夏热冬冷地区某航站楼冷源方案研究

陈波，赵平

（四川省机场集团股份有限公司 610041）

0 引言

随着国民经济的飞速发展，民航事业处于高速增长期。枢纽机场一般以建筑群的形态存在，一般由航站楼、交通换乘中心、酒店、停车楼、能源中心等组成。因航站楼体量大、占地面积广、外观独特等特点，在航站楼内难以设置冷却塔、烟囱等，从而一般单独规划能源中心为航站楼提供动力。能源中心常常远离航站楼，水系统作用半径大，系统方案的对比选择显得尤为重要。学者们对不同机场进行了有益的研究［1-5］。丁艳虹［6］等研究了昆明新机场主体大楼中央空调的控制系统优化设计，并如期实现精确控制，蓄冷量大，节能节水的目标。于凌燕［7］等改造了虹桥国际机场某楼体空调冷冻水水泵，对输水量与扬程进行了精确匹配，实现了有效的节能改造。周敏［8］等对西安咸阳国际机场4#制冷站进行了优化设计，由于输冷距离较远，重点对管道规格和排布进行了优化设计，取得了良好的节能和运行效果。

集中空调和居民空调是居民生活生产用电的重要组成部分，由于电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾突出，结合政府出台的峰谷电价政策，空调中的蓄冷技术实现了电负荷“移峰填谷”。本文重点研究了水蓄冷、冰蓄冷等技术应用于中央空调系统中的节能实践。

1 蓄冷技术

空调蓄冷技术是指采用制冷机和蓄冷装置，在电网低谷的廉价电费计时时段，进行蓄冷作业，在空调负荷高峰时，将所蓄冷的冷量释放的成套技术。蓄冷技术就是合理选择蓄冷介质、蓄冷装置与设计系统组成，利用优化的传热手段，通过自动控制，周期性实现介质蓄冷和合理的冷量释放。

常见的蓄冷技术可分为冰蓄冷和水蓄冷。因其蓄冷介质不同，二者各自存在优缺点。水蓄冷技术可以使用常规空调的冷水机组，管路简单，技术要求低，维修简单。水蓄冷属于显热蓄冷方式，对蓄冷水池的保冷及防水措施要求高。冰蓄冷的蓄冷密度大，故冰蓄冷贮槽小，冷损耗低。对制冷机有专门要求，设备与管路系统较复杂。

鉴于水蓄冷和冰蓄冷的技术特点，在国内各大机场项目中都有采用。昆明长水机场、深圳宝安T3航站楼、天津海滨国际机场二期、上海浦东国际机场二期、重庆江北国际机场T3A采用了水蓄冷技术；南京禄口国际机场、西安咸阳国际机场二期、江西昌北国际机场采用了冰蓄冷技术。本文重点就夏热冬冷地区某机场应用蓄冷技术进行优选分析。

2 工程概况

夏热冬冷地区某机场能源中心是机场建设的重要配套设施，能源中心主服务航站楼，交通换乘中心，轨道交通，航站区商业配套等建筑物。为提高能源利用效率，冷源采用常温冷源与中温冷源并设的方式，以提高制冷利用效率。在方案阶段经负荷计算后冷热负荷汇总如下：（负荷单位：kW，面积单位：万平方米）

表1 负荷汇总表

以上各项负荷另计入水系统温升（降）的附加负荷，并根据服务区域的使用特点考虑一定的同时使用系数，能源中心提供的供冷能力需求为：常温水部分83508kW；高温水部分20897kW；供热能力需求为49747kW。

该机场有较好的能源条件，电力、燃气供应充足，同时政府鼓励机场合理转移用电负荷，降低高峰时段的用电负荷率，对机场实行峰谷分时电价政策，具体电价见表2。

表2 峰谷分时电价表

为充分利用供电优惠政策，合理运用经济手段确定制冷方案，对机场的运营效益和可持续发展具有重要意义。

3 主要设备初投资比较

为避免系统过于复杂，提高蓄冷设备的全年使用率，仅对常温水部份进行蓄冷，中温水系统不考虑蓄冷。按照该机场绿建三星的标准要求，蓄冷量为典型日负荷总冷量（常温水部分）的30%，蓄冷量需同时满足负荷均衡法，取二者的大值为设计蓄冷量。

