某機(jī)場(chǎng)衛(wèi)星廳水蓄冷空調(diào)的冷源群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃日帶

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州510010)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加速,電網(wǎng)峰谷差正逐年增大,電力供應(yīng)高峰不足而低谷過剩的矛盾日益突出,各大電網(wǎng)的峰谷差均已超過最大負(fù)荷的30%,平衡電網(wǎng)的用電負(fù)荷是十分必要的。 1995 年起,我國各地根據(jù)國家電力部門相關(guān)要求逐步推行了分時(shí)電價(jià)制度,并出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)用戶移峰填谷的優(yōu)惠政策,從而讓空調(diào)蓄冷技術(shù)的推廣有了政策基礎(chǔ)。 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)利用夜間低谷電力制冷,將冷量以冷凍水的形式蓄存起來,在用電高峰或空調(diào)負(fù)荷高峰時(shí)段向用戶釋冷。 相關(guān)資料表明,水蓄冷的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%,比其他幾種儲(chǔ)能技術(shù)轉(zhuǎn)換效率高10%～25%,既可節(jié)省用電,又能削峰填谷,平衡電網(wǎng)負(fù)荷,提高制冷機(jī)組運(yùn)行效率,節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

1 項(xiàng)目概況

深圳機(jī)場(chǎng)在國家“十三五”規(guī)劃綱要中定位為“國際航空樞紐”,目標(biāo)是建設(shè)成為粵港澳大灣區(qū)的世界級(jí)機(jī)場(chǎng)。 深圳機(jī)場(chǎng)衛(wèi)星廳項(xiàng)目位于深圳機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有T3 航站樓北側(cè),總面積23.5 萬m2(含B1 層管溝),呈“X”型,空調(diào)面積為16.03 萬m2。 衛(wèi)星廳與能源中心通過室外2.3km 的地下綜合管廊進(jìn)行連接,連接處靠近衛(wèi)星廳的東南、東北指廊。 衛(wèi)星廳旅客辦票、交運(yùn)行李及安檢全部在T3 主樓內(nèi)完成,T3 主樓和衛(wèi)星廳通過APM 連接。 深圳機(jī)場(chǎng)一直秉承“綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳”的生態(tài)文明建設(shè)宗旨,在建設(shè)過程中將水蓄冷技術(shù)用于空調(diào)項(xiàng)目, 是節(jié)省電能、合理利用電力的一項(xiàng)重要舉指。

2 水蓄冷技術(shù)

水蓄冷空調(diào)技術(shù)是利用水溫變化儲(chǔ)存熱量的蓄能技術(shù)之一。 水蓄冷以水作為空調(diào)系統(tǒng)的蓄冷介質(zhì),有著轉(zhuǎn)移高峰用電負(fù)荷、減少制冷機(jī)組裝機(jī)容量、利用峰谷電價(jià)差節(jié)省用電費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。 水蓄冷空調(diào)是利用電網(wǎng)的峰谷電價(jià)差,夜間采用冷水機(jī)組在水池內(nèi)蓄冷,白天水池放冷而主機(jī)避峰運(yùn)行的節(jié)能空調(diào)方式。 當(dāng)空調(diào)使用時(shí)間與非空調(diào)使用時(shí)間和電網(wǎng)高峰低谷同步時(shí),就可以將電網(wǎng)高峰時(shí)間的空調(diào)用電量轉(zhuǎn)移至電網(wǎng)低谷時(shí)使用,達(dá)到節(jié)約電費(fèi)的目的。 一般水蓄冷的蓄冷溫度是4 ～6℃,蓄冷溫差為6 ～10℃,本項(xiàng)目蓄冷溫度確定為5℃,蓄冷溫差為8℃。

3 水蓄冷群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 水蓄冷運(yùn)行控制策略

根據(jù)建筑圖紙,衛(wèi)星廳主體建筑面積約23.5 萬m2,經(jīng)過初步估算,本項(xiàng)目峰值總冷負(fù)荷約為12 800RT。 參考深圳機(jī)場(chǎng)T3 主樓水蓄冷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況,并結(jié)合本項(xiàng)目的峰值冷負(fù)荷,可大致得出本項(xiàng)目設(shè)計(jì)日的逐時(shí)負(fù)荷柱狀圖如圖1 所示。 根據(jù)全日負(fù)荷計(jì)算的數(shù)值與逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)及各建筑物的使用功能進(jìn)行綜合分析,再結(jié)合空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷分布圖1 及該地區(qū)水蓄冷空調(diào)分時(shí)電價(jià)政策,可制定出設(shè)計(jì)日的水蓄冷空調(diào)的運(yùn)行策略。

