浦东机场二期能源中心空调冷冻水系统

上海浦东机场二期能源中心空调冷冻水系统（水蓄冷）介绍一、概述上海浦东国际机场二期工程是一个综合性的工程，根据国内外大型机场的运营经验，能耗最大的是空调系统、照明配电等。因此，针对空调系统中的超大型集中冷热源站房（能源中心），如何采取有效的节能方法和降低运行费用，也是机场诸多节能措施中一个非常重要的环节。本项目通过科学论证和技术经济分析，成功地将超大型水蓄冷空调技术应用于浦东机场。在设计过程中，利用计算机仿真技术，通过建立计算机模型，优化了蓄冷罐的罐体以及布水器的设计。同时，根据对机场的空调负荷分析，利用BA控制系统，建立合理、可靠的运行策略，进一步达到节约运行能耗和运行费用的目的。该水蓄冷系统于2007年建成并投入运行，经过2007~2008年的系统调试和运行，取得了预期的节能以及大幅度降低运行费用的效果。二、浦东机场空调负荷分析2.1气候特征上海位于北纬31.17度，东经121.43度。上海属于亚热带季风气候，四季分明，日照充分，气候温和湿润。上海的春、秋季节较短，冬、夏季节较长。夏季受东南温暖及潮湿的季候风影响而炎热。秋季天气清爽，空气温暖湿润，是全年最佳季节。冬季寒冷而干燥。全年平均气温为16度。最热月份(即七月及八月)及最冷月份(即一月)的平均温度分别为28度及4度，其中七月及八月最高干球温度近乎38度。七月初是江南的梅雨季节多雨、潮湿、闷热。图2-1上海市年平均干球温度分布图2.2日照上海日照充足，太阳辐射最高的季节为春、夏季，最高辐射量可达900W/m²。其他季节平均辐射量也可达600～700W/m²。2.3空调负荷分析机场二期工程的冷源和热源由能源中心提供。二期能源中心供冷供热的服务面积为62万㎡，其中近期为T2航站楼49万㎡，交通中心3万㎡，远期为T3航站楼10万㎡。设计冷热负荷如下表2-1：表2-1能源中心供冷供热负荷夏季冷负荷(kW)冬季热负荷(kW)T2航站楼8016047153交通中心56263512T3航站楼2109612600空调冷负荷的设计日逐时冷负荷分布如下图：图2-3100%设计日逐时冷负荷图从图2-3中可以看出，负荷高峰集中在9：00～22：00之间，即空调冷负荷高峰出现的时间正处于用电高峰时间内。因此采用蓄冷空调技术，既可以起到电力削峰填谷的作用，又能大幅度降低空调冷源的运行费用。三、不同制冷方案经济技术比较根据对上海浦东机场一期空调实际运行情况的分析，得出其二期的空调负荷的大致分布情况（见表3-1）。本项目对上海浦东国际机场二期能源中心采用常规电制冷、冰蓄冷和水蓄冷等三种方案进行了详细的技术经济比较。当蓄冷率为17%时，电制冷、冰蓄冷、水蓄冷系统的机房设备投资以及运行费用见表3-2。浦东国际机场可享受0.229元/度的夜间低谷电价，为峰值电价的23％。表3-1负荷分布情况负荷分布100%75%50%25%总计天数24606036180表3-2采用17％的蓄冷量的空调冷冻水系统经济分析比较（万元）内容冰蓄冷水蓄冷常规电制冷备注制冷机组容量（RT）183201900024700a.功率因素：0.85b.配电设施费：800元/KVAc.基本电费：30元/kW.月D．年运行天数：180天机房设备用电功率（kW）186301826523212机房设备配电容量（KVA）219182148827308说明1一次投资机房设备概算14296.49123.39015.8机房配电设施费1753.417192184.6说明2合计160501084211200年使用费基本电费671658836说明3机房运行电费199917792428机房维护费用约100约80约80合计277025173344•由上表可以看出：•水蓄冷初投资仅10842万元，低于常规电制冷358万元，低于冰蓄冷5208万元，是最节省投资的方案。•水蓄冷设备配电容量最低。•年使用费（未计折旧费）也是水蓄冷最省，低于常规电制冷827万元，低于冰蓄冷253万元。