舒適主觀感受投票結(jié)果

3.5 PMV-PPD指標(biāo)適用性分析

為了驗(yàn)證PMV-PPD指標(biāo)在高大空調(diào)輻射供冷空間下的室內(nèi)熱環(huán)境中是否可用，將PMV值與主觀感受投票TSV值進(jìn)行對(duì)比。PMV值與主觀感受投票TSV值對(duì)比如圖9所示。

圖9 PMV值與主觀感受投票TSV值對(duì)比

由圖9可知，TSV值小于PMV值，產(chǎn)生差異的原因一是PMV多用于對(duì)流空調(diào)系統(tǒng)，沒有考慮輻射地板對(duì)人體的直接作用；二是PMV是通過(guò)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，溫差會(huì)導(dǎo)致PMV值大幅度波動(dòng)，而TSV是根據(jù)心理感受的主觀投票。雖然兩者的值有一定偏差，但變化趨勢(shì)相一致。

4 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)使用輻射地板供冷及置換通風(fēng)結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)航站樓某區(qū)域內(nèi)的熱環(huán)境及熱舒適進(jìn)行實(shí)地測(cè)量和問卷調(diào)查。結(jié)果表明，室內(nèi)的空氣溫度、平均輻射溫度、PMV-PPD高于當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)規(guī)范要求，屬于偏熱環(huán)境。人體主觀投票反映出當(dāng)前環(huán)境較熱，需要降低室內(nèi)溫度。后續(xù)可以在原有的測(cè)試基礎(chǔ)上增加室內(nèi)二氧化碳濃度等參數(shù)進(jìn)行航站樓全部區(qū)域測(cè)試，全面分析室內(nèi)熱環(huán)境分布規(guī)律。