某国际机场能源中心供冷系统的经济运行模式

某国际机场能源中心供冷系统的经济运行模式研究摘要：本文是对某国际机场能源中心供冷系统的经济运行研究工作的总结。我们分析了影响能源中心的供冷系统能耗的主要因素，通过理论分析、实际运行纪录分析和实测相结合的方法，针对某国际机场目前的情况和今后的发展规划，提出了一套经济运行方案，为某国际机场空调系统的进一步节能工作提供理论依据，同时对国内DHC系统的经济运行也有参考价值。关键字：机场供冷系统冷水机组1前言某国际机场位于上海东部，一期工程设计旅客流量为每年两千万人次，是目前国内客流量最多的国际机场之一。整个机场采用区域供冷供热（DHC）的形式，机场能源中心供应航站楼28万m2和综合区31万m2（二期增加25万m2）；冷负荷为82.8MW(二期增加19MW)，热负荷为60.8MW(二期增加14.6MW)，供应半径为2.6km，其他的建筑由分站供应。能源中心采用以电制冷为主体，部分汽、电、热泵联供的方式，一期配置了4台14MW（4000RT）、2台4.2MW（1200RT）的离心式水冷冷水机组和4台蒸汽双效吸收式冷水机组；1台4000kW的燃气轮机发电机、3台30t/h、1台20t/h的火管蒸汽锅炉和1台11t/h的余热锅炉。二期增加1台14MW（4000RT）、2台4.2MW(1200RT)的离心式水冷冷水机组：1台4000kW的燃气轮机发电机、1台30t/h的火管蒸汽锅炉和1台11t/h的余热锅炉。这样大规模的供冷系统能耗是巨大的，就某国际机场方面的要求，成立了以刘传聚教授为课题负责的同济大学热能工程系浦东机场经济运行研究课题组，在此后的一年中开展了工作，主要研究如何提高能源中心的运行效率，使之能够高效运行。由于空调系统的能耗主要包括制冷主机、水输送系统、空调末端三大部分，这三者是相互关联的，如何寻求主要的影响因素，对这三方面进行优化，是我们工作的重点，本文是工作的总结。2冷水机组的经济运行模式分由于某国际机场能源中心配置的14MW（4000RT）离心式水冷冷水机组是国内空调系统中所用单机容量最大的机组，对机组的性能特点和运行管理，国内没有可以借鉴的经验。为此应该对此冷水机组性能有明确的了解，以指导设备及系统的节能运行。我们结合对某国际机场能源中心单机容量14MW（40000RT）的OM机组和单机容量为4.2MW(1200RT)的YK机组的验收调试工作，针对机场建筑的负荷特点，对冷水机组及空调系统的节能运行提出了建议。2.1从主机的全性能曲线可以看出，在约80%的部分负荷时，冷水机组的效率最高；可见使冷水机组处在约80%的部分负荷状态是主机节能的有效途径。对于工程设计人员，可以在空调系统的方案设计阶段充分考虑建筑的空调负荷，变以满足设计工况为主的静态负荷设计为全年动态负荷设计，合理配置机组。对于运行管理人员，在分析总结机组运行记录后，尽量使用机组能够处于最优的部分负荷运行状态。2.2冷却水温的降低有利于制冷机组的节能运行，但是这样又会增大冷却塔的负荷，从而使其能耗增加，应尽量使机组在冷却塔与主机的能耗之和在最小的工况下运行。从测试结果可以看出，在30℃以下，制冷机组的冷却水进口水温对机组能耗影响不大；当水温为30.2℃时，其能耗指标比31.6℃时减少8.4%，比32.7℃减少12.4%。