圖1 設(shè)計(jì)日空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷分布圖

以系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用最低為前提,用軟件進(jìn)行運(yùn)行策略模擬,對(duì)本項(xiàng)目在100%、75%、50%及25%負(fù)荷下的能源中心設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行分析,如圖2～5 所示。

圖2 100%設(shè)計(jì)日負(fù)荷運(yùn)行分布圖

圖3 75%設(shè)計(jì)日負(fù)荷運(yùn)行分布圖

圖2 所示在100%負(fù)荷率下,23 ∶00-7 ∶00 為蓄冷主機(jī)蓄冷模式,這期間為電力低谷時(shí)段,制冷主機(jī)開啟進(jìn)行蓄冷,部分直接供冷給用戶,大部分冷量進(jìn)入蓄冷水罐,儲(chǔ)存在蓄冷水罐內(nèi);7 ∶00-9 ∶00 與21 ∶00-23 ∶00 為制冷主機(jī)單獨(dú)供冷模式,此時(shí)處于電力平均時(shí)段,不啟用蓄冷水罐的冷量;9 ∶00-21 ∶00 為制冷主機(jī)與蓄冷水罐聯(lián)合供冷模式。 圖3所示在75%負(fù)荷率下,9 ∶00-11 ∶00、14 ∶00-16 ∶00和19 ∶00-21 ∶00 是蓄冷水罐單獨(dú)供冷模式;7 ∶00-9 ∶00、12 ∶00-13 ∶00 和17 ∶00-19 ∶00 為制冷主機(jī)單獨(dú)供冷模式,此時(shí)處于電力平均時(shí)段。 圖4 所示在50%負(fù)荷率下,9 ∶00-16 ∶00 和19 ∶00-21 ∶00 是蓄冷水罐單獨(dú)供冷模式;將大部分的蓄冷量用于電網(wǎng)高峰時(shí)段,降低運(yùn)行費(fèi)用。 圖5 所示在25%負(fù)荷率下,7 ∶00-23 ∶00,冷負(fù)荷很小,無需開啟主機(jī),只要將夜間蓄存的冷量用于供冷即可滿足用戶需求。

3.2 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備構(gòu)成

對(duì)于夜間負(fù)荷較小的項(xiàng)目,適合采用削減主機(jī)的蓄冷方案,可有效減少年運(yùn)行基本電費(fèi)和初投資,縮短回收周期。 根據(jù)上述水蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行控制策略進(jìn)行設(shè)備選型,本水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)主要由五臺(tái)1 800RT 離心式水冷機(jī)組、六臺(tái)160kW 變頻冷卻泵(五用一備)、十臺(tái)22kW 變頻冷卻塔(兩兩一組)、六臺(tái)75kW 變頻冷凍一次泵(五用一備)、六臺(tái)250kW 變頻冷凍二次泵(五用一備)、三臺(tái)75kW 變頻冷凍二次泵(兩用一備)、兩個(gè)有效容積均為11 439m3的常壓蓄冷水罐及其所需配件組成。

3.3 冷源群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 冷源群控系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計(jì)思路

建筑設(shè)備冷源群控系統(tǒng)是運(yùn)用自動(dòng)化儀表、計(jì)算機(jī)過程控制和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù),以實(shí)現(xiàn)冷源系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備集中監(jiān)視、控制為目的,達(dá)到優(yōu)化控制及管理而構(gòu)成的綜合系統(tǒng)。

基于冷源群控系統(tǒng)的組成特點(diǎn),關(guān)于冷源群控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是冷源群控系統(tǒng)監(jiān)控原理圖和冷源群控系統(tǒng)圖。 一般遵循以下設(shè)計(jì)思路:(1)明確冷源群控系統(tǒng)的控制策略,然后根據(jù)該策略進(jìn)行監(jiān)控原理設(shè)計(jì),繪制監(jiān)控原理圖。 (2)進(jìn)行冷源群控系統(tǒng)圖設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)冷源群控系統(tǒng)的整體控制設(shè)計(jì)。

