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机场车站类高大空间新型空调系统的研究及应用

2014-10-24

近年来机场车站(航站楼和候车厅)等高大空间建筑飞速发展,其空调系统年运行能耗通常超过100kWh/m2,是普通公共建筑的2~3倍,占建筑运行能耗的一半以上,提高空调系统能效、降低运行能耗是实现高大空间建筑节能运行的关键。“机场车站类高大空间新型空调系统的研究及应用”项目针对构建适用于高大空间建筑的新型高效空调系统开展工作,致力于推动该新型空调系统的基础理论研究、设计方案优化、关键产品研发和应用实践示范,是由设计院、大学和相关企业等合作完成的“产学研用”相结合的攻关项目。项目完成单位包括中国建筑西北设计研究院有限公司、清华大学、西部机场集团机场建设指挥部、北京华创瑞风空调科技有限公司。主要完成人有周敏、刘晓华、王娟芳、骆海川、杨春方、李晓威、陈晓阳、侯占魁、王国栋、赵亘、张涛、孙国勋、薛建文、秦昕、唐海达、张婷、陈闽瑞、张捷。

一、立项背景

机场、车站作为城市综合交通运输体系的重要组成部分,其建筑形式具有高大空间的特点。近年来随着我国城市化进程的不断发展,我国交通枢纽的建筑规模呈加速上升的趋势。根据有关部门统计数据,2015年前规划新建82个机场,扩建101个机场。同时,为配合铁路的建设,自2008年起,新规划开工建设铁路客站1066座。新建机场的航站楼单体建筑面积大多超过20万平方米,新建的铁路客站候车面积也大多超过2万平方米。按照目前城市基础设施建设的发展规划,我国未来将有约1亿㎡的机场、车站、大型会展及体育场馆等高大空间类建筑。

机场、车站的建筑围护结构以大面积透光玻璃幕墙为主,通常为高大空间,进深大,旅客等候区域的层高多为10m以上,甚至超过20m,旅客客流量大且人员密度变化大。这些特点造成了机场、车站室内热环境的特殊性,比如地板表面太阳辐射强度高、围护结构壁面温度高、仅近地面人员活动区域需要空调控制等。这类建筑通常采用全空气射流喷口送风空调系统,全面控制4~6m高度内的室内热湿环境。这种传统空调系统存在冬季“热风下不来”的问题,热舒适性差;以空气作为介质输送冷、热量,系统输配能耗高;要求的冷水温度低,限制冷源利用效率;风管占用空间大,甚至需要设置管道夹层,增加土建部分投资。通过调研发现,大型机场航站楼单位面积空调电耗超过100 kWh/(m2•a),降低此类建筑的空调电耗是机场、车站节能的关键。

该项目针对机场车站类高大空间的特点,进行科研攻关,研究设计新型空调系统。新型空调系统仅控制近地面2m以内的室内温湿度环境,减少空调设计负荷,降低空调系统的输配能耗并提高了冷源利用效率,减小风管占用的建筑空间,从而实现空调系统的节能设计和运行以及空调系统的低成本投入。

二、研究内容

项目研究以2008年开始建设的西安咸阳国际机场T3A航站楼为背景,研究目标为新型空调系统比传统空调系统节能15%~30%且投资降低,项目的设立和研究用于保障新型空调系统成功地应用于西安咸阳国际机场T3A航站楼,以及未来技术的推广应用,为国家节能减排作一定贡献。

根据高大空间建筑能耗的特点,节能方案主要从“降低空调负荷、减少输送能耗、提高制冷供热效率”三方面着手。同时,引入温湿度独立控制理念(空调温度和湿度独立控制)以提高制冷效率。项目前期经多方分析比较,确定将背景工程中系统的主要4个创新性技术系统集成和1个关键技术作为内容进行展开研究,其研究具体内容为:

1)高大空间空调末端形式——地板辐射供冷供热+置换式下送风+新风溶液除湿+干式盘管空调;

2)空调末端水系统形式——多级泵和混水输配;

  (3)空调供冷系统形式——开式外融冰直供;

