浦东机场能源中心水蓄冷系统设计与性能分析

2020-10-14郭恒超董正峰邵双全郑竺凌

流体机械 2020年9期

史杰，郭恒超，常晟，董正峰，邵双全，郑竺凌

（1.上海国际机场股份有限公司，上海 200000；2.同方泰德智能科技（上海）有限公司，上海 200023；3.同方股份有限公司，北京 100083；4.华中科技大学，武汉 430074；5.上海市建筑科学研究院，上海 200032）

0 引言

上海浦东国际机场年旅客吞吐量快速增长，已经超过7 000 万人次，其制冷空调系统能耗也快速增长，对上海地区的电网负荷供需平衡也造成了一定的冲击。作为典型的大型公共建筑，机场的制冷空调系统能耗已经成为关注的焦点［1-3］。当前主要集中在对其能耗构成要素进行分析［4-6］和多项节能技术措施的推广应用［7-9］。

蓄冷系统利用电力需求低谷时段进行蓄冷并在电力需求高峰时段释冷供应空调系统需求，可有效降低制冷空调系统的高峰用电负荷，起到“削峰填谷”的作用［10-15］。水的比热大、相变潜热大，在显热蓄冷和相变蓄冷中都是优良的天然环保工质，在机场、医院等大型公共建筑的蓄冷系统中得到了广泛的应用［16-18］。并且可以采用静态冰（如冰盘管、冰球等）、流态冰（如冰浆等）和水等多种蓄冷形式以适应不同场景的需求［19-23］。

因此，本文基于上海浦东国际机场1 号能源中心制冷系统的负荷特性，对其蓄冷系统进行优化设计和运行性能分析。

1 制冷系统

该制冷系统采用制冷机组、水泵和冷却塔全并联、互为备用的形式，简化后的原理如图1 所示。

图1 1 号能源中心制冷系统示意

其中有制冷机组7 台，总制冷量为71 726 kW（20 400RT），总功率为14 994 kW；冷冻水泵10 台，总流量为14 142 m3/h，总功率为4 130 kW；冷却水泵12 台，总冷却水流量为26 264 m3/h，总功率为3 070 kW；冷却塔16 台，总处理水量为 17 600 m3/h，总功率为720 kW。上述制冷机组主要满足机场航站楼4 月至11 月的供冷负荷需求。为用户侧提供的冷冻水供回水温度为5～12 ℃。根据运行记录，其历史最大瞬时负荷为冷冻水流量5 850 m3/h。

2 蓄冷方案分析与设计

2.1 可行性及必要性分析

该制冷系统运行时间见表1，当地的分时电价政策见表2。制冷系统在夜间供冷需求较小，而夜间为电力低谷时段，电价较低。图2 中给出了典型负荷日（2018 年8 月1 日）的制冷负荷与电价的对比情况，可以发现该制冷系统主要在电力高峰时段（高电价0.916 元/kW·h）进行供冷，而在电力低谷时段（低电价0.213 元/kW·h）几乎不供冷。峰（时）谷（时）电价比达到了4.30，平（时）谷（时）电价比也达到了2.66。因此，该系统如果进行蓄冷改造，采用电力低谷时段制冷并进行蓄冷，而在电力高峰时段释冷供空调用户的制冷需求，不仅避免了对电网供需平衡的冲击，电费也将会大幅度降低，具有较好的经济性。

表1 能源中心制冷系统设计运行时间

表2 分时电价元/（kW·h）

图2 供冷负荷与电价对比

2.2 蓄冷方案比较

在大型公共建筑中，由于蓄冷容量巨大，蓄冷介质的使用量很大。因此，水是最为常用的介质，容易获得且成本低廉，并具有较高的蓄冷密度。当前利用水的常用蓄冷方式主要有静态冰（如冰盘管、冰球等）、流态冰（如冰浆等）和水等几种形式，各种形式的对比情况如表3 所示。

表3 各种蓄冷方式比较

从蓄冷系统结构上看，水蓄冷系统最为简单，一般的制冷机组可以直接提供4～5 ℃的冷水用于直接供冷或者蓄冷；而静态冰系统一般需要载冷剂（如乙二醇溶液）用于在制冰盘管外表面逐渐结冰并不断变厚（以冰盘管为例）；而动态冰系统一般也需要使用载冷剂（如乙二醇溶液）在专门的制冰机内让过冷水生成冰浆，因此系统结构最为复杂。