3.3.2 冷源群控系統(tǒng)控制策略

冷源群控系統(tǒng)控制策略包括以下方面。

(1)冷負(fù)荷需求計(jì)算

根據(jù)冷凍水供回水溫度和供水流量測(cè)量值,自動(dòng)計(jì)算建筑空調(diào)實(shí)際所需冷負(fù)荷量。

(2)冷水機(jī)組啟?？刂?/p>

啟動(dòng):冷卻水泵→冷卻塔風(fēng)機(jī)→冷凍水泵→冷卻塔電動(dòng)閥→冷水機(jī)組。

停止:順序與啟動(dòng)相反。 冷凍水泵、冷卻水泵亦可單獨(dú)手動(dòng)投入運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)冷水機(jī)組聯(lián)鎖控制

本項(xiàng)目水蓄冷系統(tǒng)共有5 種模式,分別為:主機(jī)單獨(dú)供冷、主機(jī)單獨(dú)蓄冷、蓄冷水罐單獨(dú)供冷、主機(jī)供冷+蓄冷水罐蓄冷、主機(jī)+蓄冷水罐聯(lián)合供冷。 這5 種運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)的閥門和設(shè)備開關(guān)狀態(tài)如表1 所示。

能源中心水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況表 表1

1)在夜間電費(fèi)谷段,衛(wèi)星廳還有一部分空調(diào)負(fù)荷,此時(shí)5 臺(tái)主機(jī)全開,采用邊蓄邊供的模式,直至蓄冷罐蓄滿或電費(fèi)谷段時(shí)間結(jié)束時(shí)則停止蓄冷。

2)在電費(fèi)平段,主要采用主機(jī)單獨(dú)供冷模式,若制冷主機(jī)全開仍不能滿足該時(shí)段室內(nèi)負(fù)荷時(shí),再采取蓄冷罐和制冷主機(jī)聯(lián)合供冷模式,此時(shí)應(yīng)以主機(jī)供冷為主,蓄冷罐供冷為輔。

3)在電費(fèi)峰段,盡量開啟蓄冷罐單獨(dú)供冷,當(dāng)蓄冷罐蓄冷量無法滿足峰段負(fù)荷時(shí)再采取蓄冷罐和制冷主機(jī)聯(lián)合供冷模式,此時(shí)應(yīng)以蓄冷罐供冷為主,主機(jī)供冷為輔,主機(jī)單獨(dú)蓄冷模式一般情況下不會(huì)出現(xiàn)。

(4)制冷主機(jī)、一次冷凍泵、冷卻水泵臺(tái)數(shù)控制

1)單臺(tái)機(jī)組:根據(jù)本機(jī)組冷凍水進(jìn)/出水溫度及水量計(jì)算供冷量,進(jìn)行加載或卸載。

2)機(jī)組群控:根據(jù)冷凍水進(jìn)/出水溫度及水量計(jì)算系統(tǒng)總供冷量,同時(shí)根據(jù)每臺(tái)機(jī)組的效率曲線(由空調(diào)廠家提供)自動(dòng)總體計(jì)算系統(tǒng)每一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的總效率,以總體最高效率為原則決定單機(jī)的負(fù)荷率及開啟臺(tái)數(shù),且一次冷凍水泵和冷卻水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)應(yīng)與主機(jī)保持一致,運(yùn)行臺(tái)數(shù)做到總體最高效運(yùn)行。

此外根據(jù)業(yè)主要求,冷卻水泵配有變頻器,水泵流量比計(jì)算值適當(dāng)加大,平時(shí)根據(jù)管路特性曲線可調(diào)至45～50Hz 的某固定頻率定頻運(yùn)行,當(dāng)夜間室外氣候條件較好、冷卻水溫降低、主機(jī)供冷能力增加時(shí),再調(diào)高水泵頻率到50Hz,以加大主機(jī)的供冷量。

