夏熱冬冷地區(qū)某航站樓冷源方案研究

陳波，趙平

（四川省機(jī)場(chǎng)集團(tuán)股份有限公司 610041）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，民航事業(yè)處于高速增長(zhǎng)期。樞紐機(jī)場(chǎng)一般以建筑群的形態(tài)存在，一般由航站樓、交通換乘中心、酒店、停車樓、能源中心等組成。因航站樓體量大、占地面積廣、外觀獨(dú)特等特點(diǎn)，在航站樓內(nèi)難以設(shè)置冷卻塔、煙囪等，從而一般單獨(dú)規(guī)劃能源中心為航站樓提供動(dòng)力。能源中心常常遠(yuǎn)離航站樓，水系統(tǒng)作用半徑大，系統(tǒng)方案的對(duì)比選擇顯得尤為重要。學(xué)者們對(duì)不同機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了有益的研究［1-5］。丁艷虹［6］等研究了昆明新機(jī)場(chǎng)主體大樓中央空調(diào)的控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并如期實(shí)現(xiàn)精確控制，蓄冷量大，節(jié)能節(jié)水的目標(biāo)。于凌燕［7］等改造了虹橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)某樓體空調(diào)冷凍水水泵，對(duì)輸水量與揚(yáng)程進(jìn)行了精確匹配，實(shí)現(xiàn)了有效的節(jié)能改造。周敏［8］等對(duì)西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)4#制冷站進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，由于輸冷距離較遠(yuǎn)，重點(diǎn)對(duì)管道規(guī)格和排布進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了良好的節(jié)能和運(yùn)行效果。

集中空調(diào)和居民空調(diào)是居民生活生產(chǎn)用電的重要組成部分，由于電力供應(yīng)高峰不足而低谷過剩的矛盾突出，結(jié)合政府出臺(tái)的峰谷電價(jià)政策，空調(diào)中的蓄冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電負(fù)荷“移峰填谷”。本文重點(diǎn)研究了水蓄冷、冰蓄冷等技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能實(shí)踐。

1 蓄冷技術(shù)

空調(diào)蓄冷技術(shù)是指采用制冷機(jī)和蓄冷裝置，在電網(wǎng)低谷的廉價(jià)電費(fèi)計(jì)時(shí)時(shí)段，進(jìn)行蓄冷作業(yè)，在空調(diào)負(fù)荷高峰時(shí)，將所蓄冷的冷量釋放的成套技術(shù)。蓄冷技術(shù)就是合理選擇蓄冷介質(zhì)、蓄冷裝置與設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成，利用優(yōu)化的傳熱手段，通過自動(dòng)控制，周期性實(shí)現(xiàn)介質(zhì)蓄冷和合理的冷量釋放。

常見的蓄冷技術(shù)可分為冰蓄冷和水蓄冷。因其蓄冷介質(zhì)不同，二者各自存在優(yōu)缺點(diǎn)。水蓄冷技術(shù)可以使用常規(guī)空調(diào)的冷水機(jī)組，管路簡(jiǎn)單，技術(shù)要求低，維修簡(jiǎn)單。水蓄冷屬于顯熱蓄冷方式，對(duì)蓄冷水池的保冷及防水措施要求高。冰蓄冷的蓄冷密度大，故冰蓄冷貯槽小，冷損耗低。對(duì)制冷機(jī)有專門要求，設(shè)備與管路系統(tǒng)較復(fù)雜。

鑒于水蓄冷和冰蓄冷的技術(shù)特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)各大機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目中都有采用。昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)、深圳寶安T3航站樓、天津海濱國(guó)際機(jī)場(chǎng)二期、上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)二期、重慶江北國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3A采用了水蓄冷技術(shù)；南京祿口國(guó)際機(jī)場(chǎng)、西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)二期、江西昌北國(guó)際機(jī)場(chǎng)采用了冰蓄冷技術(shù)。本文重點(diǎn)就夏熱冬冷地區(qū)某機(jī)場(chǎng)應(yīng)用蓄冷技術(shù)進(jìn)行優(yōu)選分析。

