航站楼值机厅的围护结构外窗比率优化研究

李彦春

近些年，环境保护成了在经济发展的同时不得不面对的问题，首要任务便是限制对碳的排放。除了普通居民住宅、行政办公建筑之外，飞机作为人们主要的出行交通工具，其航楼站的碳排放也占到相当一部分比例。因此发展绿色航楼站成了目前不少学者的研究对象[1-3]。董健康[4]基于Visual Studio.NET平台，设计了一种具备较高可靠性的航楼站环境数据监测平台来对机场航楼站各种环境数据进行实时监测，通过对比天津滨海国际机场T2航站楼值机大厅的实测数据进行对比，发现所设计的监测系统具备较高的精确度和可靠性。王萌[5]以西安咸阳国际机场为对象，借助LED光源的优点，对西安咸阳国际机场航楼站的节能减排进行了设计，通过对比航楼站实际监测数据，发现借助LED光源设计的航楼站相比原航楼站具有更好的节能减排效果。魏文罡[6]对我国北方寒冷地区的机场航楼站进行了研究，并建立了供冷负荷预测模型，并基于负荷模型对冷水输送系统进行了优化研究，在实时监测的基础上不断对运行效果进行优化，发现优化后的系统系统工作效率更高。徐越辉[7]对武汉天河机场T2航楼站的中央空调冷却水系统进行了研究，并指出了其中存在的问题，根据所发现的问题提出了具体的整改方式，并通过模拟发现所提出的整改方案初步具备安全运行和节能减排的效用。虽然学者们对机场航楼站的减排措施进行了不少研究，却鲜有研究在航楼站结构设计方面进行具体的减排研究。因此本文尼日利亚机场航楼站为对象，通过建立建筑信息模型，对航楼站的天窗比率与能耗以及自然采光三者相关性进行研究，以此揭示建筑结构与能耗二者之间的相关性，为机场航楼站的绿色设计提供一定参考依据。

1 工程概况

航站楼项目分别位于阿布贾（Abuja）、拉各斯（Lagos）、哈尔科特（Port Harcourt）、卡诺（Kano），均为尼日利亚重要城市，地理位置重要，政治地位显著，经济发展相对活跃。尼日利亚全国地形复杂多样，地势北高南低。沿海为宽约80公里的带状平原；南部低山丘陵，大部分地区海拔200～500米；中部为尼日尔—贝努埃河谷地；北部豪萨兰高地超过全国1/4面积，平均海拔900米；东部边境为山地，西北和东北分别为索科托盆地和乍得湖湖西盆地。从滨海到内陆，沿线地势先抬升，后又逐渐降低，整体呈两头低中间高，地面高程0～1 280 m。沿线经过冲海积平原、剥蚀平原、剥蚀浅丘、高原等多种地貌单元。植被较发育，分布有次生林、稀疏草原林等。尼日利亚自建国以来未发生过地震，也没有专门的地震部门记录该方面的资料，且当地市政、公路和水电等方面的基础建设均未进行抗震设防，参考联合国全球地震危险评估计划（GSHAP，1999）发表的《全球地震危险图》（GLOBAL SEISMIC HAZARD MAP），尼日利亚全境50年超越概率10%、重现期475年下的地震动峰值加速度PGA＜0.2 m/s2，对应于中国标准条件下抗震设防烈度的小于6度区。

航站楼项目分为一期工程、二期工程和附属工程三部分。航站楼一期工程建筑面积近16万平米，主要工程项目包括：客运航站楼主楼及指廊、登机廊桥安装、行李系统设备安装、标识标牌安装、柜台安装、座椅安装、换乘中心、客运航站楼机场新建道路、停机坪（土方开挖、土方回填及压实、水稳层施工，水电管道预埋安装，管道井砼结构及砌体砌筑，混凝土完成，排水明沟等）。

二期工程以航站楼专用的设备和设施配备为主附属配套工程包括四个航站楼的供配电、供排水、消防、道路、停车等，主要内容包括：机场道路及收费站的新建和改造、供变电站及机场内部分水电设备的升级改造、阿布贾机场消防站拆迁及新建、阿布贾机场站坪控制室的新建、拉各斯站坪范围内的设施拆迁（职工宿舍、实验室等）及站坪扩建、阿布贾及拉各斯新老航站楼与其他功能区域的连廊走廊、个别机场范围内的绿化及拆迁等内容。

