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其中的S为管路阻抗：模对于给定的系是统，管薪径幕d画和管餐长待l倘已经确定乱，絮S拔只是随钻着身λ真和鞋∑悔ε览而变化，当流距动处于阻力平刃方区时贫，反λ意只与相对粗糙差度有关，因此破在管材已定的苏情况下慰，猴λ甜可认为是常数林，害∑痕ε援只与管道局部再阻力构件有关催（阀门及其开保度、三通、变蝶径、末端设备越等）生。序队H=9.60尖31×10宴-6撞Q兼2败；喜故其养中徒Q榨为流量川，必m倒3都/仔h朱；毒H翁为管路压降阴，凑kP感a险。躲胸填O违M符机组的阻炉抗鼠锤O肯M妄冷水机组是能颂源中心供冷的烛主要设备，它索的阻力特性影添响供冷的水泵圈运行工况，根械据测试数据整愈整将出鹅O绪M使机组的阻抗丰为饮3.8193糖×10凤-6倍。使团灌厚消耗的扬程的榆计坚算越碌冷冻水系统的植阻抗包括水管境路系统的阻抗壳与冷水机组的扛阻抗两部分，殊对冷冻水系统鹅的阻抗乘答以售1.在2份的系数后得到烧其扬程。冷冻团水系统流量和尼扬种程锹内魂妹私允访表窝1计O耳M栋冷水机组捕流量薄（厅m乞3良/钱h务）字扬程玻（滨mH材2产O呈）测单台运行工况欲恐1757聪15.3羊两台并联运行讽工况式3264顷24.1向三台并联运行悬工况慨4771哨38.0扮而每马台辩500S98追B趴冷冻水泵的额听定扬程确为悄75.手3禾，由此可见实险际运行与设计盛参数之间存在齐较大的差异。衣目前主要是通权过阀门调节来澡使之正常工作翅，大量的能量隐消耗在阀门上压是极为不合理榆的。针对这种颠情况，我们经幕过分析，提出洽了下列方案葬。励码3.2岔驶水泵节能运行震方案伤咽脾招消耗叶轮切削巴方求案惹生切削叶轮是离歉心水泵的一种前独特调节方式司，叶轮直径切坛小后，叶轮出佣口处的参数发堪生变化，对水多泵的性能产生愉影响，使候得役Q-繁H纹性能曲线下降撒，可以达到调执节流量的目的微。叶轮切削后脱由于叶片出口烈的宽度改变，凶严格上不属于异相似理论的范左畴，但是当叶跟片的切削比例填不大时，可以扣认为出口安装粮角和水力效率约不变，切削前呀后速度三角形卸相似。水泵的辅叶轮切削之后摧，其效率会有程所下降，但是凉此时不必完全饼通过阀门来进跌行调节，这样章可以节省损耗忽在阀门上的能洞量，可以控制扩切削量使后者班的优热更为明电显。我们通过须分析消耗的性私能曲线及参考发现有的运行纪宫录，可以震将切5谁台水泵切削后柔的回收周期控贤制在呢约允4未个月蹦。痰佩考虑到此供冷逆系统今后会增钞加新的用户，悲结合目前实际妥使用与设计的羞消耗扬程相差郊较大的情况，醒我们与机场运贝行管理的人员纱商量，提出向灯生产厂家购买还按照要求切削勒好的叶轮，以港满足目前的实成际需要；原有厚的叶轮经处理纹后留在仓库中酬，确保当系统宾的用户增加后回消耗可以恢复告到原有的性能些水平征。堆霜鸽送水泵变频方右案军坡变频技术通过至均匀改变电机夸定子供电频率旧达到平滑改变刊电机同步转速篮的作用，从而魂改变水泵孙的诉Q-课H矮性能曲线来调甜节工作点，此歼时消耗出口的劫阀门可以全开柄，大大减少消翼耗在阀门上的晓能量。根据有裹关资料，国内贯目前已经生产骗直接串联无输编入、无输出变饿压器电压型高何压大功率变频芹器，并且已经恐开始应用，其枕技术招标可以检满足本系统中储水泵的要求。昏根据不同的使裂用情况我们提遭出了三种不同顿的变频方案棕。攀骤方案一是根据局某国际机场汽中心的目前的趁实际运行情况毕，水泵最大运捎行台数邮为佛3赴台，在现烈有讽500S98座B娱水泵中选坝择袍3率台均安装变频围器。方案二是秒考虑由粮于哄2掏台喷O衰M旺机组并联运行逐时间邮为次810h帆/歇年，约占全年际供冷运行时间事的势27闪%淹，故妄在兵2填台触500S98拉B顶水泵上安装变典频器。方案三健是在水泵叶轮养切削的基础上哭，蝴在闻3养台辛500S98移B栽水泵上安装变暖频器。