2 工程概況

夏熱冬冷地區(qū)某機(jī)場(chǎng)能源中心是機(jī)場(chǎng)建設(shè)的重要配套設(shè)施，能源中心主服務(wù)航站樓，交通換乘中心，軌道交通，航站區(qū)商業(yè)配套等建筑物。為提高能源利用效率，冷源采用常溫冷源與中溫冷源并設(shè)的方式，以提高制冷利用效率。在方案階段經(jīng)負(fù)荷計(jì)算后冷熱負(fù)荷匯總?cè)缦拢海ㄘ?fù)荷單位：kW，面積單位：萬(wàn)平方米）

表1 負(fù)荷匯總表

以上各項(xiàng)負(fù)荷另計(jì)入水系統(tǒng)溫升（降）的附加負(fù)荷，并根據(jù)服務(wù)區(qū)域的使用特點(diǎn)考慮一定的同時(shí)使用系數(shù)，能源中心提供的供冷能力需求為：常溫水部分83508kW；高溫水部分20897kW；供熱能力需求為49747kW。

該機(jī)場(chǎng)有較好的能源條件，電力、燃?xì)夤?yīng)充足，同時(shí)政府鼓勵(lì)機(jī)場(chǎng)合理轉(zhuǎn)移用電負(fù)荷，降低高峰時(shí)段的用電負(fù)荷率，對(duì)機(jī)場(chǎng)實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)政策，具體電價(jià)見表2。

表2 峰谷分時(shí)電價(jià)表

為充分利用供電優(yōu)惠政策，合理運(yùn)用經(jīng)濟(jì)手段確定制冷方案，對(duì)機(jī)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效益和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3 主要設(shè)備初投資比較

為避免系統(tǒng)過于復(fù)雜，提高蓄冷設(shè)備的全年使用率，僅對(duì)常溫水部份進(jìn)行蓄冷，中溫水系統(tǒng)不考慮蓄冷。按照該機(jī)場(chǎng)綠建三星的標(biāo)準(zhǔn)要求，蓄冷量為典型日負(fù)荷總冷量（常溫水部分）的30%，蓄冷量需同時(shí)滿足負(fù)荷均衡法，取二者的大值為設(shè)計(jì)蓄冷量。

不同的冷熱源系統(tǒng)，選取的設(shè)備存在巨大的差異。以常規(guī)系統(tǒng)為基準(zhǔn)，水蓄冷系統(tǒng)在蓄水罐上的投資比重大。冰蓄冷則因系統(tǒng)本身的工作原理，在雙工況冷水機(jī)組、乙二醇泵、蓄冰盤管等設(shè)備上存在巨大差異。

在項(xiàng)目初期，以常規(guī)系統(tǒng)作為基準(zhǔn)，就供冷供熱站房?jī)?nèi)主要設(shè)備及土建的初投資進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果如下：

從表3的比較可以看出，水蓄冷方案較常規(guī)系統(tǒng)的初投資增加約14.1%，冰蓄冷方案增加40.2%，增加的比重較大。

表3 初投資匯總表

4 能耗比較

以常規(guī)冷源系統(tǒng)作為基準(zhǔn)，對(duì)常規(guī)水系統(tǒng)、水蓄冷、冰蓄冷三種冷源系統(tǒng)進(jìn)行能耗比較。能耗模擬及運(yùn)行費(fèi)用分析的輸入條件為：1)供冷時(shí)段為每年的5月1日至10月15日，每日24小時(shí)運(yùn)行。2）供冷對(duì)象：航站樓、交通換乘中心、航站區(qū)商業(yè)配套等。

同時(shí)考慮不同方案下，主機(jī)COP與系統(tǒng)COP指存在的差異。蓄冰工況中，供應(yīng)低溫冷水，蒸發(fā)溫度低，機(jī)組的COP低。一次側(cè)乙二醇溶液通過板式換熱器和冷凍水進(jìn)行換熱，從而導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增加，水泵的能耗增加。

為準(zhǔn)確評(píng)估全年能耗，采用Design Builder軟件對(duì)供冷供熱站的服務(wù)區(qū)域進(jìn)行全年的冷負(fù)荷模型，結(jié)果如下：