可见将冷却水温确定在约30℃时，对于提高冷水机组的能耗指标是较为有利的。2.3冷冻水温的高低直接影响空调系统的供冷品质，寻求合理冷冻水温不但要考虑冷水机组的性能，而且要兼顾空调末端设备的换热性能。降低水温对于空调箱中表冷器的换热是有利的：对表冷器的传热系数K值的改善影响不大，主要是通过增大冷冻水与空气的温差来体现；但是降低水温会使冷水机组的制冷量降低，能耗指标增加，这是不利的。从测试的结果可以看出将空调的冷冻水温设定在约7.5℃是较为合理的，不但可以确保合理的水-空气传热温差，也可以使冷水机组的运行较为经济，这与平常要求的空调冷冻水温度设定在7.0℃是较为吻合的。2.4某国际机场候机楼现在不是24小时连续工作的，并且为其服务的综合区也是间歇工作的，对于能源中心的冷水机组来说会出现两个负荷高峰：一是出现在早晨开机时需要额外负担建筑的蓄热负荷。在处理第一个负荷高峰时，应尽量减少围护结构的得热及室设备得热，所以结合机场航班的情况确定合适的开机时间是非常重要的。目前将开机时间确定在凌晨六点是较为合理的，此时室外的空气干球和湿球温度较低，太阳辐射得热也较小，室内由于灯具和电梯等设备不运行也可大大减少设备的发热；干球温度较低对减少围护结构的得热有利，而湿球温度较低则对冷却塔的工作有利。从测试的结果可以看出降低冷却水温能提高主机的COP值，对于制冷主机的节能是很有利的。第二个高峰负荷是机组的不利运行工况。2.5目前机场的客流量远没有达到2000万人次/年的设计值，如果考虑送客人数，机场还会增加1500万人次/年，假设每人在机场平均停留1h，机场每天工作16h，则考虑人数增加所带来的人员发热负荷及新风负荷共是357RT，与目前正常使用所需要的12000RT相比，增加约3%。所以预计达到设计旅客流量后的空调主机负荷基本可以维持不变。2.6主机是空调系统的必要组成部分，主机的节能要结合冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、空调箱、风机等设备来综合考虑，在共同运行的所有设备之间寻求最佳期的配置，而不能孤立地考虑单个设备的节能运行。对于大型空调系统，在有可能的情况下，尽量采用DHC的有效节约空调系统的能耗，主机的调试测试工作已充分证明大型空调制冷机组的优越性。可以采用多种能源驱动的方式，以确保工程实际运行的可靠性和经济性。此外空调系统的节能运行应有自动控制系统的配合，提前进行能耗预测是确保空调系统积极节能的有效手段，因此发展CFD技术，利用标准年的气象资料，结合空调建筑的负荷特点，参照已有的运行纪录，进行全年的能耗动态模拟是非常有必要的。3水泵的经济运行模式分析水泵是冷量输送系统中的主要动力设备，其能耗可达整个空调系统能耗的四分之一左右，因此水泵的节能也是系统节能工作的主要内容。目前在实际工程中，消耗的参数往往与实际情况相关较大，主要原因有以下几点：一是设计时留的裕量较大，尤其是水泵的扬程偏大，这样在实际运行时工作点发生偏移，流量和功率都增加，一般是通过管路中的阀门进行调整；二是水泵设备本身提供的参数不准，使得实际运行工作点与设计工作点不符，这使空调水系统失去平衡；三是实际的使用情况与原来设计的情况不同，有些用户可能没有使用空调系统，出现实际负荷小于设计负荷的情况，这也使得空调水系统的运行与设计出现偏差。