浦東機場能源中心水蓄冷運行方式改進方案

張 敏，王晨曉

（上海上電電力運營有限公司，上海 200245）

1 浦東機場2號能源中心水蓄冷系統簡述

浦東機場2號能源中心主要服務對象為二期航站樓區域，面積近期為49萬m2的航站樓東廳（T2）及3萬m2交通中心，遠期考慮10萬m2的航站樓南廳（T3）。根據相關專業提供的設計冷負荷數據如下：東廳+交通中心的冷負荷為24 740RT（87 000kW），考慮1.2安全系數；南廳的冷負荷為4 980RT（17 500kW）。

經過多種制冷方案設計和詳細的技術方案比較，水蓄冷系統與冰蓄冷系統和常規電制冷系統相比，在初投資和運行費用上都有明顯優勢。故設計優先采用了水蓄冷。

1.1 水蓄冷系統的組成

浦東機場2號能源中心水蓄冷系統是由制冷機組、蓄冷水灌、蓄冷水泵（冷凍泵）、放冷水泵（供冷泵）組成。單蓄冷循環圖如圖1所示。

圖1 單蓄冷循環圖

1.2 水蓄冷系統主要設備配置

浦東機場2號能源中心水蓄冷系統運行圖如圖2所示，機房主要設備配置如表1所示。總蓄冷量按滿負荷的34%設計。

圖2 水蓄冷系統運行圖

表1 水蓄冷機房主設備配置與技術參數表

配套的冷凍機房內設置10臺制冷能力為2 000RT的離心式冷水機組及冷卻水泵、冷凍水一次泵和冷凍水二次變頻泵等。

冷凍機房內的管道為雙管制，采用同程式（阻力大致相同，流量分配較均衡）系統，并附設在同一高度，下設托架梁以求整齊劃一，室外部分采用直埋管。通往航站樓的冷凍水供回水溫度為4～12℃。為節能運行，并且考慮氣候變化，冷凍水供回水溫度允許進行適當的調整。通至末端用戶的供回水管系統，由于遠近不同而易產生水力失調，在每個用戶入口設差壓控制閥，最不利環路設差壓傳感器，其壓差變化傳輸至二次變頻泵進行相應調節，以穩定最不利環路的水量，從而保證所有用戶的水量分配達到設計要求。

2 水蓄冷系統調試時出現的問題及原因

2.1 出現的問題

浦東機場2號能源中心的蓄冷罐不能按照蓄冷設計要求進行充冷。在對蓄冷罐進行充冷調試時，發現當蓄冷罐出水溫度下降至充冷終結溫度時，此時蓄冷罐內的水層溫度分布為，底部水溫為4℃，頂部水溫為12℃，斜溫層厚度為9.5m，并且蓄冷罐內的蓄水溫度分布未按照自然分層過渡，出現水層溫度分布交錯跳躍。顯然，蓄冷低溫水的水量和斜溫層的厚度均未能達到設計要求。

2.2 原因分析

根據蓄冷罐內溫度分布情況分析，充冷終結時斜溫層太厚，并且斜溫層的溫度分布不正常。主要原因是在安裝調試初期，蓄冷罐進行過多次充放冷，每次充放冷時均未將斜溫層全部移至蓄冷罐外，就進行下一輪充放冷調試，造成蓄冷罐內的分層水溫非常混亂。蓄冷罐在充冷前罐內溫度分層不正常，當充冷時上部出水溫度已滿足低于12℃的終結條件時，罐內還留存很多溫度高低交錯的斜溫層，造成儲存的低溫水水量嚴重不足，蓄冷能力大為下降，不能按要求滿足蓄冷計劃。

由于充冷時的水溫更替是由下往上逐步上移的，如果充冷前蓄冷罐內溫度分層混亂，當出水溫度達到充冷終結條件時，斜溫層的水層并未能全部更替。因此，充冷前蓄冷罐內溫度分層混亂是造成斜溫層破壞，導致蓄冷失敗的主要原因。

