《Energy and Buildings》：Multi-parameter interaction optimization for dynamic energy matching in PV driven air conditioning with different BIPV types
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针对机场终端楼高能耗与热舒适不足问题，通过缩尺实验与全尺计算流体动力学模拟，对比传统混合通风（MV）、置换通风（DV）及新式柱附通风（CAV）的六项评价指标，发现MV热感差（PPD约50%），而CAV/DV温差大（4℃）但热舒适（PPD<20%）。CAV在能耗上较MV和DV更优，为机场等柱式建筑提供兼顾舒适与节能的通风策略参考。
尹海国|郭梦茹|张静英|杨长青|熊静|张颖|马江燕|傅海生|王国东|李安贵
西安建筑科技大学，中国陕西省西安市710055
摘要
为了解决机场航站楼全空间控制中高能耗和热舒适度不佳的问题，本文提出了一种新型的“柱附通风”系统。该系统的通风方式是将出风口设置在房间内的柱子侧面，依靠空气的附着力驱动气流向下流动，最终在地面形成“空气湖”并扩散到整个区域。本研究采用缩比实验和全尺寸计算流体动力学（CFD）模拟相结合的方法，通过六个评估指标（包括温度、风速和足部温差）比较了三种不同通风方式（传统混合通风、置换通风和CAV）对机场航站楼热环境分布的影响。结果表明，在热舒适度方面，混合通风（MV）的足部温差较小，但热感觉较差，不满意预测百分比约为50%；相比之下，CAV和置换通风（DV）表现出更明显的气温分层现象，某些区域的足部温差可达约4℃，但其不满意预测百分比低于20%，表明具有更好的热舒适度。此外，在能耗方面，与回风温度较低的MV和CAV相比，采用上回风的CAV和DV更加节能，整个空间的温差最大仅为3℃。这些发现表明，不同通风方式在不同的评估标准下具有各自的优缺点，为基于具体应用场景选择合适的通风策略提供了重要参考。
引言
近年来，随着全球航空业的快速发展，作为关键交通枢纽的航站楼数量显著增加。根据国际机场理事会（Airports Council International）发布的《2023–2052年世界机场交通预测》，2023年全球机场总客流量约为87亿人次，预计到2042年将达到193亿人次[1]。随着机场客流量的增加和航站楼规模的扩大，乘客对室内环境舒适度的关注度也越来越高。航站楼通常具有大跨度结构、高开放度、多层连接以及高乘客密度和流动性等特点，这些建筑特性给通风和空调系统带来了独特挑战。研究表明，航站楼的空调系统运行时间较长，占建筑总能耗的40%–80%[2]、[3]。同时，乘客在航站楼的平均停留时间为0.5至1小时[4]，而气溶胶颗粒（空气动力学直径小于5微米的液滴核）可以在空气中悬浮较长时间[5]、[6]、[7]、[8]，并在短距离或长距离内传播[9]、[10]、[11]、[12]，这使得航站楼容易发生频繁且高风险的病毒传播[13]。因此，探索航站楼的热环境特征并确定能够兼顾能源效率与室内热舒适度和空气质量提升的通风和空调系统至关重要[15]、[16]、[17]、[18]。
目前，大型空间的空调系统常采用分层空调、置换通风、地板下送风或喷嘴送风等方式[19]。常见的通风系统包括传统混合通风（MV）、置换通风（DV）和柱附通风（CAV）。混合通风在航站楼中广泛应用，主要形式为分层空调通风或浮岛送风。分层空调通风系统通常使用喷嘴送风方式，适用于高度超过10米的场所，如机场、医院和体育场[20]。由于这类建筑的上层空间使用频率较低，分层空调系统可以依靠机械动量确保空气均匀分布，已被广泛应用于西安咸阳国际机场T2航站楼和北京首都国际机场T2航站楼（如图1a所示）[22]、[23]。然而，在机场航站楼等大型空间中，喷嘴送风方式的高位置限制了其在占用区域的有效性，能耗问题依然存在[24]。此外，与室外环境相连的开放空间在冬季容易受到冷空气侵入[25]、[26]、[27]。为了解决这些问题，北京首都国际机场T3航站楼和北京大兴国际机场采用了浮岛送风方法[28]、[29]，但仍需进一步优化通风效率、能耗和热环境性能[30]、[31]。