2 模型建立

由于尼日利亚机场航楼站大部近似呈现为矩形，因此为了保证模拟的效果，本文将尼日利亚机场直接简化为432 m×120 m×20 m的矩形结构（图1），为了排除其他因素的干扰，本文将航楼站东西两侧的墙体设置为热工绝热墙体，并将楼板设计为热工绝缘楼板。

图1 简化后的围护结构界面（来源：作者自绘）

除此之外，为了将天气因素确保在可控范围内，将当地实际的气象参数作为模拟的天气参数。其传热系数、太阳得热系数、可见光透射比等基本参数如表1所示。

表1 围护结构模型的基本天气参数

除了天气参数和航楼站本身设计之外，还需确定运行人员的参数设置。图2为2018年1～6月当地民航局统计的航楼站在不同时间段的人员分布图。从图中可以看出，在各时段人员分布比率不同，在0：00～4：00段无人员出行，在4：00～8：00人员流量开始增加并在12：00与20：00分别达到峰值，最终在20：00～24：00开始下降。

图2 各时段人员分布曲线（来源：作者自绘）

采用Grasshopper参数化平台将开窗比率进行量化从而可以实现批量的能耗模拟，通过航楼站侧向天窗的设计方法，在保证视野连续的条件下采用水平带状，从上至下将两侧的墙窗比从0按0.1增量的形式递增到0.9。

3 结果分析

3.1 墙窗比的相关性分析

分别将南窗比与北窗比作为自变量，以能耗强度为因变量，通过模拟得出该该围护结构的建筑能耗量，并绘制了如图3所示的南窗比、北窗分别与能耗相关性分析。从图3可以看出，忽略掉局部微小的波动，整体上南窗比、北窗比与能耗强度具有一定的规律性，墙窗比与能耗强度呈现正相关，随着墙窗比的上升，能耗强度会持续上升。北窗比与南窗比趋势几乎一致，二者均呈现一元线性回归的趋势。此结果说明：墙窗比与能耗量具有正相关性，可用线性回归方程表示为E=kx+b。

图3 南窗比、北窗分别与能耗相关性分析（组图，来源：作者自绘）

通过图3（a）、（b）可以看出：相对于北窗比，南窗比的增长幅度更缓，其斜率k变化范围大致在[2.4，5.8]区间范围内波动，因此其相较于北窗比，南窗比中的斜率k受墙窗比的影响程度更深。而北窗比中的增长幅度较大，其斜率k变化范围大致在[12.6，14.9]区间范围内波动，其斜率k更为稳定。

3.2 航楼站自然采光相关性分析

除了对南、北天窗的墙窗比与能耗的相关性进行分析外，为了进一步分析天窗比与能耗的关联性，本文设置了自然采光与天窗比的关联性模拟分析。其墙窗比依旧采用前文的比率形式，借助动态日光模拟与动态评价方法进行研究。其动态评价标准采用的是sDA空间自然采光自主评价指标。由于机场航楼站要严格保证光环境，因此本文将sDA的取值以70%设置为评价体系的最低取值。

通过对其进行模拟，得到了如图4所示的三种不同的开窗比下sDA随天窗比的变化图。从图中可以看出sDA在天窗比一定的情况下与之呈现正相关，但随着天窗比达到一定限度后，随着天窗比的增大，sDA便不再变化。

图4 3种不同的开窗比下sDA分析（组图，来源：作者自绘）

在不同南窗比下其变化趋势均相似，表现为三段变化，分别为在天窗比为0～0.025区间段内，随天窗比增大，sDA增长较缓，但在天窗比为0.025～0.05区间内时随天窗比增大，sDA增长剧烈，但在天窗比达到0.05之后，其增幅逐渐放缓，最终不论天窗比如何增长，sDA均不再发生变化。

4 结语

本文以尼日利亚航楼站为对象，通过建立建筑信息模型，对航楼站的天窗比率与能耗以及自然采光三者相关性进行模拟研究，并得出了如下结论。

第一，墙窗比与能耗量具有正相关性，可用线性回归方程表示为E=kx+b，且根据南北窗比的不同，线性回归方程的斜率k变化范围也不同，具体表现为南窗比斜率更小，受墙窗比影响程度更大，而北窗比斜率较大，相较于南窗比而言更为稳定。

第二，通过自然日光模拟发现，sDA与天窗比表现出三段变化趋势，具体表现为在天窗比为0～0.025区间段内，随天窗比增大，sDA增长较缓，但在天窗比为0.025～0.05区间内时随天窗比增大，sDA增长剧烈，但在天窗比达到0.05之后，其增幅逐渐放缓，最终不论天窗比如何增长，sDA均不再发生变化。