以下通晃过对这三种方罢案的节能计算赔，进行了经济中性分析，得到危以下绒结论：方案一轨投资金额最大悄需牵25酱2贼万元（人民币毁，下同），方摩案二投资金额迅最小岁为伏16阶8俩万元；方案一径和方案三年节妨省电费相同，丝均仔为俭61饮1您，潜53访0秒元，均大于方吩案银二丙52逮2颈，谷81洋9哑元；方案一回伯收周期最长需谱要继4.病1伍年，方案二个为诚3.艇2桨年，方案三卧为牲3.晶4荐年。综合比较搁方案三为最佳丽方案贤。临但4序辆变冷冻水温的牢经济运行模式饱空调系统末端铺设备的设计是茎按照设计工况功（即最大的负蛮荷情况）来考写虑的，但是实氧际的空调负荷誉是随着室外气氧象条件的改变禁而变化，大部惜分时间处在部协分负荷下，尤殃其是对于机场世航站楼这样主糊要受围护结构原的影响的建筑边。考虑空调系料统的经济运行温必须结合气象妹条件、主机和舅输送系统等来漆综合考虑，此猪处我们是研究潜随定外气象条唉件变化而改变疑冷冻水的送水状温度，以达到立满意的空调效泰果梅。盐仅4.1能杏空调实际运行秘情况搁患根据能源中狡心帆200求0壳年度运行记录云，唯4杂～寺1劲1当月供冷量统计呢见择图甜1航，冷冻水供水翅温度见啄表郊2召。立辛图吸1执突能源中绩心弱200鼓0矩年术4薪～晌1筛1皮月供冷量冷冻冠水供水温舞度浆洲汇伞种窄表叫2致时间定供水温度布（送℃崭）逝时间民供水温度航（题℃删脏）钞4瓶月中旬裙～馒5碑月上旬近13.2各7未月中旬棵～惑8藏月上旬竹7.0条5绑月中旬废～俊6低月上旬山13.2组9泪月中旬标～政1店0累月上旬伯10.8狂6悟月中旬堪～杀7仅月上旬伙10.8恰1叔0飞月中旬圈～录1务1丽月上旬皱12.5煎4.2啦蛛冷冻水温对冷耍水机组的影响宪约O蒜M烈型冷水机组变拖冷冻水温测试先结果表明：随法着冷水机组的茅出口冷冻水温蒜升高，冷水机幻组的制冷量逐倡渐增加特，沫CO量P贺值逐渐增加。斥从而4.评4顺℃呼到西9.拜5乒℃指，冷冻水温升杏高欠5.加1丈℃置，冷水机组的轮冷量增增加恐了侦30.2早%勺，凉CO净P佳值增加犬了扛7.9铺%络。因为冷冻水服温的升高可以铃使冷水机组的昨蒸发压力和蒸眉发温度升高，创从而改善主机抛的制冷性能；市制冷量增加，岁并距且苹CO男P棚值增加。但是殖，必须注意冷覆冻水温的升高六使供冷的品质唤降低，输送相芹同数量的冷量倦，不但会增大城冷冻水的流量墨，而且会增加毅空调处理设备衔的换热面积，耐这对空调系统恒的经济运行是伞不利的葵。舰避4.3展波室外气候对供羞水温度的修正懒：治祝根据理论分析灶可以知道当表怎冷器处于湿工乒况时，入口空烫气湿球温度每记增加依1蚕℃帖，供水温度应耽降低约袭0.竿6隔℃纤。如占图率2渔所示急，屑Δ更t锅s泥与皂Δ肉t徐s另'符成正比，其比岁值与一次回风占系统的新风比震有关。假设新栗风比唐为猎10黎%鸭，则室外湿球扁温度每升高秒1饺0祸℃染，混合点湿球贼温度相应升高隙1裙℃床，供水温度情韵况应降低馋0.鸡6妈℃私。因此，当室式外湿度较大的拣情况下，供水讨温度可降低约演0.爷5赢℃虫。羡图4.4庭君供水温度方案挠：区酬表冷器经过长糕期使用后，因窄外表面积灰、鸦内表面结垢等艰原因，传热系钱数会有所降低斯，因此实际的狱供水温度应比夏计算出的水温勺低一些，可按谱水温升杨的召20庙%背考虑，即需在谎计算值的基础喜上降低盯1楼℃佳。此外，考虑仁板式换热器效织率以及管网热之损失等不利因添素，最终的供羽水温度方案见坊表贴3让：化艳图蝶2良舱空气处理过程偶冷冻水供水温燕度方案桶爬瓣侄最敬表3田时间浓供水温度订（彼℃停）隶时间已供水温度刃（捎℃身贺）剥4苏月中旬旷～役5昌月上旬泥11.2匆7括月中旬贫～泼8差月上旬投5.0订5漫月中旬粱～狠6朽月上旬窜11.2双9娘月中旬拿～佩1盗0戒月上径旬辉闸8.8监6辜月中旬悬～亿7龄月上旬深8.8局1寄0输月中旬蹦～漠1榴1站月上旬复10.5股注：室外温度宝较大时应降低足0.与5类℃馒明52弄4模小时运行建筑回物供冷系统节堡能运行模式分商析剃在实际运行中跟，能源中心的绑制冷机组是间湿歇性运行的，寒根症据后200唉1钟年运行记录制子冷机组开机时速间一般楼为移6伙：稳0旦0之～呼2揭2霞：宵0挤0鞠，而有一部分谱建筑物，例如缸：宾馆、当局绣楼、消防、公保安楼等，需尺要兔2足4看小时连续供冷恐。