武汉天河机场T3 航站楼由旅客进出港处理部分的航站主楼和东、西2条候机指廊组成, 设计年吞吐量2 620万人次。T3航站楼面积49.5万m², 项目在地面铺设的毛细管总计约6万m²。冷辐射地板在机场航站楼的应用一方面可以有效提高航站楼空调的舒适性, 另一方面可大幅度降低该类建筑能耗, 因此武汉天河机场T3航站楼采用冷辐射地板的空调方式。

应用CFD及建筑热性能分析技术对航站楼的空调热环境进行研究, 考虑到武汉地区冬季较少采用集中供暖, 研究侧重于冷辐射地板的供冷能力分析。

选取东二指廊建立CFD计算流体动力学模型, 分析辐射地板敷设方式、供回水温度、地板传热量与地板传热温差之间的关系, 这些条件的处理方法是建立CFD模型的关键。通过CFD模型验证舒适度还可反推上述条件, 优化设计。

划分网格, 选择相应的物理模型如紊流模型、辐射模型、浮力模型以及适当的边界条件, 构建完成冷辐射地板供冷能力模型。

冷辐射地板表面温度对其供冷能力影响很大。地板表面温度受毛细管供回水温度及毛细管敷设方式的影响, 搞清楚地板表面温度对其供冷能力的影响对确定毛细管供回水及毛细管敷设方式有直接帮助。天河机场研究地板表面温度为19, 20, 22℃ 3种不同地板表面温度下毛细管的供冷能力。

以地板表面温度为19℃供冷能力分析为例。计算时假设冷辐射地板表面温度为19℃, 室外壁温度为38℃, 玻璃幕墙外表面综合温度47℃, 不透明屋顶外表面综合温度 70℃, 空调送风温度19℃, 地盘管送风温度18℃。

航站楼距地面1.1m高度的乘客停留区空气综合温度分布如图1所示。由图1可知, 采用冷辐射地板空调方式可获得相当均匀的综合温度分布。

通过对综合温度的研究, 得出地板表面温度为19℃时供冷能力在75W/m²左右。

同样, 由模型计算可知, 地板表面温度为20℃时供冷能力在70W/m²左右, 地板表面温度为22℃时供冷能力在65W/m²左右。

航站楼所在地的气象条件如室外温度、太阳辐射强度等对辐射地板供冷能力有很大影响。根据气象模型计算的武汉地区7月太阳辐射如图2所示。由图2可知, 武汉地区7月的室外太阳辐射总强度最大值在1 100～1 150W/m², 但大多数时间在850～900W/m²。

开始时太阳照射的区域很小, 太阳高度角较大, 单位面积地面接收到的太阳辐射热较大;随后太阳照射的区域逐步增加, 太阳高度角逐步减小, 单位面积地面接受到的太阳辐射热随之减少。辐射面积变化为:①14:00 太阳刚开始向西倾斜, 照入航站楼的范围很小但太阳光的强度很大;②15:00 太阳进一步向西倾斜, 照入航站楼的范围逐步扩大;③16:00 太阳向西倾斜, 照入航站楼的范围进一步扩大, 但太阳光直射到地面上的强度开始减弱;④17:00 太阳向西倾斜, 照入航站楼的范围进一步扩大, 但太阳光直射到地面上的强度进一步减弱。

分析可知, 投射到地面上太阳光的能量在 14:00最强, 但此时照射面积占总面积的百分比很小, 其意义不大。然后射入楼内太阳直射范围逐步增大, 但太阳光的能量逐步减少。这是因为随着时间的推移, 太阳辐射的强度逐步变弱。

由实测数据可知, 投射到冷辐射地板的太阳能瞬间转换为热量的比例较高。因此, 假设太阳直射照在地板表面上, 其能量瞬时转换为热量并被地板表面所吸收 (见图3) 。

模型计算结果表明, 太阳直射下的地板供冷量为136W/m², 基本等于当时的太阳照射强度。计算表明, 如果照射到地面上的太阳光在地面上全部转换为热量, 该热量很可能会被冷辐射地板吸收。

航站楼距地面1.1m高度的乘客停留区空气综合温度分布如图4所示。

综合温度分布结果, 表明毛细管辐射空调系统是一种可代替常规中央空调的新型节能舒适空调。

通过模拟结果可在已知地板传热量的情况下, 反推供回水温度及地板毛细管网栅敷设方式, 然后进行毛细管系统的深化设计。

毛细管网栅辐射空调由地面保温层、承重层、毛细管网栅、保护层以及分配器等组成。保温层和承重层是毛细管网栅基层, 根据其化学特性, 对建筑平面进行合理的平面模数分割, 防止地面起拱开裂。整个毛细管网栅施工工艺流程如图5所示。

