徐伟1, 王亮添2, 田志刚1, 黄国斌2, 刘旭海1, 黄堃2
1.北京新机场建设指挥部，北京 102600；
2.广东申菱环境系统股份有限公司，广东 佛山 528313
摘要：为了尽可能降低大型公共建筑内空调系统运行的能耗，文章以北京大兴国际机场为例，通过采用温度控制和平均热感觉指数（Predicted Mean Vote, PMV）控制机场公共建筑的集中空调系统，进一步对舒适性和节能型进行对比分析，指出不同的控制方式对人及空调系统的影响，基于此提出节能措施以降低空调运行能耗。结果表明，从单个房间来看，PMV能耗指标较高，但是从整体来看，总的能耗的降低的，这也说明采取PMV方法来控制系统能耗是可行且较优的；基于此也给出了相应的节能改善措施。为今后降低建筑集中空调的能耗，以及其他机场建设提供一定的思路。
关键词：机场，热舒适，舒适与节能，建筑节能，空调能耗
0 引言
公共建筑在人们的工作及商业生活中发挥着重要作用，而在大型公共建筑内，空调系统运行会产生较大能耗，这在建筑能耗中占有较大比例。空调系统在运行时的能耗包括了空调主机能耗、空调末端能耗、水泵能耗等等。而根据以往的研究结果可以知道，一些大型公共建筑内空调系统在最初进行设计时，就存在设备选型偏大、冷热源选择不适当的问题，同时由于设备的维护技术水平有限，使得国内大型建筑内的空调能耗逐渐上升。
机场作为国家运输系统中的重要结合点，也是机场所在地经济发展的重要基础设施，更是该地区与国内其他重要经济中心以及国际城市的沟通的重要窗口。而且机场的不断发展有利于推动机场所在地的社会进步，加强低于联系的同时提高人们的生活质量，进一步促进社会的持续发展[1]。
北京大兴机场作为我国的重大标志性工程，是世界级的重要交通枢纽。并且以低碳、低耗、高能效、高品质、可持续的绿色机场发展模式大幅度推动京津冀一体化发展，成为区域协同发展的绿色引擎。因此，为了尽可能的降低大型公共建筑的空调能耗，本文选取北京大兴机场为研究对象，测定采用温度控制以及PMV控制两种不同控制方式下的能耗情况，并对其进行对比分析，进而给出相应的节能措施。
1.北京大兴国际机场概况
1.1 项目概况
北京大兴国际机场从选址开始，就引入了绿色可持续发展理念，始终倡导“理念创新、科技穿心、管理创新”，进而确保机场绿色建设及运营。而北京大兴国际机场拥有全球最大的单体航站楼，其结构复杂、空间跨度较大，成为了世界上施工技术难度最高的机场。由于其能源消耗量巨大，因此在建设前期规划、论证以及设计阶段就需要对该项目整体的经济性及节能型进行考量。尤其而航站楼作为能源消耗占比最大的空调系统来说，在各方面实施过程中，更应该注重绿色环保、经济节能的问题。
而机场整体建筑的特点主要为：1）内部的舱体及办公区域为“房中房”结构，其余部分均是连通的高大空间；2）建筑内的使用企业较多，每个单位的需求各不相同，使用时间也各不相同；3）为满足较多的商业需求，各商业末端的需求及样式也呈现出不同的业态；4）由于预估的机场旅客吞吐量在2025年会达到7200万人次，其出入口、登机口以及与室外连通口数量较多，使用就会越来越频繁，因此气密性较差；5）机场除一层的机坪用房外，二层以上均为玻璃幕墙维护，顶部采用金属屋面[2]。
因此，为降低玻璃幕墙的能量消耗，就会设置巨大的外挑檐进行遮阳，但是由于机场运行时间较长，尤其是枢纽部分，每天平均运行时间可达20小时。同时，该机场较大的吞吐量也使得人员流动性大，尤其是瞬时高峰人流就会使得空调的负荷变化较大。可见，相较于其他功能的大型公共建筑，机场航站楼的能耗较大.
