浦东机场航站楼暖通空调系统的节能运行

董宝春

(上海国际机场股份有限公司,上海 201202)

浦东国际机场位于上海浦东长江入海口的滨海地带,是我国目前最大的国际机场之一。机场的空调采用区域供冷供热(DHC)的形式,这样大规模的暖通空调系统在我国民用公共建筑中是罕见的。机场的能耗量巨大,两个航站楼年耗电量上亿kWh,其中暖通空调能耗约占航站楼总能耗的58%,因此合理用能,在满足旅客舒适性要求的前提下做好空调节能工作就显得非常重要。1号航站楼从1999年建成以来已经运行10年,本文将结合上海浦东机场多年来的实践,介绍航站楼空调运行的一些节能做法和体会。

1 航站楼暖通空调系统运行概况

机场拥有3条跑道、两个航站楼、240万m2的停机坪、224个停机位、70座登机桥,可保障年旅客吞吐量6000万人次。机场的建筑包括T1和T2两个航站楼,一个综合区。其中T1航站楼由主楼和候机长廊两大部分组成,均为三层结构,由两条通道连接,面积达28万m2,包括到港行李输送带13条,登机桥28座。

T1航站楼的候机楼内的商业餐饮设施和其他出租服务设施面积达6万m2。T1航站楼的0m处的底层为到达大厅,下层(6 m)为旅客到达区,上层(12m)为旅客出发;长廊的北侧1—33轴为国内航班区,南侧33—77为国际航班区。T2航站楼采用多层式结构,由主楼(办票)、连接廊(联检)、长廊(候机和登机)三部分组成,总建筑面积为48万m2。

浦东机场的空调系统采用区域供冷供热的形式,分别设立了T1和 T2两个能源中心。T1能源中心负责1号航站楼和综合区的供能,供冷供热半径为2.6 km。其中1号航站楼的冷负荷为50 MW,热负荷为40 MW;综合区的总面积为31万m2,冷负荷为32.8 MW,热负荷为20.8MW。T1能源中心采用以电制冷为主体、部分汽、电、热泵联供的方式,还配置了4台14MW,2台4.2MW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 4 MW 的燃气轮机发电机,3台30 t/h和1台20 t/h的火管蒸汽锅炉,1台11 t/h余热锅炉。2号航站楼的冷负荷为87.17 MW,热负荷为58.94 MW。

T2能源中心空调系统采用冷水机组与水蓄冷结合的供冷方式,配置了10台6.7 MW的离心式冷水机组,两座直径为26m,高为22m,容积为11600m3的蓄冷罐,蓄冷能力为196MW。

两个航站楼总共配置了19个热力交换站,67台供冷板式热交换器,51台供热板式热交换器; 96台供冷水泵,78台供热水泵。冷、热量分别从两个能源中心送至各自航站楼的热力交换站,然后分配到末端空调机组;分布于两个航站楼各个区域共有942台大型空调机组,风量从10000～50000m3/h。

2 根据航站楼冷热负荷需求采用变水温输送冷热量

冷冻水的温度直接影响到空调系统的供冷品质,降低水温有利于空调箱中表冷器的换热,但是冷水机组出水温度过低将导致机组效率降低,能耗指标增加,因此在选择合理冷冻水温时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。采取变水温供冷的方案可以有效提高表冷器和冷水机组的工作效率、降低机组能耗。过渡季节(室外温度最高26～28℃)1号航站楼变水温供冷的冷水机组冷冻水温度与冷水机组制冷性能系数(COP)的关系,见图1。

图2是候机楼在过渡季节某天需要的逐时供冷量。

图2 机楼过渡季节逐时需要供冷量

结合图1和图2两种情况,就可以制定一天的供水温度如图3。根据浦东机场航站楼建筑物实际所需冷负荷确定冷水机组送水温度,既可以满足空调的使用要求,又可以提高冷水机组的使用效率,从而有效降低空调的能耗。