  (4)空调水系统的能量(或温度)梯级利用——末端高低温串联式+冷机高效三级串联。

  (5)地板辐射供冷特性的关键技术研究。

由于以上关键技术和技术系统集成在国内、国外大规模应用尚未见到,部分技术也仅限小规模和局部应用,故将以上技术和系统集成列为专项课题研究。同时,组建了以中国建筑西北设计研究院为主的课题研究团队,其工作分工为:中国建筑西北设计研究院负责全面研究和组织工作;清华大学负责辐射供冷供热相关理论研究和计算,指导背景工程设计以及现场测试分析;西部机场集团机场建设指挥部负责现场测试配合和为单项研究测试提供条件;北京华创瑞风负责溶液除湿技术支持和优化。

三、取得的成果

  该项目从高大空间建筑的室内环境特点出发,针对空调末端形式、水系统输配方式等关键环节进行了深入研究,创新性地提出了适用于高大空间建筑的新型空调系统方案,实现了室内末端的温湿度独立控制、冷水大温差输送及空调系统的能量梯级利用。开展了针对地板辐射供冷/供热末端方式的理论研究,从热阻角度分析辐射末端方式的换热特性,提出了辐射末端性能的简化计算方法及设计应用参数,为高大空间建筑应用辐射末端方式提供了技术支撑。

项目提出了适用于机场车站类高大空间建筑的新型高效空调系统,通过采用辐射末端方式、冷水大温差循环等技术措施,与传统空调方式相比,可降低空调工程项目初投资15%~35%,大幅降低末端风机、水泵等输送能耗,可降低空调运行费用35%~50%。项目开展了该新型空调系统的工程实践,将理论研究成果成功应用于西安咸阳国际机场二期扩建工程T3A航站楼,经2012年和2013年两年运行数据、现场实测及工程决算分析,结论如下:与采用传统空调方式的T1、T2相比,T3A航站楼年耗电量降低39%,冬季年耗热量降低23%,每年节省电费运行费用约790万元(含冬季供热总930万元),节省初投资3240万元以上。

项目研究成果切实推动了我国制冷空调行业的技术进步,为在高大空间建筑推广该新型空调系统提供了技术保障,具有巨大的社会效益和经济效益。随着城镇化脚步和基础设施建设的不断加快,我国将新建约1亿平方米的高大空间建筑,若该新型系统得以广泛应用,其空调年运行能耗可比常规系统降低30~50kWh/m2,每年产生30~50亿度电的节能效果,减排二氧化碳300~500万吨,将有力推动节能减排工作的开展。

 

项目负责人简介

周敏,男,1963年4月生,工程硕士,教授级高级工程师。1985年7月进入中国建筑西北设计研究院工作至今,主要从事暖通、空调工程设计及咨询。历任中国建筑西北设计研究院暖通设计所总工程师、机电五所总工程师、机电五所副所长,社会兼职包括西安建筑科技大学硕士研究生兼职指导教师及兼职教授、西安交通大学人居学院兼职教授及硕士研究生兼职指导教师、陕西省工程建设标准专家委员会房屋建筑暖通专业组专家成员、中国国家标准化管理委员会全国能源基础与管理标准化技术委员会节能技术与信息分技术委员会(SAC/TC20/SC8)委员、中国建筑学会建筑热能动力分会理事等。

近年来参编国家或行业技术措施、标准、规范及手册10项,负责主编国家和地方标准图及书籍3部,发表论文9篇。参与完成的工程项目曾获陕西省、中建总公司及勘察设计协会等方案和优秀工程等多项一等奖及国家银奖。主持设计的西安咸阳国际机场航站区扩建工程获2007年度全国工程勘察设计行业奖建筑环境与设备专业二等奖,“空调系统热回收装置选用与安装”成果获陕西省第九届工程建设优秀标准设计省级二等奖、2008年度全国优秀工程勘察设计行业奖建筑工程标准设计三等奖。专利“一种串联式制冷空调及末端蓄冷水系统”(专利号:2011200264656)荣获2012年中国建筑优秀专利奖银奖。“西安咸阳国际机场T3A航站楼暖通空调系统”获得2013年度陕西省第十七次优秀工程专项设计(环境与设备专业)一等奖、2013年度全国工程勘察设计行业奖建筑环境与设备专业一等奖、2014年度中国建筑优秀勘察设计奖专项建筑环境与设备一等奖、2014年第五届中国建筑学会优秀暖通空调工程设计一等奖。主持完成的科研项目“机场车站类高大空间新型空调系统的研究及应用”荣获第六届中国制冷学会科学技术进步奖一等奖。