(5)冷卻塔控制

當(dāng)冷卻塔出水溫度＞15℃(暫定值,具體值按到貨制冷主機(jī)要求定)時(shí),冷水機(jī)組相應(yīng)的冷卻塔風(fēng)機(jī)全部開啟;當(dāng)冷卻塔出水溫度＜15℃時(shí),逐步減少對(duì)應(yīng)的冷卻塔組里的風(fēng)機(jī)開啟臺(tái)數(shù);當(dāng)冷卻塔風(fēng)機(jī)全部關(guān)閉,冷卻塔出水溫度仍＜15℃,且還需開啟冷凍機(jī)組制冷時(shí),開啟閥DVT-5,調(diào)節(jié)閥體開度,使冷卻水溫保持在15℃及以上。

(6)冷凍水泵變頻調(diào)節(jié)

1)根據(jù)末端最不利點(diǎn)壓力,變頻調(diào)節(jié)冷凍水泵,流量最大變化率每分鐘≤30%。 本系統(tǒng)末端最不利點(diǎn)分別位于衛(wèi)星廳西南和西北指廊的首層、二層,通過光纖及光電轉(zhuǎn)換把實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)傳輸回本系統(tǒng)。

2)多泵群控:變頻運(yùn)行時(shí)根據(jù)系統(tǒng)選定的壓力點(diǎn)提供的冷凍水供回水壓力變頻調(diào)節(jié)水泵的輸出頻率,同時(shí)根據(jù)每臺(tái)水泵的效率曲線總體計(jì)算系統(tǒng)每一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)水泵的總效率,以總體最高效率為原則決定單臺(tái)水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率及開啟臺(tái)數(shù),且水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)還應(yīng)與主機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)保持一致,做到總體最高效運(yùn)行。

(7)冷凍水壓差旁通閥控制

監(jiān)測(cè)冷凍水供回水壓差(大系統(tǒng)及24h 系統(tǒng)壓力最不利點(diǎn)),自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)旁通閥開度,保證供回水壓差保持在恒定值。

(8)水泵保護(hù)控制

水泵啟動(dòng)后,壓差感應(yīng)或水流感應(yīng)開關(guān)檢測(cè)水壓狀態(tài),如故障則自動(dòng)停機(jī)。 水泵運(yùn)行時(shí)如發(fā)生故障,備用泵自動(dòng)投入運(yùn)行,同時(shí)開啟對(duì)應(yīng)的電動(dòng)閥。

(9)機(jī)組定時(shí)啟?？刂?/p>

根據(jù)事先排定的工作及節(jié)假日作息時(shí)間表,定時(shí)啟停機(jī)組,并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)機(jī)組、水泵、冷卻塔的累計(jì)工作時(shí)間,提示定時(shí)維修。

(10)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)各檢測(cè)點(diǎn)的溫度、壓力、流量等參數(shù),自動(dòng)顯示,定時(shí)打印并進(jìn)行故障報(bào)警。

(11)自動(dòng)補(bǔ)水裝置、在線清洗裝置、水處理器監(jiān)測(cè)

自動(dòng)監(jiān)測(cè)自動(dòng)補(bǔ)水裝置、在線清洗裝置、水處理器運(yùn)行狀態(tài),提示定時(shí)檢修;故障及時(shí)報(bào)警。

(12)蓄水池水位監(jiān)控

自動(dòng)檢測(cè)冷卻水蓄水池高低水位,低水位自動(dòng)補(bǔ)水,超高水位及時(shí)報(bào)警(蓄水罐需要自帶水位傳感及其網(wǎng)關(guān)接口)。

(13)過濾器堵塞報(bào)警

水過濾器兩端壓差過大時(shí)報(bào)警,提示清洗。

(14)主機(jī)、水泵聯(lián)合控制

主機(jī)群及水泵群各自計(jì)算出運(yùn)行策略曲線后,再按實(shí)時(shí)負(fù)荷把主機(jī)及水泵的總功耗及總效率疊加,選出總體的效率最高、耗功最低點(diǎn)實(shí)施運(yùn)行;并根據(jù)往年的數(shù)據(jù),調(diào)整最優(yōu)運(yùn)行方式。