1.2 航站楼暖通设计需求
该航站楼在设计时，需要考虑冷热源，供暖系统，通风、防排烟系统，空调系统、热力系统以及检测及监控。而对于室内热量来源主要由人数、设备发热、照明系统以及其他得热产生，其中人数主要通过区域高峰小时人数/服务面积指标计算，二设备发热主要是航站楼内的电脑、各大设备、广告以及相关标识散热[3]。
而航站楼外部维护结构需要满足节能标准要求，按照全年能耗最小优化，并优选传热系数K以及太阳得热系数（SC）值。同时还需要对空调负荷进行计算，会涉及到几个方面，如常规房间空调的负荷，大空间围护负荷处理，大空间分层空调负荷，空调机组负荷以及冷源负荷等等。
2.空调系统及仿真
2.1 定风量空调系统与变量空调系统对比
定风量空调系统（Constant Air Volume System，CAV）是指在空调系统运行期间，其送风量不会因为房间内热湿负荷的变化而变化，都会保持在最大湿热负荷时的送风量。而变量空调系统（Variable Air Volume System，VAV）是指系统送风量会随着房间的热湿负荷的变化而时刻变化。VAV系统采用的是全空气系统，在设置一次回风的情况下，不同房间设置的一个或多个送风口以及一个回风口，送风量也由房间内的控制面板进行设定，气自控系统就可以根据送风口的送风量自动调节风机转速，进而实现节能[4]。
据统计，当建筑物的同时使用系数为0.8时，VAV系统要比CAV系统节能30%-70%。同时，VAV系统能够大幅度提高室内的空气品质，尤其在过渡季节，该系统在向室内输送大量新风时，能够利用新风的冷热效应减少热冷水机组的开机，不仅能够提高室内空气质量，而且也实现了节能。
2.2 PMV指标分析
影响建筑物内环境有较多因素，如物理环境、视觉环境以及听觉环境等等，但是室内物理环境中的热环境对个体来讲影响是最为显著的。PMV（平均预测投票数）是一个统计指标，由于不同个体的生理差异，在同一个热环境中，每个人的热感受不同，就会出现有一部分人对温度环境表示不满意，因此就选取了PPD（potentiometer positioning device）定位技术来表示人体对热环境的不满意百分比。当PMV从-3逐渐升高到3时，人体的热感觉从冷逐渐过渡到热，而对应的PPD也呈现出先下降后上升的变化趋势，即在PMV为0时，人们的热感觉是最舒适的，此时的PPD值是最低的。
在传统的空调控制系统中，是以温度和湿度为控制对象的，通过房间内的温湿度传感器来动态检测温度、湿度参数设置是否在合适的范围内。当参数偏离设定值，则系统就会进行调控，进而使其维持在合理的范围内[5]。
而由于人体热感受会受到温度、相对湿度、风速以及平均辐射温度以及个体的新陈代谢等因素的影响，因此传统的空调调节手段不能直接对人体的热舒适性进行调节。随着技术的不断发展，空调节能逐渐成为国家监管机构对公共建筑节能的重要内容。在单纯依靠温度调节时，已经无法满足人们对热环境舒适性的要求，在不同场所、不同人员数量以及通风条件的变化对空调温度的设定有一定影响，利用温差进行热交换，必定不会给人们带来良好的物理环境体验。
2.3 瞬时仿真系统
瞬时系统仿真（Transient system simulation program，TRNSYS）能够模拟系统的瞬时状态，并且随着技术及系统模块的不断发展，在暖通空调领域有较为广泛的应用，能够进行模块化建模，对每个小模块独立进行分析研究，通过设置合理的固有参数及输入输出参数，进而实现特定功能。同时在调试时也仅需对单独的模块进行编制即可。
主要由三个主要部分构成，它也是完成软件不同功能的重要部分，其关系也十分紧密。首先是Simulation Studio模型搭建和仿真平台，主要用于调试、创建以及修改模块；其次是TRNBuild建筑模型搭建模块，能够设置建筑物的围护结构参数以及室内相关参数；第三是能够形成TRNEdit和TRNExe客户终端；最后该仿真能够对模拟计算进行优化，从而找到最后的实现路径。其优点也主要由四方面组成：首先是开源的源的源代码模块能够实现用户创建及修改；其次是用户可以根据自身的需要将模块进行任意组合，进而进行仿真；第三是能够方便非TRNSYS用户的使用；最后，其可以有100多个输出变量，并以EXCEL的形式进行储存，进而与多个软件建立链接，实现数据共享与处理。