3 解決方案

3.1 方案1

通過改變原有的充冷時“蓄冷罐出水溫度下降至12℃”停止充冷的充冷終結條件，將充冷的終結條件改為，“當蓄冷罐內原有的斜溫層全部移至罐外時”停止充冷，此時蓄冷罐內儲存的全為新充入的低溫冷水。

但由于受到制冷機組冷凍水回水最低溫度保護的限制，當蓄冷罐出水溫度下降至9℃，即制冷機組的冷凍水回水溫度低于9℃時，制冷機組將卸載停機，停止制冷。此時制冷機的冷凍水出水溫度上升，不能再對蓄冷罐進行充冷。顯然，方案1受制于制冷機組的運行條件，無法將不正常的“斜溫層”全部排至罐外。

3.2 方案2

由于正常的充冷條件為：充冷前蓄冷罐內的水溫必須按自然的分層溫度分布，且斜溫層厚度必須正常。因此，在充冷前應對蓄冷罐的水溫分層作一個檢測，當罐內水溫斜溫層過厚，分層錯亂時，必須將罐內這些溫度分層錯亂的“斜溫層”的水全部排至罐外，以確保水溫符合正常充冷條件。但是要將這些分層錯亂的“斜溫層”的水移至罐外，要消耗大量的時間和能源，既不能滿足運行時間控制的要求，又不符合水蓄冷系統的節能原則。

如要杜絕這些分層錯亂的“斜溫層”，就必須保證在日常運行操作中將蓄冷罐內的水溫控制在正常充冷條件下。因此，日常運行操作必須按照如下要求進行。

1）嚴格控制蓄冷罐內的充冷量 根據次日氣溫預測及用戶熱負荷預測，估算出較為精確的蓄冷罐內的充冷量，以使當晚充入的冷量，在次日既滿足用戶需要，又能全部用完。

2）對蓄冷量不足或蓄冷量富裕的調節 因估算不準或用戶負荷變化造成蓄冷冷量不足時，應增開制冷機制冷作補充。如蓄冷冷量過多，也必須設法用完，以保證下一次充冷操作能夠正常完成。

3）充放冷操作原則 充放冷操作以一次充入、一次放完為原則，避免在一個供冷運行日中進行多次充放冷操作，以防止蓄冷自然溫度分層的破壞。

4）嚴格控制蓄冷罐放冷運行時的回水溫度控制回水溫度不低于9.5℃，以保證充冷運行時制冷機組能正常制冷。

根據方案2進行試運行操作，蓄冷罐的充放冷運行正常。運行操作平穩安全，基本符合原設計的充蓄冷溫度要求。但需要注意，由于方案2必須準確估算蓄冷罐內的充冷量，這需要大量的原始數據及豐富經驗，并且需要在實踐中不斷修正完善。由于水蓄冷系統是浦東機場2號能源中心工程的配套項目，沒有原始數據。目前可以通過浦東機場2號能源中心用戶單位的設計日負荷，制定蓄冷計劃。

4 不同負荷下的運行方案

浦東機場為上海市的窗口行業，設計負荷的25%～100%都有供冷需求。在不同負荷運行情況下，回水溫度會有明顯變化，這對斜溫層也有很大影響。通過結合以往氣溫變化情況、設計日的熱負荷情況以及參考數據，得出如下運行方案。

4.1100 %設計負荷的運行方案

設計日是夏季最熱時，結合空調逐時冷負荷分布圖及上海市水蓄冷空調的電費政策，水蓄冷系統按以下3種工作模式運行。

1）主機供冷+主機蓄冷模式（22：00至6：00）。這期間為電力低谷時段，3～5臺主機提供夜間冷負荷，5～7臺主機全力蓄冷，至6：00時系統總蓄冷量達到116 000RTH。

2）主機與蓄冷罐聯合供冷模式（8：00至11：00，18：00至21：00）。這期間3～4臺主機在空調工況下運行，滿足部分冷負荷的需求，其他冷負荷由蓄冷罐滿足。

3）主機單獨供冷模式（其余時間）。這期間8～10臺主機在空調工況下運行，可以滿足所有冷負荷需求。

4.2 非100%設計日負荷的運行方案

在天氣發生變化、日負荷較小時，系統將依據實際的冷負荷需求，通過控制系統調節運行模式。自動調整每一時段內蓄冷罐供冷及主機供冷的相對應比例，以實現分量儲冷模式逐步向全量儲冷模式的運行轉化，按照蓄冷罐優先供冷原則，最大限度地控制主機在電力高峰期間的運行，節省運行費用。