3.1水系统的阻力特性为了解某国际机场的冷冻水系统的管路特性，我人对能源中心供冷水系统进行了三次综合测试，获得了系统实际运行的第一手资料，探明了现有水泵能耗与管路阻力情况。在此基础上提出了水泵的节能运行模式。3.1.1水管路系统的阻抗对于管径为d、流量为Q的管路系统，管路的压降可表达为：H=SQ2倘其中裹的骄S秘为管路阻述抗削：怖膊对于给定护的系统，卷管辜径稀d谋和管逼长促l获已经确定咐，税S部只是随齐着圆λ盖和室∑应ε谨而变化，赌当流动处此于阻力平喜方区时佩，泥λ京只与相对清粗糙度有紧关，因此鼻在管材已嘉定的情况径下答，尝λ梢可认为是价常数及，朱∑肤ε傲只与管道唇局部阻力绞构件有关有（阀门及租其开度、夜三通、变播径、末端脆设备等）凡。踏下H=9.烛6031求×10差-6露Q做2页；传杨其辽中键Q迹为流量焰，诱m瓶3迎/纷h悄；其H尝为管路压般降捏，扮kP笋a址。丰覆3.1.稼2O惑M旨机组的阻扩抗锣笋O抱M命冷水机组热是能源中亚心供冷的览主要设备朱，它的阻承力特性影青响供冷的鄙水泵运行川工况，根贞据测试数导据整整始出伍O晕M代机组的阻努抗逮为福3.81叫93×1小0秧-6挤。兴杨3.1.粪3姜贤消耗的扬怀程的计催算滑也冷冻水系吹统的阻抗鱼包括水管沉路系统的末阻抗与冷乘水机组的赖阻抗两部牲分，对冷留冻水系统情的阻抗乘智以乞1.报2慰的系数后探得到其扬仗程。冷冻陶水系统流撒量和扬怒程遵娇宿里耐丸扬匹徒表帐1恼O忍M蒜冷水机组屡瑞流量留（声m盾3难/汉h形）否扬程岛（齿mH笋2滴O仔）肥单台运行迈工况洒1757附15.3个两台并联反运行工况类3264讲24.1辞三台并联掩运行工况匙4771遮38.0盗而每翻台灭500S盘98予B视冷冻水泵婚的额定扬续程晌为叮75.笛3奇，由此可示见实际运歌行与设计吃参数之间类存在较大涛的差异。帮目前主要井是通过阀优门调节来慕使之正常育工作，大产量的能量骗消耗在阀蒙门上是极锯为不合理出的。针对捎这种情况壮，我们经赚过分析，搜提出了下泰列方案震。残名3.2臂尸水泵节能丘运行方案墨3.2.吃1枣蓝消耗叶轮对切削方摔案惭文切削叶轮周是离心水楼泵的一种婶独特调节克方式，叶题轮直径切壮小后，叶白轮出口处波的参数发堵生变化，片对水泵的可性能产生呜影响，使竟得制Q-绒H络性能曲线惧下降，可栽以达到调舍节流量的并目的。叶勺轮切削后疫由于叶片似出口的宽陆度改变，促严格上不降属于相似峡理论的范师畴，但是泄当叶片的培切削比例席不大时，腰可以认为坛出口安装叼角和水力织效率不变阔，切削前六后速度三米角形相似物。水泵的急叶轮切削弹之后，其阳效率会有假所下降，孔但是此时比不必完全积通过阀门溜来进行调佣节，这样巨可以节省早损耗在阀馋门上的能朗量，可以池控制切削斯量使后者死的优热更番为明显。萍我们通过筐分析消耗怪的性能曲抵线及参考勒现有的运登行纪录，铅可以单将务5半台水泵切榆削后的回病收周期控翁制在翅约野4热个月杏。匪踪考虑到此臣供冷系统改今后会增客加新的用妥户，结合尝目前实际纯使用与设风计的消耗蹲扬程相差上较大的情顿况，我们奥与机场运稻行管理的斩人员商量巧，提出向岔生产厂家怎购买按照绍要求切削遗好的叶轮在，以满足捆目前的实池际需要；羽原有的叶酱轮经处理象后留在仓皮库中，确映保当系统散的用户增躲加后消耗望可以恢复迈到原有的犬性能水平诉。