•水蓄冷罐占地约1120m2。•通过常规电制冷、冰蓄冷、水蓄冷三种供冷方案的技术经济比较，可以得出采用以制冷离心式冷水机组为制冷主体的水蓄冷空调方式是上海浦东机场二期能源中心最佳制冷供冷方案的结论。说明1：机房设备配电容量为机房设备用电功率／功率因素说明2：机房配电设施费为机房设备配电容量x800元／kVA说明3：基本电费为机房设备用电功率x12月x30元／月*kW四、设备配置和运行策率4.1系统配置上海浦东国际机场二期能源中心水蓄冷系统的机房主要设备配置与技术参数见下表：表4-1采用17％的蓄冷量的空调冷冻水系统的机房主设备配置与技术参数表序号名称规格数量功率（kW）总功率（kW）1常规离心式冷水机组空调制冷量1900RT冷却水温度32／38℃冷冻水温度4／12℃10台1359135902冷却水循环泵1260m3／h、31.5m、1450rpm11台（10用1备）16016003冷冻水一次泵（定流量）760m3／h、22m、1450rpm11台（10用1备）757504冷冻水二次泵（变频控制）2020m3／h、50m、1450rpm6台（5用1备）35517755超低噪声横流式冷却塔冷却水量1200m3／h、冷却水温度32／38℃10台555506全自动控制系统PLC(含变频控制、传感器、电动阀等)1套07蓄冷槽蓄冷量29280RTH、实际容积11600m3、直径26m、高度22m2个04.2运行策率由于空调的冷负荷是随室外气温的变化而变化的，也就是说，室外温度的变化，决定蓄冷量的多少，进而确定蓄冷冷水机组的运行数量。根据对上海气象资料的分析，制定水蓄冷的运行策略图如图3-5～图3-8所示：图4-1100％设计日水蓄冷空调运行策略图4-275％设计日水蓄冷空调运行策略图4-350％设计日水蓄冷空调运行策略图4-425％设计日水蓄冷空调运行策略四、超大型水蓄冷技术简介空调耗电是上海市夏季供电紧张的主要原因之一。为了缓解夏季高峰时段的供电紧张状况，采用蓄冷空调系统对用电负荷进行削峰填谷，是经济和有效的方式。蓄冷空调技术就是在电力负荷低的夜间，采用电动制冷机制冷，利用蓄冷介质将冷量贮存起来。在电力负荷较高的白天或用电高峰期，把贮存的冷量释放出来，满足建筑物空调或生产工艺的需要。蓄冷空调多采用水蓄冷和冰蓄冷方式。水蓄冷系统采用常规空调冷水机组作为制冷设备，以保温蓄冷罐（槽）等作为蓄冷设备。空调冷水机组在用电低谷时段将4～7℃的冷水蓄存起来，空调运行时将冷水抽出使用。水蓄冷的特点是利用价格低廉、使用方便的水作为蓄冷介质，利用水的显热进行冷量储存的。与其他蓄冷空调系统相比，水蓄冷空调系统具备以下优点：1)设备的选择和适用范围广，常规空调的主机、水泵、空调箱以及配管等均能使用。2)适用于常规供冷系统的扩容和改造，可以通过不增加制冷机组容量而达到增加供冷量的目的。用于旧系统改造也十分方便，只需要增设蓄冷槽，原有的设备仍然可用，所增加费用不多。3)蓄冷、放冷运行时冷冻水温度相同或基本一致，冷水机组在这两种运行工况下均能维持额定容量和效率。4)可以利用消防水池、原有蓄水设施等作为蓄冷容器来降低初投资。5)可以实现蓄热和蓄冷的双重功能。水蓄冷系统更适宜于采用热泵系统的地区，可设计为冬季蓄热、夏季蓄冷，这对提高水槽的利用率，具有一定的经济性。6)设备及控制方式与常规空调系统相似，运行管理和设备的维修保养方便，无需特殊的技术培训。蓄冷罐储存冷量的大小取决于蓄冷罐储存冷水的数量和蓄冷温差。温差的维持可通过降低储存冷水温度、提高回水温度以及防止回流温水与储存冷水的混合等措施来实现。为了提高蓄冷水槽的蓄冷能力并满足供冷时的负荷要求，提高水蓄冷系统蓄冷效率，应当维持尽可能大的蓄冷温差并防止储存冷水与回流热水的混合，为实现这一目的，概括起来主要有四种方式：自然分层蓄冷、多罐式蓄冷、迷宫式蓄冷和隔膜式蓄冷。其中尤以自然分层水蓄冷技术应用最为普遍。5.1自然分层型水蓄冷技术水蓄冷技术的关键在于大温差、自然分层、均流布水，从而使斜温层更薄，更稳定。