4.375 %設計日負荷的運行方案

結合上海市的電價政策，在75%設計日負荷時水蓄冷系統按以下4種工作模式運行。

1）主機供冷+主機蓄冷模式（22：00至6：00）。這期間為電力低谷時段，3～5臺主機提供夜間冷負荷，5～7臺主機全力蓄冷，至6：00時系統總蓄冷量達到116 000RTH。

2）主機與蓄冷罐聯合供冷模式（8：00至11：00，18：00至20：00）。這期間1～2臺主機在空調工況下運行，滿足部分冷負荷的需求，其他冷負荷由蓄冷罐滿足。

3）蓄冷罐單獨供冷模式（20：00至21：00）。這期間由蓄冷罐滿足全部冷負荷的需求。

4）主機單獨供冷模式（其余時間）。這期間6～8臺主機在空調工況下運行，滿足所有冷負荷需求。

4.450 %設計日負荷的運行方案

結合上海市的電價政策，在50%設計日負荷時水蓄冷系統按以下4種工作模式運行。

1）主機供冷+主機蓄冷模式（22：00至6：00）。這期間為電力低谷時段，2～3臺主機提供夜間冷負荷，7～8臺主機全力蓄冷，至6：00時系統總蓄冷量達到116 000RTH。

2）主機與蓄冷罐聯合供冷模式（12：00至13：00）。這期間5臺主機在空調工況下運行，滿足部分冷負荷的需求，其他冷負荷由蓄冷罐滿足。

3）蓄冷罐單獨供冷模式（8：00至11：00，18：00至22：00）。這期間由蓄冷罐滿足全部冷負荷的需求。

4）主機單獨供冷模式（其余時間）。這期間5臺主機在空調工況下運行，滿足所有冷負荷需求。

4.525 %設計日負荷的運行方案

結合上海市的電價政策，在25%設計日負荷時水蓄冷系統按以下3種工作模式運行。

1）主機供冷+主機蓄冷模式（22：00至6：00）。這期間為電力低谷時段，1～2臺主機提供夜間冷負荷，7到8臺主機全力蓄冷，至6：00時系統總蓄冷量達到116 000RTH。

2）主機與蓄冷罐聯合供冷模式（15：00至18：00）。這期間1～2臺主機在空調工況下運行，滿足部分冷負荷的需求，其他冷負荷由蓄冷罐滿足。

3）蓄冷罐單獨供冷模式（7：00至15：00，18：00至22：00）。

55 種運行方案的耗電量與電費計算

當蓄冷率為34%時的常規制冷，水蓄冷在各種負荷下、不同時段的耗電量與電費計算結果見表2。通過水的顯熱儲存冷量，將夜間電網多余的谷段電力（低電價時）與水的顯熱相結合來蓄冷，以低溫冷凍水形式儲存冷量，并在用電高峰時段（高電價時）使用儲存的低溫冷凍水來作為冷源的空調系統。通過利用峰電與谷電的差價節約1290萬元電費。浦東機場2號能源中心投運至今，每年節約電費均為設計最大值的80%以上。

表2 采用116 000RTH蓄冷量的系統耗電量及電費計算結果

6 結語

通過以上一系列的運行方案的修正，運行操作平穩安全，基本符合了原設計的充蓄冷的溫度要求，現蓄冷水罐內的斜溫層已經能夠很穩定地控制在0.3～1.0m。分布式能源與儲能做為智能電網建設的關鍵部分，被政府納入“十二五”規劃。水蓄冷作為分布式能源的一部分，是高效、環保的能源利用方式，有利于調整能源結構。

［1］ 殷亮，劉道平.自然分層水蓄冷技術［J］.暖通空調HV＆AC，1997，27（1）：50-53.

［2］ 黃麗.溫度分層型水蓄冷罐的模擬與理論研究［D］.武漢科技大學，2010.