3.3.3 冷源群控系統(tǒng)監(jiān)控原理圖設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述冷源群控系統(tǒng)控制策略,根據(jù)空調(diào)工種提供的冷源設(shè)備資料及供冷需求進(jìn)行設(shè)計(jì),得到本項(xiàng)目的水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控原理圖,如圖6所示。

3.3.4 冷源群控系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與案例,最終確定本系統(tǒng)由服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)控制器、現(xiàn)場(chǎng)控制器、各類傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制層/管理層網(wǎng)絡(luò)以及操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等構(gòu)成,與能源中心建筑設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行集成,并利用綜合管廊布線主大對(duì)數(shù)光纜作為通信傳輸介質(zhì)與衛(wèi)星廳集成網(wǎng)連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互。

圖6 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控原理示意圖

本系統(tǒng)主服務(wù)器設(shè)于能源中心設(shè)備監(jiān)控分控室,服務(wù)器采用雙機(jī)冗余技術(shù),并在衛(wèi)星廳設(shè)備監(jiān)控總控制室內(nèi)設(shè)置管理工作站。 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制器(NC)、現(xiàn)場(chǎng)控制器(DDC)設(shè)于能源中心現(xiàn)場(chǎng)或控制室內(nèi)。 通信網(wǎng)絡(luò)分為兩級(jí)結(jié)構(gòu):管理層及控制層。 管理層網(wǎng)絡(luò)即為設(shè)備管理網(wǎng),采用千兆主干以太網(wǎng),客戶機(jī)/服務(wù)器數(shù)據(jù)處理模式,支持TCP/IP 通信協(xié)議;控制層網(wǎng)絡(luò)要求采用BACnet、MODBUS 等總線連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器、現(xiàn)場(chǎng)控制器,控制器之間可通過控制層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,系統(tǒng)要求總線最大傳輸距離≥1 200m。 根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中比較容易遺漏末端最不利點(diǎn)壓力的數(shù)據(jù)整合,以至于出來的制冷效果冷熱不均,部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)過熱。 本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中,最終確定了本系統(tǒng)四個(gè)最不利點(diǎn),其中兩個(gè)為大系統(tǒng)的最不利點(diǎn),位于衛(wèi)星廳西北和西南指廊的二層;兩個(gè)均為24h 系統(tǒng)的最不利點(diǎn),位于衛(wèi)星廳西北和西南指廊的首層。

通過統(tǒng)計(jì)監(jiān)控原理圖的點(diǎn)位,得出本冷源群控系統(tǒng)共設(shè)置AI 點(diǎn)90 個(gè),DI 點(diǎn)241 個(gè),AO 點(diǎn)39 個(gè),DO 點(diǎn)162 個(gè),共設(shè)置2 臺(tái)網(wǎng)絡(luò)控制器,30 臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制器。 此外水冷機(jī)組、蓄冷水罐、旁流水處理器、在線加藥裝置、冷量計(jì)量表裝置均由設(shè)備廠商配套提供數(shù)據(jù)接口、通信網(wǎng)絡(luò),各裝置均通過網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)控制器雙向通信,網(wǎng)絡(luò)控制器讀取裝置內(nèi)的各種運(yùn)行參數(shù)。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合項(xiàng)目所在地深圳市的電費(fèi)階梯價(jià)格差,以系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo),根據(jù)全日負(fù)荷計(jì)算的數(shù)值與逐時(shí)負(fù)荷系數(shù),用軟件模擬得到水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行策略,然后依據(jù)該策略進(jìn)行水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)選型,進(jìn)行冷源群控系統(tǒng)設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的智能化控制,達(dá)到最優(yōu)節(jié)能的目標(biāo)。 在冷源群控系統(tǒng)監(jiān)控原理圖和系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)中,整合系統(tǒng)最不利點(diǎn),避免制冷效果冷熱不均問題,讓冷源群控系統(tǒng)更加合理,為今后相關(guān)電氣設(shè)計(jì)提供案例及經(jīng)驗(yàn)支持。 在實(shí)際操作中讓項(xiàng)目運(yùn)行一段時(shí)間后,該系統(tǒng)還可根據(jù)累積的數(shù)據(jù),更精準(zhǔn)地控制水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行,節(jié)能收益會(huì)更加顯著。