3 根据实际使用情况调控空调设备的运行

机场候机楼的特点是候机人员密度与航班有关,而且候机楼空间较大,由于建筑物内的冷热负荷与人员密度有关,因此候机楼各处的负荷要求不同,一年中的负荷需求量也不同。根据航班以及各处的负荷要求合理控制空调设备的运行,可以在满足候机楼舒适度的前提下,最大限度地减少空调的能耗。

图3 候机楼过渡季节逐时送水温度

3.1 末端空调设备的开启与航班联动

为了在满足候机楼舒适度的前提下最大限度地节省空调能耗,可以根据航班的具体情况合理控制空调设备的运行,实现暖通空调运行方式与航班的联动。候机楼各区域各时段的人员密度相差较大,当某个区域某个时段因为航班的关系旅客比较集中时,夏季空调的设定温度可以比其他人少的区域适当低些,冬季采暖的设定温度比其他区域适当高些。例如,在国际航班相对较多、国内航班相对较少的时段,长廊南侧的国际段空调机组的设定温度,一般设为26℃;北侧的国内段空调设定温度为28℃;同样,当出发航班较多、到达航班较少时,上层的旅客出发区设定温度就可以设为26℃,下层的旅客到达区设为28℃;当某个区域没有航班因而没有旅客停留时,还可以将该区域的空调机组完全关闭。

3.2 分层分系统开启空调设备

机场候机室的空间高,室内温度上高下低梯度分布的特征非常明显,根据测定,当空调全部开启时,冬季上层的出发大厅人员活动区的温度要比底层的到达大厅高3～5℃,夏季要比到达大厅出发大厅高2℃左右。根据这个温度梯度分布,采用分层和分系统调整空调采暖的运行合理分配负荷,也可以达到很好的节能效果。例如,夏季供冷的顺序依次为内区贵宾室、上层、底层,并且采用分系统开启;当负荷较小时先开启二次水泵,利用二次管网内冷水的蓄冷能力提供冷量;当负荷增加不能满足冷量要求后再开启一次水泵,利用一次管网的蓄冷能力进一步满足负荷,最后才开启冷水机组;冬季供热的次序则相反,次序依次为底层、上层、内区贵宾室。这样既可以缓解候机楼内温度分层现象提高舒适度,又可以有效地利用冷(热)量,节省用能。特别是过渡季节,候机楼负荷很小,分层、分系统开启空调节能效果很明显。

3.3 采用高速球形喷口改善空调效果

按照标准,冬季当室外温度为0℃时,室内人员活动区域的设定温度应该为18℃,但是1号航站楼主楼到达大厅长期以来一直不能达标,即使机组满负荷运行(水阀全开)也仅能升到12.7℃,特别是空间的垂直温度差很大,高达10℃(见图4),主楼到达区域也因无法达到温度设定值,经常遭到旅客和工作人员的投诉。

图4 T1航站楼主楼0m到达大厅不同区域温度梯度

通过在现场每个门的竖直方向放两组热电偶进行测温和比对论证,发现问题的主要原因是楼层太高(高达9.5 m),风口出风风速太低,气流组织为上送上回方式,造成“气流短路”对大空间供热很不利。在反复试验后,决定采用一种投资少、见效快的改进方式,即采用高速球形喷口替代四向出风口的方案。方案实施后,送风速度由3m/s提高到10 m/s,空调效果得到明显改善。图5为采用fluent软件模拟计算结果(K=℃+ 273.15)。

可以看到改进以后大厅的送风速度由3m/s提高到5m/s,室内温度可以上升4℃左右;当室外为 0℃时,室内2 m高区域温度从原来的12.7℃提高到18.0℃,这不仅改善了该区冬季空调效果,而且空调温度也可以达到设定值,从而减少热水的使用量和机组的能耗。