从能效上看，水蓄冷时，制冷机组的蒸发温度最高，动态冰系统次之，而静态冰系统最低（并且随着冰层厚度增加而不断降低），所以蓄冷能效上也是水蓄冷系统最高，静态冰系统最低。

从蓄冷密度上看，水系统只是利用水的显热进行蓄冷，一般只有7～8 ℃的蓄冷温差，蓄冷密度最低。冰盘管蓄冷中，由于蓄冰盘管自身就占用了较大的体积，并且为了保证系统的能效，不宜使盘管外冰层太厚，因此，蓄冷密度较水蓄冷系统有较大提高。而动态冰系统中，蓄冷罐内全部为冰水混合物，含冰率可以达到50%左右，蓄冷密度最高。

从系统控制上看，水蓄冷系统的难点主要是保证水罐内的水不发生掺混；冰盘管系统的难点在于释冷过程冰的融化和释冷速度的控制；而动态冰系统则是要保证冰浆在贮存和管道内输运过程中稳定性及对相关设备的影响。

总体而言，水蓄冷和静态冰蓄冷都出现的比较早，都有了很多的应用案例，水蓄冷系统能效高但对空间要求比较高，静态冰系统能效低但对空间要求也低；而动态冰系统近年来也取得了快速发展。

基于以上分析，由于浦东国际机场1 号能源中心外有较大的空间可以用来安放蓄冷罐，另外，各个换热站对能源中心提供冷冻水的要求是5～12 ℃。因此，水蓄冷系统更为适宜，可以提高蓄冷的能效水平和经济性。

3 水蓄冷系统设计与效果分析

3.1 水蓄冷系统设计

图3 给出了在原制冷系统（见图1）上增加了水蓄冷部分，可运行于以下模式：

（1）蓄冷工况：V1，V5 关闭；V2，V3，V4 打开。蓄水罐里的高温水，经过V3，在冷冻水泵的驱动下，经过制冷机组冷却到蓄冷温度后，再经过V2和V4，存入蓄水罐。

（2）单独释冷供冷：V4 关闭，其余阀门打开。蓄水罐里的冷水在释冷泵的驱动下经过V5，V2，和V1 进入分水器，在换热站向用户供冷后，通过集水器和V3 回到蓄水罐。

（3）冷机单独供冷：V2，V3 关闭，V1 打开。制冷系统正常运行。

（4）冷机与释冷同时供冷：V4 关闭，其余阀门打开。冷机开启，冷冻水泵将经过冷机的冷冻水与释冷泵从蓄水罐取的冷水混合后向用户供冷，再分别流回蓄水罐和冷机。

（5）边蓄边供：V5 关闭，其余阀门打开。冷机开启，在冷冻水泵的驱动下，冷机制取的冷水一路经过V1 和分水器向换热站供冷，一路经过V2和V4 向蓄水罐蓄冷，两路高温水汇合后再回到冷机。

以上5 种运行模式能够保证末端用户的负荷变化需求，并可优化控制使得系统高效运行。

图3 水蓄冷系统

3.2 蓄冷量设计

为了保证水蓄冷系统的经济性，蓄冷用于满足电力高峰时段的负荷需求，并适当兼顾电力平时段的负荷。表4 给出了2018 年和2019 年各制冷月的典型日负荷情况。

表4 各月代表日负荷分布情况万kW·h

其中2019 年8 月9 日是有记录以来的最大负荷日，全天负荷为71.76 万kW·h，其中高峰负荷和平时负荷分别为25.52 万kW·h 时和24.75万kW·h。为满足高峰时段的蓄冷负荷（约25.67 万kW·h），并且末端用户预期有30%左右的增长，因此选用35.17 万kW·h 的蓄冷量，需要约 4.5 万m3的有效蓄水量。