耗辱3.2.谊2腊牺水泵变频宣方只案倡财变频技术锄通过均匀晚改变电机饭定子供电盼频率达到现平滑改变彻电机同步洒转速的作喜用，从而首改变水泵挥的胃Q-腊H叨性能曲线昨来调节工晒作点，此祥时消耗出腊口的阀门估可以全开月，大大减震少消耗在劳阀门上的丙能量。根破据有关资米料，国内屡目前已经寸生产直接皆串联无输愧入、无输淹出变压器而电压型高驶压大功率贵变频器，啊并且已经晨开始应用拘，其技术轿招标可以妥满足本系晶统中水泵迁的要求。仅根据不同庭的使用情块况我们提虾出了三种吃不同的变卖频方案达。低绢方案一是滑根据某国保际机场中之心的目前爪的实际运忌行情况，穗水泵最大米运行台数叠为乳3互台，在现赚有蹈500S粥98砍B咳水泵中选宾择暖3展台均安装悠变频器。丧方案二是随考虑由凝于抗2古台称O私M驼机组并联吴运行时间咱为贵810h艺/游年，约占雀全年供冷卧运行时间努的旬27求%暖，故妥在裹2画台收500S贱98仔B捷水泵上安困装变频器裂。方案三科是在水泵芬叶轮切削广的基础上般，婆在除3爹台飞500S此98恳B串水泵上安歌装变频器盐。以下通磁过对这三美种方案的它节能计算雹，进行了扫经济性分贼析，得到束以下高结论：方嘱案一投资崇金额最大娱需俭25话2肠万元（人颜民币，下欺同），方吉案二投资腿金额最小担为浇16痛8贤万元；方趁案一和方速案三年节轰省电费相帆同，均赴为漆61镜1近，愁53静0版元，均大探于方案观二忍52餐2钱，戴81于9朝元；方案值一回收周絮期最长需瓣要晃4.融1塑年，方案蹲二泰为蹲3.河2架年，方案休三宋为体3.托4曾年。综合旦比较方案趴三为最佳议方案钱。已洁4因得变冷冻水符温的经济锻运行模式悬空调系统斯末端设备并的设计是皆按照设计遣工况（即伤最大的负纹荷情况）尚来考虑的奉，但是实炊际的空调促负荷是随协着室外气欲象条件的聪改变而变士化，大部怜分时间处叶在部分负吐荷下，尤衔其是对于订机场航站赶楼这样主瞒要受围护垫结构的影引响的建筑损。考虑空乎调系统的镰经济运行截必须结合移气象条件科、主机和裕输送系统基等来综合捉考虑，此三处我们是桌研究随定找外气象条干件变化而挎改变冷冻剑水的送水鉴温度，以秤达到满意饿的空调效浊果允。鞠蹦4.1智政空调实际爪运行情况咏根据能源产中持心安200政0岛年度运行烤记录坛，样4咐～呢1吸1盈月供冷量刊统计见耻图透1管，冷冻水踏供水温度斗见猪表黑2扶。羊训图奖1么谎能源中快心庸200确0捎年名4剥～均1阳1红月供冷量塑冷冻水供网水温摔度秩类串剥盟讨贡焰表鸭2粱时间执供水温度帝（络℃墨）膀时间奥供水温度录（盲℃曾时）体4狠月中旬粪～捉5雷月上旬幼13.2答7搁月中旬烘～呀8凡月上旬四7.0絮5喝月中旬这～努6磁月上旬朝13.2顶9赶月中旬融～抗1类0轮月上旬陷10.8讯6接月中旬筝～载7沉月上旬挡10.8贷1扯0减月中旬宰～捕1做1慨月上旬坐12.5三4.2博尺冷冻水温耕对冷水机桌组的影响幻O贤M狗型冷水机币组变冷冻止水温测试拢结果表明长：随着冷锁水机组的包出口冷冻熊水温升高煮，冷水机让组的制冷丰量逐渐增区加栽，氧CO寨P其值逐渐增落加。轨从愤4.期4摄℃划到帅9.固5董℃勇，冷冻水粱温升露高毫5.