温度分层型水蓄冷是利用水在不同温度时密度不同这一特性，依靠密度差使温水和冷水之间保持分隔。温度低的水密度大，位于储槽的下部，温度高的水密度小，位于储槽的上部。这样可以避免冷水和温水混合造成热量的损失。经过技术经济比较，上海浦东国际机场（二期）能源中心采用了温度分层型水蓄冷方案。罐内温度分层示意图如下图5-1：温度罐高222002468101816141212345678910111213斜温层斜温层图5-1温度分层示意图在自然分层的水蓄冷槽中，斜温层是一个影响冷热分层和蓄冷槽蓄冷效果的重要因素。它是由于冷热水的导热作用而形成的一个冷热温度过渡层。它会由于通过该水层的导热、水与蓄冷槽壁面和沿槽壁的导热，并随存储时间的延长而增厚，从而减少实际可用蓄冷水的体积，减少可用蓄冷量。大型水蓄冷的斜温层厚度一般为1~2m。为了防止水的流入和流出对存储冷水的影响，在自然分层蓄冷槽中通过布水器从槽中取水和向槽中送水，布水器的作用是使水缓慢地流入水槽和从水槽中流出，以尽量减少紊流和扰乱斜温层。5.2计算机仿真研究根据文献报道，国内外水蓄冷容积多集中于数百至数千立方米，浦东机场二期工程能源中心采用的水蓄冷罐体积超过1万立方米，属超大型水蓄冷，国内尚无先例，国外亦属罕见。由于缺乏可参照的设计及运行经验，为了保证系统的可靠性，同时对系统的设计和运行提供指导，项目组与同济大学合作，进行了水蓄冷罐的仿真研究，并得到了以下主要结论：1)原水蓄冷罐设计及其运行条件可以实现温度分层并保证水蓄冷罐的稳定运行。2)按给定条件运行时，斜温层初始厚度0.49米，最大厚度2.7米，平均厚度1.6米，占蓄水深度的7%。3)为了减少对后续过程的影响，充冷过程应不少于6.5小时。释冷过程约为5.5小时，释冷结束后建议考虑适当的技术措施，有效利用残留斜温层的冷量，并消除对后续过程的影响。4)斜温层厚度随进出口温差增加而增大。在常用的空调冷水范围内，当保持进出口温差不变时，即使改变进出口温度，也不会对斜温层厚度产生影响。5)由于保温结构的作用，罐外环境温度对罐内冷水的影响控制在距罐壁内表面0.12m以内的环状空间，该空间内冷水量约占罐内冷水总体积的1%，最大温升0.6℃，蓄冷量损失约占总蓄冷量的0.65‰。6)无论充冷过程或释冷过程，进入水蓄冷罐的水温应保持恒定，避免因密度差产生浮力扰动而引起分层化的破坏。7)根据Re准数的要求，布水口的建议流速为0.03858m/s，最大流速为0.089m/s。六、水蓄冷系统的节能控制6.1控制原理水蓄冷控制系统通过对制冷主机、水蓄冷罐、水泵、冷却塔、管路(阀门)等设备的运行监测和控制，调整蓄冷系统的运行模式和应用工况，在安全和经济的条件下，满足空调末端系统的供冷。根据测量参数和设定值，合理安排设备的开停顺序和适当地确定设备的运行台数，最终实现“无人机房”，即系统操作人员在机房控制室内发出控制指令，通过现场控制器对机房内的设备控制。通过合理的调节控制，节省运行能耗，产生经济效益。水蓄冷系统控制原理如图6-1：6.2水蓄冷节能运行控制策略水蓄冷空调系统运行流程见下图6-2：系统启动模式判断选定运行模式开启模式切换阀门开启二次泵系统负荷预测室外温湿度判断季节月份判断开启制冷机系统调节相关阀门监测流量、冷量、液位6.3蓄冷和释冷过程控制1)充冷过程：在最开始蓄冷时，由于冷冻机不可能在开机后马上将12℃的水冷却到4℃（一般为5分钟），因此进入蓄冷罐底部的水是从12℃逐渐降低到4℃。再由于机组的启动也是逐台进行（每隔2分钟开一台，从开始开启第一台机组充冷到所需机组全部开启并且出水温度达到4℃需要大约20分钟），不同水温间也会有传热存在，因此在垂直方向形成一个斜温层，随着4℃冷水的增多，斜温层逐渐上移。斜温层的存在影响蓄冷效果与冷量，因此有效控制斜温层的厚度是蓄冷罐温度分层控制的重要内容。理论上全部蓄满应该是在出水温度达到4℃时停止蓄冷，但是为了保证冷冻机对最小供回水温度温差的要求，同时也是避免冷冻机长期