为解决这些你建筑在能源中捞心制冷主机关日机情况下的空甲调问题，我们盗选取宾馆为分敞析对象，给出罩当一次水系统茄停止供冷时的洪节能运行方案联。胞训该宾馆为三星采级宾馆，建筑烫面积愉34000m献2解，总高度为厦45m绩。宾馆地下室哑设有职工餐厅燥，洗衣房等设放施；一层为大摆堂并建有超市睡、书店等商业乔服务设施；二浸层有餐厅以及董美容，健身等疤康乐设施；宾泰馆神3圣～书9版层为客房部。役客房及办公等降小房间采用风哑机盘管加新风坦的空调形式，捧大堂，一、二嚷层等大空间房兆间采用低速风随道式全空气空始调形式皂。帖卧5.1得译水蓄冷方案榨篇某国际机场秩供冷系统采用厅的是二次水系撇统，即能源中都心通过一次管膏网提供一次冷歌冻水，二次冷声冻水通过板式猾热交换器与一储次水系统换热曲，向建筑物供彻冷。一次水系稠统外管网直径喜1m席，长度柳5000m硬，蓄水量可抚达注3927间t垮，每摄氏度温碍升可提脉供悦1.645×假10慎7忆k抽J右的冷量。因此俯一次水系统外钩管网是一个极孟好的蓄冷水池畜。通过抽取一顶次水系统中的型低温水，可实旱现向建筑物供屡冷。现就该方呀案进行可行性号研究隔。唤狂即杯供水水温计算尊：谁胀假设制冷机组柱停机时，一次睬水系统水温为毒7抽℃滚。结合负荷计蒜算的结果，供雄水温度见下表兵（胀表咽4哨）：疮表雁4丢漏宅22:00瞧23:00皇0:00吧1:00语2:00席3:00峡4:00皇5:00屈6:00腹冷负荷健（短k疲W朝）俱1023贺1010铅1000久980涂964炒952描938朗923俘1838柴总冷钟量哑(MJ)下3683撑3638污3598禾3527怎3470简3427肝3378真3323汗-姜水温更升塘稀(各℃凉)纤0.2畅0.2储0.2训0.2渴0.2启0.2山0.2侄0.2奉-冒供水水洲温裕(完℃当)迷7.0贴7.2不7.4替7.7聪7.9狼8.1恼8.3武8.5杯8.7恳库征允许最高供水持温度冤：贼纠供水水温受到剥负荷情况以及奖室内湿度条件境的限制，不可龙以任意提高，荣需要对允许的裁最高供水温度谨进行计算以确煎定方案的可行留性。根据资料税[3]其，风机盘管机巩组的冷量可以炊如下表示缓：喇认式中荒：芦C良L千、资W茶、堂t竿w虑---拘-潮分别为使用工历况的冷量、冷愈冻水流量及冷置冻水温度炕；会新途挽A---则-思风机盘管型号圣及运转档次系寨数趴；脂钩敏骡B---稿-帜室内温、湿度碗条件系数机。霉别可见勒，亏t馆w长∝间CL也-2.203亏。设计负荷下窃允许最高供水造水温为躲7蹦℃呼，则该方案供爱冷结束时刻脆（锅6送：善0剖0鱼）的允许最高俘供水温度为贝：皇烦可见方案繁中祥6醉：访0掌0疤的供水温度锻8.胖7添℃厌远远低于允许馅的那11.弓7夸℃位。陆攻姜魂总纲结怪医通过上述计算叛可知，按该方病案从一次水系蚕统中抽取低温贩水供唐冷具8李h由后，一次水水游温由骂7举℃逮变为泳8激℃瓦，你于允许的演最高供水温度圆11.未7厨℃碑。共向建筑物铃供陵冷过24574M胳J叹冷量，最大取脱水泵量割为萍176t/规h狗。宾馆现配识有齿3勿台到240t/傍h乖和扔2摄台简100t/俩h东的冷水循环泵苗（其中各有一策台备用），可食以利用备用水亚泵或配置一台阳水泵在夜间抽棉取一次水，通等过板交与二次钟水换热，向建蹈筑物供冷。在谨实际运行中，绣需要调节周边欧支中路上的电碍磁阀，以保证根一次水合理流矿动万。桨谊5.2怨命独立的冷热源瓣系统傅至迫保采用风冷式冷司水机组在夜间认的宾馆供嘴冷量索根据负荷计算普的结果可知，册宾馆冷负荷禁在舌2达2酸：任0肾0警～签6奏：服0燕0缸较低，约板为珍1023k踪W蚕～并923k帝W词，仅是日最大著负荷忌的珍40幼%御左右。该时段羞最大负荷出现元在呼1梅0头：化0拳0贤，千为还1023k含W他。因此按授照辉2欠2侍：吊0秒0玉～盘6四：