3. 节能性对比分析
3.1 温度控制与PMV控制舒适性分析
在设计之前对大兴机场的人员负荷情况进行评估，得到图1结果：
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图1 航站楼内各时段人员负荷情况
从上图可以看出，出发及到达的旅客集中在8：30-23：00，因此在这个时间段内的空调负荷较大。因此需要通过集中空调进行调节，即采用温度控制以及PMV控制，对比分析的基础上给出节能措施。
在采用温度控制时，分别设定温度为22°C，24°C，26°C，对于夏季工况来讲，假设人体活动率为1met，衣着热阻为0.6clo。分别得到这一天的温度、热舒适度以及能耗数据。其结果如图2所示：
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从上述结果可以看出，在空调运行时，无论房间设定的温度如何，空调房间内的温度都能够保证达到设定温度，但是对于非空调房间、出入口、登机口以及连通区域来说，温度就会随着室外温度的升高而升高。
在设定不同的温度时，房间的PMV值也会出现较大差异，如图3所示：
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从上述结果可以看出，当温度设定为22°C时，舒适性指标仍在0附近浮动，但此时人们会感觉到非常舒适，但是空调一旦关闭，人们的舒适感受就会变差；当温度继续上升时，PMV值也在不断上升，当设定温度为24°C时，PMV值约为0.5，此时是一个临界值，人体还能够感觉到舒适，一旦超过这个数值，就会觉得较热。当温度设定到26°C就会感觉到不舒服，因此，温度设定值越低，舒适感越强，但是当对应的PMV值低于0甚至低于-0.5时，人体感受也较差，因此需要将室内温度设定在一个最佳的范围内，进而满足人们在航站楼内的温度需求。
此时，对夏季温度控制下的建筑能耗进行分析时发现，温度设定不同时，能耗也呈现出较大差距。如图4所示：
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温度在26°C内且逐渐升高时，建筑能耗在逐渐降低。温度22°C时，能耗达到2200W，之后逐渐降低，由此可见，夏季温度设定在26°C是合适的。同理在设定冬季温度时，18°C为最舒适的温度。而当外界温度升高时，建筑能耗也会逐渐上升，温度达到一天中的最高点时，能耗也会达到最大。
因此对建筑内不同控制方式下的室内温度变化情况进行分析，得到图5：
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图5 夏季工况时PMV控制的温度输出结果
从上图可以看出，输出建筑内的平均PMV值为0.53，因此，26°C下的温度控制与PMV控制的舒适度相比较可以发现，温度控制时室内温度始终保持26°C，而PMV控制时，建筑物内温度在[25,27]范围内变化.这是由于采取温度控制方式时，即使温度不变，但会有其他因素的影响，就会使得PMV值发生变化，早上PMV值偏低，人们会感觉到冷，但是到下午，房间温度逐渐升高，人体感觉较热。但是采用PMV控制方法时，建筑内的PMV值全天都保持不变，因此人们也会始终处于舒适的温度中。再对能耗情况进行分析时得到图6结果：
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图6 夏季工况时不同控制方式的能耗输出结果
从能耗角度来看，两种控制方式的能耗差别较小，PMV控制下的能耗仅约减少了0.5%，但舒适性却比采用温度控制要更符合人体需求。可见在温度相同以及对舒适度进行控制时，能耗差别较小，但舒适性有较大差别。