4 利用自然通风消除大空间内区房间热量

由于设计上的不足,机场候机楼在过渡季和冬季的新风量不足,导致过度闷热,特别是冬季候机楼个别地方需要冷空调的地方,按原设计必须由冷冻机组提供冷负荷,消耗了不少电能。在过渡季节采用自然通风的方式用以提供新风,利用冬天环境冷空气冷却空调水,来满足个别地方的制冷需要,也可以节约用能。

图5 到达大厅送风风速变化前后的温度/K

4.1 直接引入室外新风

大空间建筑空调系统的设计,往往对房间内热源散热量估计不足,造成内区房间在过渡季和冬季出现过度闷热的现象。例如,原来方案设计为,办公室人员密度一般按0.2～0.4人/m2估算,每个办公室电气设备按1～3台估算。但是,在实际运行中发现,某些办公区的人员和电气设备数量远远超出设计范围。例如机场候机楼内JAL航空公司办公室,20 m2内办公人员有12人,使用12台电脑、2台打印机、2台复印机,远远超出了设计的预算。

另外,大空间建筑空调系统的设计,往往只考虑到夏季冷负荷和冬季热负荷,但是在实际运行中,如浦东机场内区的办公室和贵宾休息室,冬季也需要冷负荷,如果开启能源中心的制冷机组供冷,就会出现“大马拉小车”的现象。事实上T1能源中心最小制冷机制冷能力约为500 kW,制冷运行还需运行1台160 kW水泵和5台布置在候机楼的37 kW水泵。为了小区域的供冷需求,相当于增开了1台845 kW的设备,每运行1 h仅电费支出就要花费650元左右。

实际上,在冬季和过渡季节室外气温已经较低,只要在设计时安排足够的机械通风设备,就可以利用室外的凉爽空气直接消除室内人员和电气设备的散热量,有效地降低空调的运行能耗,还可以改善空气品质。

为此,对浦东机场 T1航站楼内区贵宾室和JAL办公室进行了系统改造,增加了机械通风系统,实践结果表明,节能效果很好,每年节电量将近500万kWh。

4.2 利用冷空气冷却空调水解决内区冬季供冷

根据原空调系统设计方案,2号航站楼长廊内部的房间冬季仍需供冷;供冷时需开启1台冷水机组和2台一次冷水泵(单台冷水机组功率为1359 kW,单台一次冷水泵为75 kW),每周开启约7 h,每天还需增开30 kW的二次冷水泵12 h,每天共耗电近1869 kWh。

为此,对浦东机场2号航站楼长廊冬季内区供冷实施了节能改进,采用室外冷空气冷却空调水(水节能器)的方法,利用双风机机组全新风模式(相当于新风空调箱)冷却冷水后送至办公室的风机盘管。经过改造后可以在不开启冷水机组的情况下,满足T2候机楼内区供冷的要求,每少开一天冷水机组,就可减少用电量1869 kWh,节能效果相当可观。

5 结语

浦东机场1号和2号航站楼的暖通空调系统的节能运行,不仅需要合理的设计和施工,更需要进行合理的运行管理和设备维护。运行管理的节能理念应当贯穿于整个过程,包括在设计阶段进行全面的统筹、施工阶段进行严格的监理、施工完成后对系统进行准确的调试。没有经过合理的设计,系统就会出现先天不足;没有合格的运行管理,暖通空调系统设计成再好也无法实现目标或者很快失去设计功能。

浦东机场作为国内较大的单体公共建筑之一,在设计、施工和运行管理上都有许多创新,包括机场日常运行的节能工作也取得很多创新成果,可以总结如下经验。

1)庞大的单体公共建筑节能潜力较大,按需供能是节能降耗最直接的措施。

2)气流组织对层高较高建筑的温度空间分布影响很大,合理的气流组织可以提高空调效果、减少空调系统的能耗。

3)过渡季节的通风、冬季室内的供冷,应当在建筑物空调方案的设计时重点加以关注,过渡季节充分利用室外新风、冬季充分利用室外冷空气对冷水机组进行自然冷却,可以减少能耗浪费并且提高空气质量。