截至2022年底，我国境内运输机场共254个，航站楼面积1 798.9 万m2[1]。到2035年，机场建设的绿色低碳循环发展体系将更趋于完善，航空运输实现“碳中性”增长，机场碳排放将逐步进入峰值平台期[2-3]，对机场建筑的能源管理与环境优化控制提出了更严格和苛刻的挑战。随着人们对美好生活向往的意愿不断提升，高质量出行已经成为人们日常生活中重要的一环，民航业呈现出蓬勃发展的态势[4]。2022年完成旅客运输量25 171.32万人次，比上年下降42.9%；完成货邮运输607.61 万t，比上年下降17.0%。航站楼作为具有高大空间的交通枢纽类建筑，呈现出体型大、幕墙高、进深强及功能分区多的特点，且在室内环境中人员密集且流动复杂，舒适需求迥异。LIN等[5]、YILDIZ等[6]、余娟等[7]、马明辉等[8]在调研中发现，航站楼运行能耗高且单位面积能耗强度大的特点，环控参数设计不合理、控制方案逻辑不清晰是主要问题，尤其是室内环境还存在较大的优化空间，调控方法与能源管理系统亟须升级。1航站楼功能区域的空间特点现代航站楼设计具有复合化的功能，是舒适性空间及先进技术集成的商业、餐饮、文化、交通为一体的综合建筑[9]。值机大厅：值机大厅是办理乘机手续和货物托运的关键场地，人员密度较高，场地设计一般采取开放式的值机环境，岛式布局排列紧凑，在增加了服务面积的同时提升了办事效率，此区域容易出现局部过热的现象，是局部热环境调控的关键区域。候机大厅：候机大厅的核心功能是为乘客提供休息空间，人员的状态主要以静坐为主，身体代谢显著降低，人员更关注内部空间的明亮通透性及室内空气的舒适性，且人员的停留时间较长，因此也是环境控制的重点区域。到达大厅：旅客进入到达大厅后，在等待行李的过程中人员密度较高，有行李托运需求的乘客会在此地停留较长时间，人员的过度聚集会导致室内负荷存在强烈的不均匀性，在系统末端调控中存在明显的间歇性。商业与餐饮区：商业与餐饮区是为旅客提供娱乐消费的场所，从功能设计上处于商业夹层内，通常采用轻型围护结构，蓄热能力较小，室外的气象参数容易对室内环境造成影响。夏季里裸露的钢结构成为传热的薄弱环节，而大面积的玻璃幕墙会引入极强的太阳辐射，存在局部温度过高的现象；冬季里轻型围护结构会使室内的热量传出室外，造成整体负荷提升。2航站楼环境感知与控制参数的映射关系航站楼作为服务型的大型公共建筑，其环境感知参数的控制涵盖温度、湿度、颗粒物、声环境、光环境和CO2浓度等[10]。各个参数之间相互耦合，为整体性的环境控制参数带来了巨大难度，航站楼的特殊性也意味着其在室内环境控制上比普通公建具有更大的优化空间，尤其是在热感觉和热舒适上，旅客对于室温的敏感度、服装热阻和空间移动的属性均有更复合化的要求。对于航站楼的空调环境研究中，HUANG等[11]、JIA等[12-14]针对公共交通枢纽的航站楼展开了大量的调研与实证分析，结论指出相较于长期占用场地的作业人员，机场乘客仅在短时间内占用公共空间，旅客在从自然环境过渡到空调环境时表现出了更高的耐热性，而不仅是热环境的要求，颗粒物、CO2等都是旅客关注的重点。航站楼室内外环境感知与参数映射关系如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.004.F001图1航站楼室内外环境感知与参数映射关系3航站楼室内环境控制原理3.1热湿环境控制原理建筑环境中，通用的热环境计算控制指标是预测平均热感觉指标（PMV），能够表述特定环境变量中组合指标所产生的综合热感觉，还能表述出预期不满意百分率。参数指标主要由空气温度、湿度、速度及平均辐射温度指标。PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.028]L （1）L=M-W-3.96×10-8fclTcl+273.154-Tr+273.154 -fclhcTcl-T -3.05×10-3×5 733-6.99(M-W) -Pa -0.42(M-W-58.15) -1.7×10-55 876-Pa -0.001 4M(34-T) （2）式中：M——新陈代谢量（W/m2）；W——人体的对外输出功（W/m2）；fcl——人体着装与裸体面积的比值；T——所在地的空气温度（℃）；Tcl——衣服的外表面温度（℃）；r——平均辐射温度（℃）；Pa——水蒸气分压力（Pa）；hc——衣服和空气之间的表面换热系数［W/（m2·℃）］。3.2颗粒物环境控制原理航站楼的颗粒物主要有两个来源，分别是室外通过渗透作用进入室内的颗粒物及室内活动所产生的颗粒物。而在现场的监测系统中，通常采用实时I/O比值直观反映出室内颗粒物占据到室外颗粒物的比值关系，颗粒物浓度的计算原理：Cin=Cout×Finf+Cs （3）式中：Cin——监测时间段内航站楼的室内颗粒物浓度（mg/m3）；Finf——渗透系数；Cout——监测时间段内室外颗粒物浓度（mg/m3）；Cs——室内源贡献的浓度（mg/m3）。3.3CO2环境控制原理机场航站楼属于人员密集场所，在局部空间内会产生大量的人员聚集，但机场航站楼是高大建筑，因此人员产生的CO2内扰将会被迅速稀释，因此在对环境系统进行控制时，需要强化新风系统的介入，计算新风的差分法原理。u=Ct+1-CtΔt-QVCout-Ct+1+Ct2⋅V （4）ACR=uv （5）式中：Ct、Ct+1——两个时间前后室内CO2浓度（mg/m3）；V——房间的体积（m3）；u——通风换气风量（m3）；t——时间（h）；ACR——室内通风换气次数。