而对于冬季来说，人们穿着较多，因此将衣着热阻设定为1.2clo，人体新陈代谢率仍然为1met，此时，温度为18°C时舒适性较好。因此将航站楼内温度设定为18°C时，求得平均PMV值未-0.54，比较分析该温度下温度控制与PMV控制的温度变化、舒适度以及能耗比较。
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图7 夏季工况时不同控制方式的温度输出结果
从上图可以看出，在设定了室内温度之后，采用温度控制的方式能够始终保持建筑内温度不变，但是采用PMV控制时，全天的PMV值都在变化，人体感知舒适性较高。在观察PMV值变化情况时发现，当采用温度控制时，PMV值从-0.77逐渐上升到-0.41，这是由于在上午时，外界温度较低，室内偏冷，人们感觉到偏凉，但到下午时外界温度逐渐上升，建筑内温度也会随之升高。而采取PMV控制时，全天的PMV值不会发生变化，能够使人们始终都感觉到舒适。
最后，在对两种控制方式的能耗情况进行分析可以得到，两种控制方式的能好差别较小，仅有约0.5%的能耗差距，但采取PMV方式的舒适性要明显优于采取温度控制方式。如图8所示：
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图8 冬季工况时PMV控制的能耗输出结果
综上所述，无论是冬季还是夏季，从大型公共建筑的集中空调节能方面来看，采用温度控制与采用PMV控制的节能效果差距较小，但采用PMV控制方式时能够综合考虑室内温度的影响因素，通过动态控制建筑内温度进而保证建筑内的舒适性较高。可见，从舒适性方面来讲，PMV控制要优于温度控制方式。
3.2 温度控制与PMV控制节能分析
国际要求中规定，PMV指标在[-0.5，+0.5]范围内时，即可以理解为夏季的PMV值为+0.5，冬季的PMV值为-0.5。并在夏季温度设定为26°C，冬季温度设定为20°C的后，对两种控制方式的节能性进行分析，进而得到夏季工况下的节能情况。
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从上图可知，在夏季工况情况下，采用PMV控制时，人体的舒适感觉基本不会发生改变，但是航站楼内的温度出现了波动，这也是为了避免人们长时间在某一恒定温度下时降低对环境的适应能力，进而保证人们的身体健康。而且PMV值不变就能够保证人们在建筑内的环境感知始终处于舒适状态，同时在对建筑负荷进行比较时发现，当PMV值恒定在0.5时，建筑物内的房间负荷与26°C时的负荷相差1%，从这点来看，采用PMV控制具有一定的节能效果。同理，在冬季工况下，18°C时的空调能耗与PMV值取-0.5时的空调能耗相比更节能，但这对于航站楼内的乘客舒适度来讲是一种不好的体验。
综上所述，在对大型建筑物内采用温度控制以及PMV控制两种方式时，航站楼内乘客的舒适性以及空调系统的节能情况有所不同。当对这两种控制方式下的旅客舒适性进行比较时发现，无论是冬季工况还是夏季工况，两种方式的节能效果相差较小，但从舒适行角度来看，PMV控制要由于温度控制方式。而从能耗方面来看，在夏季工况下，PMV控制的能耗要比采取温度控制方式的能耗低1%左右，从数据上可以看出PMV控制是有一定节能效果的，但是在冬季工况下，采取温度控制的能耗要优于采用PMV控制的能耗，但它是以损害乘客舒适度为前提的。可见，总的来讲，采用PMV控制方式时节能效果要优于采用温度控制方式的节能效果，在之后的节能过程中，需要更注重旅客的舒适感以及建筑能耗，进而使建筑节能情况达到最优。
4. 结论
文章通过比较温度控制以及PMV控制下的旅客舒适性以及空调系统节能情况，进一步得到采用PMV控制方式在提供舒适环境以及节能方面较优。但本文在研究过程中未对空调的自控系统进行深入的分析，因此在之后的研究中将深度研究这一话题。对大型公共建筑集中空调的能耗情况进行对比，进一步丰富了能耗比较方法，对之后深化暖通设计工作有中要走意义。
参考文献：
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