3.3 典型日运行分析

针对表4 中给出的典型工作日的负荷情况，分别选取最大负荷日、部分负荷日和小负荷日，对水蓄冷系统的运行情况进行分析。

（1）制冷机组运行性能

冷水机组在蓄冷工况（冷冻水出水温度4 ℃）和直接供冷工况制冷工况（冷冻水出水5 ℃）下COP 随冷却水温度和负荷率的变化如图4 所示。

图4 制冷机组运行性能

（2）最大负荷日分析

在最大负荷日（2019 年8 月9 日）电力高峰时段总冷负荷为25.52 万kW·h，系统的最大蓄冷量为35.17 万kW·h，采用蓄冷量优先满足电力高峰时段负荷，其次满足外温高时（主要是午后）电力平时段的负荷，其他电力平时段的负荷用制冷机组直接供冷，而电力低谷时段，制冷机组一方面直接满足相应的冷负荷，并同时进行蓄冷。最大负荷日逐时运行情况如图5 所示。从图可以看出，由于夜间供冷的同时进行蓄冷，冷量和能耗都比较大，但是由于峰谷电价，因此运行费用比原系统有较大幅度的降低。当日原系统耗电量为 19.02 万kW·h，电费为11.13 万元；而水蓄冷系统耗电量为17.86 万kW·h，电费为6.64 万元，分别降低了6.1%和40.4%。耗电量降低主要是由于在夜间进行蓄冷时，室外温度较白天降低，制冷机组效率提升所引起，而电费的降低主要得益于夜间低谷电价远低于白天高峰电价。

图5 最大负荷日（2019 年8 月9 日）运行分析

（3）部分负荷日分析

在部分负荷日（如2018 年8 月1 日）的逐时运行情况如图6 所示。该日电力高峰时段总冷负荷为18.00 kW·h，电力平时段的总冷负荷为18.69 万kW·h，全天负荷为42.01 万kW·h。电力高峰时段与平时段的总冷负荷大于总需冷量，因此释冷供冷仍优先满足电力高峰时段负荷，再尽量满足外温高时（主要是午后）电力平时段的负荷；而电力低谷时段的负荷采用制冷机组直接供冷，减少蓄冷释冷过程的能量损失。

图6 部分负荷日（2018 年8 月1 日）运行分析

从图6 中可以看出，与最大负荷日类似，该日全天的大部分冷负荷都由水蓄冷提供，白天的电力消耗基本都转移到了夜间电力低谷时段，因此电费较原系统明显降低。该日原系统耗电量为11.13 万kW·h，电费为7.48 万元；而水蓄冷系统耗电量为10.08 万kW·h，电费为3.71 万元，分别降低了9.4%和50.4%。

（4）最小负荷日分析

在小负荷日（如2019 年7 月1 日）的逐时运行情况如图7 所示。该日电力高峰时段总冷负荷为15.17 kW·h，电力平时段的总冷负荷为13.52 万kW·h，全天负荷为31.41 万kW·h。电力高峰时段与平时段的总冷负荷小于总蓄冷量，因此根据高峰时段和平时段的总冷负荷（28.69 万kW·h）确定蓄冷量以满足电力高峰时段和平时段的总负荷，而电力低谷时段的负荷采用制冷机组直接供冷，减少蓄冷释冷过程的能量损失。

从图7 中可以看出，与前面的分析类似，全天的大部分冷负荷都由水蓄冷提供，白天的电力消耗基本都转移到了夜间电力低谷时段，因此电费较原系统明显降低。该日原系统耗电量为 8.16 万kW·h，电费为5.68 万元；而水蓄冷系统耗电量为7.24 万kW·h，电费为2.52 万元，分别降低了11.3%和55.5%。

图7 小负荷日（2019 年7 月1 日）运行分析

3.4 全年运行经济性分析

根据该能源中心的全年供冷需求，对原系统和水蓄冷系统的全年运行情况进行了分析，如图8 所示。

图8 全年经济性分析

原系统全年制冷耗电为1 039.8 万元，而改造后的水蓄冷系统供冷耗电仅为本文506.4 万元，电费降低了533.4 万元（合51.3%）。以上分析都说明通过水蓄冷系统的改造，可以达到较好的“削峰填谷”的效果，将白天电力高峰时段及平时段的负荷转移到夜间电力低谷时段，一是夜间温度较白天低，制冷机组运行效率有所提高，二是夜间的低谷电价可实现运行费用的大幅度降低。