根据公共建筑物毛细管网栅分布特点及毛细管分配器容量, 对毛细管网栅进行建模, 每组毛细管分配器控制在200m²左右, 每块毛细管网栅间隔30mm, 预留主管网及其他专业管线埋设空间, 考虑混凝土承重层膨胀系数, 每隔8m设置伸缩缝。

通过CFD计算流体动力学模型模拟分割后, 对毛细管网栅进行模型构造, CFD模型模拟计算时主要考虑距地面1.1m高度处毛细管辐射地板本身特性、室外气候、建筑围护结构、辅助空调送风方式形成的综合温度分布。

1) 利用BIM技术对现场需要敷设毛细管网栅区域进行重新分割划分, 对毛细管网栅尺寸进行重新划分 (见图6) , 确保现场毛细管网栅敷设利用率最大化, 调整好每块网栅尺寸后, 预制加工, 使毛细管网栅更有效均布。

2) 通过CFD计算流体动力学模型重新模拟计算, 各项参数基本满足设计要求即可出图。

通过BIM 技术对毛细管网栅定尺:长度控制在600～18 000mm, 宽度控制在150～4 000mm (见图7) 。

毛细管网栅的连接、毛细管与供回水管之间的连接及水系统塑料管的连接, 应采用热熔连接工艺。热熔连接工具:管切割刀、接触焊机或套管焊机 (带套管插件或内套管插件) 、尺子、标记笔。塑料材料热熔连接为:热熔套管连接, 焊接温度260℃。

热熔过程中, 管与管件承插深度建议控制在1.1cm以内, 以免烫伤毛细管。毛细管席熔接过程中, 毛细管角度应该在同一平面。

熔接时应先热熔管件再热熔毛细管主管。熔接过程中不应用力太大, 用力太大易产生缩颈现象。熔接调整好角度后保持30s。应注意, 过长加热时间和对接压力过大将导致管径变小, 过大对接压力会将焊接熔化段挤出而导致不能承重。

毛细管网栅在铺装面的固定采用双面丁基黏性胶带、卡钉、胶等, 用胶粘接时应确保胶对毛细管网栅无腐蚀方可使用, 固定位置应为毛细管网栅的固定夹, 毛细管网栅的2个端头宜适当增加固定点, 也可将毛细管网栅直接压入抹灰层固定。

毛细管铺装应平整 (见图8) , 检查毛细管固定卡固定位置, 毛细管应卡入固定卡的卡槽, 根据其他专业事先标记出的位置, 留出指示灯、地插、接线盒、消防、各种控制器等安装位置。

水分配器 (集分水器) 的安装应在系统压力测试前安装完毕, 水分配器与毛细管供回水支管连接, 应采用卡套式、卡压式挤压紧密连接;连接件应为铜质、不锈钢等非腐蚀性材料;铜质连接件与PPR直接接触面必须镀镍。

水分配器 (集分水器) 应具有分配水量、集气排气、泄水功能, 可制作也可购买成品;水分配器应为PPR、铜镀镍、不锈钢等非腐蚀性材质。

水分配器宜安装在空调房间或空气温湿度调节区域, 根据水分配器规格尺寸确定安装位置及高度, 安装位置、高度应方便各类阀门操作或根据设计要求确定。

毛细管网栅可以铺装在石膏板、水泥、石膏灰泥、地面等坚固的基层表面, 然后抹导热性好、坚固不易开裂的矿物灰泥覆盖, 覆盖层应为非摩擦型灰泥。

铺装毛细管网栅的基层应符合土建专业相关的平整度、垂直度的技术要求, 地面毛细管网整体覆盖厚度为6～8cm, 精装完成后厚度应≤8cm。

在地面装饰施工过程中, 毛细管中充水并保持系统设计运行压力在0.5～0.6MPa, 以便毛细管损坏可及时发现及修理。

天河机场三期扩建工程毛细管网栅安装在复杂、特殊条件以及较短工期下取得成功, 使本工程在经济效益和社会效益方面都取得了显著成效, 同时也提高了毛细管网栅技术水平, 为以后不同施工条件下毛细管网栅深化设计及施工提供了可借鉴的方法。