似1脂℃屋，冷水机址组的冷量羞增增加劲了惹30.2稀%宿，法CO谣P庭值增加拘了焰7.9者%镰。因为冷具冻水温的廉升高可以晒使冷水机评组的蒸发秩压力和蒸屠发温度升军高，从而让改善主机状的制冷性籍能；制冷聋量增加，奥并屡且术CO指P递值增加。倘但是，必希须注意冷唤冻水温的姓升高使供门冷的品质采降低，输厘送相同数远量的冷量更，不但会翠增大冷冻浑水的流量取，而且会骡增加空调六处理设备缘的换热面愉积，这对煤空调系统纤的经济运缓行是不利土的院。倒梳4.3补错室外气候础对供水温络度的修正盈：悄根据理论尘分析可以痕知道当表谣冷器处于棵湿工况时许，入口空止气湿球温棍度每增萌加脚1车℃薄，供水温慧度应降低弄约驱0.圣6傍℃晓。如夜图们2阳所示长，犬Δ跪t状s梦与纪Δ陡t奔s援'遗成正比，明其比值与是一次回风旦系统的新榆风比有关肿。假设新茶风比材为摘10瓶%某，则室外宇湿球温度热每升冷高铲1侮0婆℃内，混合点拦湿球温度要相应升度高句1源℃裂，供水温变度情况应帝降炸低汗0.卡6救℃溉。因此，咱当室外湿融度较大的希情况下，巾供水温度添可降低尝约菊0.助5恋℃换。板诊4.4宪拔供水温度武方案：腿表冷器经依过长期使洗用后，因霸外表面积右灰、内表忌面结垢等搏原因，传搁热系数会键有所降低金，因此实筹际的供水尖温度应比驻计算出的墙水温低一义些，可按度水温升绕的电20厉%坡考虑，即俭需在计算而值的基础涨上降归低板1性℃奉。此外，听考虑板式昂换热器效翼率以及管浑网热损失岗等不利因游素，最终抖的供水温六度方案见尊表揉3对：淘抄图焦2衣亏空气处理示过程冷冻剂水供水温线度方案省蜜娘敞先冒那惧表3厉时间延供水温度忆（症℃剥）失时间朴供水温度遍（坝℃剖睡）党4粮月中旬风～匀5京月上旬粮11.2说7额月中旬愧～胞8工月上旬迅5.0刮5默月中旬若～恰6绒月上旬肯11.2档9搬月中旬系～怨1肯0根月上说旬旁歌8.8具6益月中旬喘～杨7泳月上旬餐8.8趁1劈0番月中旬雁～狗1移1柔月上旬猫10.5萍注：室外雁温度较大尖时应降傅低秀0.架5朗℃声画52凡4府小时运行桃建筑物供议冷系统节迁能运行模知式分析裹在实际运膏行中，能蛋源中心的胳制冷机组泄是间歇性斯运行的，神根播据惑200常1渐年运行记怜录制冷机确组开机时盗间一般途为号6去：漫0停0疯～办2代2栏：袄0代0授，而有一籍部分建筑让物，例如皇：宾馆、稿当局楼、惭消防、公结安楼等，冻需括要沿2旧4疾小时连续暴供冷。为雀解决这些径建筑在能循源中心制渔冷主机关土机情况下项的空调问左题，我们裕选取宾馆趁为分析对鼻象，给出紧当一次水在系统停止惭供冷时的呈节能运行这方案语。枪低该宾馆为暖三星级宾船馆，建筑抓面宾积眼3400锁0m夸2带，总高度冷为挣45于m吼。宾馆地后下室设有伏职工餐厅前，洗衣房厦等设施；树一层为大况堂并建有壳超市、书骄店等商业姥服务设施多；二层有凶餐厅以及筋美容，健想身等康乐浮设施；宾弱馆茧3架～舅9琴层为客房悔部。客房改及办公等掠小房间采誓用风机盘辨管加新风迷的空调形寇式，大堂由，一、二膀层等大空怎间房间采狸用低速风硬道式全空适气空调形售式谷。廉淋5.1站台水蓄冷方呆案饰某国际机向场供冷系句统采用的达是二次水拘系统，即查能源中心那通过一次兽管网提供扛一次冷冻肠水，二次虾冷冻水通刮过板式热滔交换器与务一次水系约统换热，版向建筑物被供冷。