在空气受浮力作用可上升的空间中，置换通风（DV）系统可能更为适用[32]。DV从房间下部输送处理过的空气，使受污染的空气通过浮力从顶部排出。随着时间的推移，在热源和天花板的影响下，气流达到一定高度后变得湍流，并形成垂直温度分层[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。与混合通风相比，DV主要针对特定区域负荷，能在某些空间实现局部环境控制[38]、[39]，同时提供更高的通风效率和热舒适度[40]、[41]、[42]、[43]，特别适合工厂、办公室、体育场和火车站等大型空间[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]。目前，DV已成功应用于西安咸阳国际机场T3航站楼和泰国素万那布米机场[22]。但由于浮力作用，DV系统会产生垂直温度分层，过高的温度梯度可能超出标准热舒适范围，导致使用者不适。因此，DV常与地板下送风等优化方法结合使用[51]、[52]、[53]。
基于建筑空间中柱子和立柱的普遍存在，本文提出了一种新型的CAV模式，以解决传统通风方式的高能耗问题。该模式利用狭缝出风口实现附着力气流，形成类似DV的“空气湖”，避免了混合通风中的空气短路问题，并消除了置换通风系统中出风口布置的不便[54]、[55]。此外，CAV能够实现远距离空气输送，减少实际送风量，提高通风效率，并显著降低空气分配的能耗[15]。研究表明，在满足室内设计参数的前提下，CAV在夏季可降低15%的制冷能耗[56]。该系统也适用于地铁站、购物中心和机场等柱子较多的建筑[38]、[54]、[57]、[58]，例如在雄关高铁站候车厅和西安咸阳国际机场T5航站楼已有应用（如图1b所示）。然而，关于CAV在多层交通建筑中的热舒适度效果，目前仍缺乏足够的理论支持[59]、[60]。因此，深入研究CAV对航站楼热环境的影响，并与混合通风和置换通风进行综合比较，具有重要的理论和实践意义。
然而，现有的关于航站楼热环境模拟和现场测量的研究主要集中在优化单一通风方式（如传统混合通风MV）上。对包括MV、CAV和DV在内的多种通风策略的全面比较分析仍不足。特别是，缺乏关于不同通风策略下大型航站楼内垂直温度梯度、速度场分布和人体热舒适度指标的定量研究，这给选择合适的通风方式带来了挑战。
因此，本研究结合缩比实验和全尺寸数值模拟：（1）以西安机场为原型，建立不同通风方式（传统混合通风MV、置换通风DV和新型CAV）的全尺寸模型；（2）探索不同通风方式下航站楼的热环境特征，重点分析关键区域和不同高度处的速度场和温度场分布；（3）通过多指标评估进行纵向和横向比较，确定不同通风方式的功能优势和劣势。研究结果将为航站楼通风系统的优化设计提供科学依据。
几何模型
本研究基于西安的一个国际机场构建了缩比模型实验平台，用于验证气流速度场。如图2所示，该机场的T3航站楼包括T3A和T3B两部分。T3A的建筑面积约为253,000平方米，包括南北连接建筑、国际候机厅以及T3A与T2之间的连接建筑。北侧连接建筑共三层，矩形平面尺寸为...
速度场分布
从图10a中的速度分布可以看出，在三种通风方式下，大多数区域内的整体风速差异不超过0.1米/秒，且风速始终低于0.15米/秒。与其他两种通风方式相比，混合通风在每个楼层的脚部高度（0.1米、5.1米和10.1米）处的风速最高。此外，在一楼区域，由于多股气流的快速汇聚...
结论
本研究采用缩比实验和全尺寸CFD模拟相结合的方法，比较了三种不同通风方式（传统混合通风MV、置换通风DV和CAV）对机场航站楼热环境分布的影响，并得出以下结论：
1)工作区域内的速度场分布：所有通风方式在脚部高度处的速度均达到最大值
局限性
本研究的局限性在于仅针对特定机场进行了研究。基于2021年西安咸阳国际机场的COVID-19疫情，研究团队进行了现场测试、缩比实验和模拟，以追踪病毒在航站楼内的传播情况。在此基础上，团队对航站楼的热环境进行了深入研究...
作者贡献声明
尹海国：撰写 – 审稿与编辑、方法论、资金获取、概念构思。
郭梦茹：撰写 – 初稿撰写、可视化、形式分析。
张静英：形式分析、数据整理。
杨长青：数据整理。
熊静：调查研究。
张颖：撰写 – 审稿与编辑。
马江燕：撰写 – 审稿与编辑。
傅海生：撰写 – 审稿与编辑。
王国东：撰写 – 审稿与编辑。
李安贵：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52578142）、陕西省重点研发计划国际合作项目（2025GH-YBXM-013）、陕西省海外学者优秀科技活动资助（项目编号：2022-005）以及陕西省国际建筑服务科学与地下空间环境联合研究中心的支持。