不同的冷热源系统，选取的设备存在巨大的差异。以常规系统为基准，水蓄冷系统在蓄水罐上的投资比重大。冰蓄冷则因系统本身的工作原理，在双工况冷水机组、乙二醇泵、蓄冰盘管等设备上存在巨大差异。

在项目初期，以常规系统作为基准，就供冷供热站房内主要设备及土建的初投资进行了计算分析，结果如下：

从表3的比较可以看出，水蓄冷方案较常规系统的初投资增加约14.1%，冰蓄冷方案增加40.2%，增加的比重较大。

表3 初投资汇总表

4 能耗比较

以常规冷源系统作为基准，对常规水系统、水蓄冷、冰蓄冷三种冷源系统进行能耗比较。能耗模拟及运行费用分析的输入条件为：1)供冷时段为每年的5月1日至10月15日，每日24小时运行。2）供冷对象：航站楼、交通换乘中心、航站区商业配套等。

同时考虑不同方案下，主机COP与系统COP指存在的差异。蓄冰工况中，供应低温冷水，蒸发温度低，机组的COP低。一次侧乙二醇溶液通过板式换热器和冷冻水进行换热，从而导致系统阻力增加，水泵的能耗增加。

为准确评估全年能耗，采用Design Builder软件对供冷供热站的服务区域进行全年的冷负荷模型，结果如下：

图1 全年冷负荷

图2 水蓄冷系统全年逐时能耗

图3 冰蓄冷系统全年逐时能耗

结合该地区的峰谷电价政策，经统计后得出传统水系统方案、水蓄冷方案、冰蓄冷方案的全年运行能耗，运行费用。如下图所示：

图4 各方案全年运行能耗

图5 各方案全年运行费用

在全年运行能耗方面，水蓄冷系统全年运行能耗与传统系统几近持平，冰蓄冷系统全年运行能耗较传统系统高出29.1%。 在全年运行费用方面，水蓄冷系统与传统方案费用降低32.8%，冰蓄冷系统比传统方案费用降低19.4%。

排开初投资、运行能耗与费用，对于系统的自控系统、运行管理也是必须考虑的因素。冰蓄冷系统较常规额外增加了板换、蓄冰盘管、乙二醇泵，系统较为复杂；而水系统较常规系统而言，仅增加了蓄水罐。在自控系统方面，冰蓄冷系统由于组件较多，各种工况转换要求自控点位多，要求高水平的自控系统设计与实施；水蓄冷系统相比之下则自控点位较少。在运行管理方面，对冰蓄冷系统提出了更专业更高的要求。

综合三种冷源方案，在系统组件、运行能耗与费用、自控运行、运行管理等方面进行汇总，水蓄冷系统表现优秀。

5 系统设置

基于服务区域对冷源的需求，综合考虑系统运行的可靠性、节能性、管理的便利性，经多方案比较，采用以下冷源方式：常温空调冷源采用电动压缩式冷水机组加水蓄冷装置，实现电力的“移峰填谷”，通过利用峰谷电价差减少运行费用，同时增加供冷的保障度。蓄水罐与空调冷水系统直接连接，蓄冷水罐兼用作常温空调冷水系统的高位定压水箱。

该航站楼水系统庞大，空调常温水采用三级泵变流量方式，其中一、二级泵设于供冷供热站内，三级泵分设于航站楼、交通换乘中心等各个三级泵房内。

6 结论

夏热冬冷地区某机场地位显著，中央空调系统蓄冷技术的选择具有重要的节能意义。根据前期各种参数建模分析结果，能源中心空调冷源方案使用水蓄冷系统、冰蓄冷系统两种蓄冷方案的运行费用均明显低于常规电制冷系统，其中从初投资、节约运行费用方面来说，水蓄冷系统的效益最好，结合良好的系统控制方式，将获得较为显著的经济效益。冰蓄冷系统的增量投资较大，且冰蓄冷系统较复杂，要求更高的自控系统水准及运行管理水平。综合各方面的比较，能源中心的冷源方案采用水蓄冷系统。