一三次水系统用外管网直疏径管1源m从，长校度第5000准m写，蓄水量表可究达迟3927抵t虑，每摄氏妈度温升可鞋提碑供表1.64穴5×10钱7拔k悄J风的冷量。疯因此一次密水系统外茫管网是一着个极好的究蓄冷水池铸。通过抽晚取一次水鲜系统中的业低温水，秧可实现向垫建筑物供群冷。现就沫该方案进歼行可行性何研究骂。戏称5.1.棚1纺老供水水温鸡计算红：怀文假设制冷式机组停机焰时，一次氏水系统水塔温民为减7漏℃拢。结合负统荷计算的红结果，供套水温度见鼓下表（沾表朱4捡）：合表晓4悔22:0眼0美23:0译0昨0:00帅1:00奖2:00羡3:00辽4:00追5:00宋6:00恒冷负荷斤（宫k证W捏）握1023仁1010己1000衡980破964岛952见938拆923访1838滴总冷腔量亏(MJ坑)江3683误3638所3598跳3527集3470锤3427萄3378抄3323惨-灵水温托升荷券(很℃彼)国0.2森0.2理0.2已0.2恳0.2搏0.2尸0.2棋0.2暴-赠供水水健温练(夹℃殖)苹7.0告7.2北7.4菜7.7腥7.9舞8.1瞎8.3撇8.5检8.7卸5.1.荷2驴烦允许最高考供水温度屋：决火供水水温凯受到负荷阵情况以及上室内湿度廉条件的限臂制，不可屿以任意提彻高，需要榆对允许的垃最高供水掌温度进行凑计算以确俭定方案的唇可行性。哥根据资料具[3]遣，风机盘逼管机组的竞冷量可以症如下表示食：错桃式中垮：联C绘L暴、顷W类、朗t瓣w摇---槽-适分别为使束用工况的协冷量、冷节冻水流量守及冷冻水侍温度步；航协闹暮A---宇-晴风机盘管毛型号及运抹转档次系余数姿；早监肠剂B---错-装室内温、地湿度条件乳系数努。谋乘可见退，孙t咏w渴∝贡CL锡-2.2享03茄。设计负蝇荷下允许忠最高供水测水温抛为敌7素℃母，则该方参案供冷结那束时刻遭（枪6家：跌0跳0垦）的允许外最高供水虏温度为扭：锋座可见方案辆中寿6嚼：魂0百0连的供水温挠度袋8.隶7紫℃呢远远低于狼允许刘的忧11.怠7轻℃聋。恼哑5.1.音3良群总煮结粗员通过上述什计算可知物，按该方饭案从一次孤水系统中朱抽取低温数水供严冷僻8厨h除后，一次叙水水温杠由钟7顷℃度变辉为业8遥℃雁，你于允慈许的最高蜜供水温谣度鞭11.罩7问℃界。共向建帝筑物供锁冷救2457络4M载J神冷量，最扯大取水泵么量六为皮176t图/掏h卵。宾馆现尚配眼有赠3虏台只240t撕/泄h恋和割2短台结100t害/颂h抢的冷水循友环泵（其佣中各有一乎台备用）响，可以利资用备用水尼泵或配置姑一台水泵吩在夜间抽瘦取一次水演，通过板迈交与二次准水换热，草向建筑物症供冷。在扣实际运行池中，需要招调节周边虎支中路上竟的电磁阀度，以保证山一次水合箩理流动欢。漆外5.2引屑独立的冷筝热源系统少5.2.胞1仔击采用风冷扭式冷水机伟组在夜间拢的宾馆供土冷楚漏根据负荷娇计算的结启果可知，伟宾馆冷负赌荷竿在盈2鸭2器：访0通0甲～部6脂：除0挥0彩较低，约刺为眼1023战k要W殃～曾923k菜W孟，仅是日机最大负荷势的什40狸%湖左右。该盒时段最大枝负荷出现援在虚1堡0堤：苹0建0膀，库为要1023挎k山W苹。因此按匹照弯2鲜2磨：焰0矛0电～萄6赌：息0罢0屠的最大负抱荷航值