圖1 全年冷負(fù)荷

圖2 水蓄冷系統(tǒng)全年逐時(shí)能耗

圖3 冰蓄冷系統(tǒng)全年逐時(shí)能耗

結(jié)合該地區(qū)的峰谷電價(jià)政策，經(jīng)統(tǒng)計(jì)后得出傳統(tǒng)水系統(tǒng)方案、水蓄冷方案、冰蓄冷方案的全年運(yùn)行能耗，運(yùn)行費(fèi)用。如下圖所示：

圖4 各方案全年運(yùn)行能耗

圖5 各方案全年運(yùn)行費(fèi)用

在全年運(yùn)行能耗方面，水蓄冷系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗與傳統(tǒng)系統(tǒng)幾近持平，冰蓄冷系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗較傳統(tǒng)系統(tǒng)高出29.1%。 在全年運(yùn)行費(fèi)用方面，水蓄冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)方案費(fèi)用降低32.8%，冰蓄冷系統(tǒng)比傳統(tǒng)方案費(fèi)用降低19.4%。

排開初投資、運(yùn)行能耗與費(fèi)用，對(duì)于系統(tǒng)的自控系統(tǒng)、運(yùn)行管理也是必須考慮的因素。冰蓄冷系統(tǒng)較常規(guī)額外增加了板換、蓄冰盤管、乙二醇泵，系統(tǒng)較為復(fù)雜；而水系統(tǒng)較常規(guī)系統(tǒng)而言，僅增加了蓄水罐。在自控系統(tǒng)方面，冰蓄冷系統(tǒng)由于組件較多，各種工況轉(zhuǎn)換要求自控點(diǎn)位多，要求高水平的自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施；水蓄冷系統(tǒng)相比之下則自控點(diǎn)位較少。在運(yùn)行管理方面，對(duì)冰蓄冷系統(tǒng)提出了更專業(yè)更高的要求。

綜合三種冷源方案，在系統(tǒng)組件、運(yùn)行能耗與費(fèi)用、自控運(yùn)行、運(yùn)行管理等方面進(jìn)行匯總，水蓄冷系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)秀。

5 系統(tǒng)設(shè)置

基于服務(wù)區(qū)域?qū)湓吹男枨螅C合考慮系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、節(jié)能性、管理的便利性，經(jīng)多方案比較，采用以下冷源方式：常溫空調(diào)冷源采用電動(dòng)壓縮式冷水機(jī)組加水蓄冷裝置，實(shí)現(xiàn)電力的“移峰填谷”，通過利用峰谷電價(jià)差減少運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)增加供冷的保障度。蓄水罐與空調(diào)冷水系統(tǒng)直接連接，蓄冷水罐兼用作常溫空調(diào)冷水系統(tǒng)的高位定壓水箱。

該航站樓水系統(tǒng)龐大，空調(diào)常溫水采用三級(jí)泵變流量方式，其中一、二級(jí)泵設(shè)于供冷供熱站內(nèi)，三級(jí)泵分設(shè)于航站樓、交通換乘中心等各個(gè)三級(jí)泵房?jī)?nèi)。

6 結(jié)論

夏熱冬冷地區(qū)某機(jī)場(chǎng)地位顯著，中央空調(diào)系統(tǒng)蓄冷技術(shù)的選擇具有重要的節(jié)能意義。根據(jù)前期各種參數(shù)建模分析結(jié)果，能源中心空調(diào)冷源方案使用水蓄冷系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)兩種蓄冷方案的運(yùn)行費(fèi)用均明顯低于常規(guī)電制冷系統(tǒng)，其中從初投資、節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用方面來(lái)說(shuō)，水蓄冷系統(tǒng)的效益最好，結(jié)合良好的系統(tǒng)控制方式，將獲得較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益。冰蓄冷系統(tǒng)的增量投資較大，且冰蓄冷系統(tǒng)較復(fù)雜，要求更高的自控系統(tǒng)水準(zhǔn)及運(yùn)行管理水平。綜合各方面的比較，能源中心的冷源方案采用水蓄冷系統(tǒng)。