3.4生物气溶胶环境控制原理室内空气的气溶胶浓度与颗粒物、温湿度、CO2浓度及换气效率均具有直接关系，室内气溶胶浓度计算由possion回归分析，数值表达经验公式：U=C1+eC2+∑i=1nαiPi （6）式中：C1——修正常数；C2——现场的基础值修正常数；αi——修正系数，室内温度保持稳定时，α系数取0.9；U——生物气溶胶的浓度（CFU/m3）；Pi——颗粒物浓度、CO2浓度（mg/m3）。4航站楼建筑节能优化控制策略机场航站楼的能源系统运行是一个高度动态的过程，“室外气象—旅客”之间交互作用难以控制和预测[15]。传统航站楼的设计缺乏旅客、环境及能耗信息数据采集手段，使用者行为和需求难以反馈。随着软硬件成本下降及智能化系统发展，数据采集、结构设计发生变化，基于人行为的能源系统联动控制成为可能，优化策略不断更新。模糊控制：基于空调冷量为被控变量，综合考虑室内负荷特性、室外环境参数等因素的影响，模糊控制主要以实时的采集数据为核心依据，参照预测负荷提前调节冷冻水流量，系统性解决了大时滞、大惰性的控制滞后问题，实现了供给侧和需求侧的匹配。航班联动控制（间歇运行）：通过航班动态信息的数据联动，将人工设置空调作息时间优化为针对航班的区域特点智能启闭的应用模式。航班联动控制（变环境设定）：通过负荷模拟软件对室内热环境进行前期模拟，作息时间完全参照机场航班规划的日程时间进行数据导入，气象参数的边界条件依据天气预报，人员数量按照所在航班的人员规模进行设定，最终将负荷模拟结果导入到控制系统中，实现控制过程的前置。航班联动控制（变环境设定）是目前环境优化控制的关键方法，基于动态热舒适为控制目标将负荷结果进行前置，实现联动优化的控制方案。在硬件层面上，算法层面中的模糊算法、神经网络算法、混合模型预测控制（HMPC）方案均能减少公共建筑的运行能耗和成本，在满足人员偏好的同时实现了设备控制与能耗优化。5航站楼能源系统的系统架构与平台设计5.1系统架构现场层：DDC控制器现场层网络支持Modbus、BACnet、Lonworks或自主开发的现场总线连接扩展模块[16]，串口Modbus等通信现场设备采用控制器直接连接服务器。控制层：DDC控制器采用以太网通信方式输出至以太网交换机（星形连接、TCP/IP协议）。串口设备采用网络协议转换服务器接至以太网交换机。以太网主DDC控制器（管理控制器）所配置的节点数量不超过最大容量60%。传输层：航班信息系统、冷冻、热力监控系统、幕墙气动侧窗开闭系统、电力监控系统等接入BA系统。传输层均采用星形连接方式，TCP/IP通信协议。5.2系统响应时间指标控制中心显示屏数据刷新时间≤3 s；控制中心发出控制指令至被控设备动作时间≤1 s。5.3系统及各子系统监控内容能源系统的监控范围为航站楼及交通中心，监控内容主要包括中央空调系统、给排水系统等，中央空调系统包括各类空调机组、各类新风机组、各类送排风机、气动侧窗装置、VRV多联机、电力监控系统等。能源系统的设计能够依据建筑的不同区域，按航站楼和交通中心的功能需求、负载特性及气候参数采取科学的节能控制策略。5.4能源平台模块设计能源平台是基于航站楼节能优化控制方法中的航班联动控制（变环境设定）方法，集可视化、智能控制算法及数据优化为一体，具备“水—电—气”联动控制及实时能耗展示的综合平台。数据通信模块：依据Metasys指定版本的SDK开发，以SDK方式与江森自控BA系统进行数据读写，采用ECC加密保证数据安全。供能负荷预测：自动控制系统依据变环境设定的参数要求，依据负荷预测软件根据气象参数数据、建筑用能特性及航班、客流信息等预测次日及未来不同周期的空调负荷。随着过程运行数据的不断积累，针对预测数据不断修正，提升预测模型的训练精度，为自动控制系统的优化运行策略及策略寻优提供依据。AHU控制模块：包含焓差计算和焓差控制，计算AHU实时节能率、节能效果和优化前、优化后的频率比较展示。模型及算法：模型及算法中央空调机理模型、控制模型界面和实时数据展示，建立基于末端负荷预测的能源需求模型；基于风水系统的“风水联动”节能控制模型；基于焓差控制的AHU风机节能控制；基于人体舒适度指标的室内环控模型。控制策略：包含温度控制策略、湿度控制策略、CO2控制策略、能源管理策略及末端主动性冷量需求调节策略，并依据风水联动加减泵策略、动态控制调节负荷，运行策略自动寻优功能。组态展示：包含冷热源、风水联动、末端环控的整体展示、末端的温湿度及人体舒适性指标实时展示页面。数据查询及展示：展示实时运行数据、历史数据查询及展示、数据异常值检测、异常值提醒及数据关联性分析，实现数据模型及数据分类、回归、聚类的展示功能。能源系统监控管理平台如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.004.F002图2能源系统监控管理平台6结语智慧型的能源管理系统为机场建筑的节能控制提供了全新的载体，在显著提升机场信息化水平和人员舒适性的同时，极大地节约了运营成本，促进机场管理获得良好的节能收益。随着智能化和信息化技术的不断发展，节能增效已经成为民航业高质量发展的关键工作，本文参照《绿色机场规划导则》《四型机场建设导则》的建设目标和功能要求开展优化设计，助力机场建筑实现“双碳”目标。