廣州白云機場T2航站樓冷源群控系統的應用分析

陳金建 楊官文

（1．廣東民航機場建設有限公司，廣東 廣州 510470；2．貴州匯通華城股份有限公司，貴州 貴陽 550014）

0 引言

隨著我國城市化建設的快速發展，能源緊缺問題突顯，已嚴重影響和制約了我國經濟社會的發展。我國現有的建筑總面積以每年15%～20%的速度遞增，而建筑在建造和使用過程中直接消耗的能源占全社會總能耗的30%以上，并呈繼續上升趨勢。針對建筑節能的要求，國家頒布了《公共建筑節能設計規范》，我國節能規劃的目標既不是少用能源，也不僅是依靠節能來彌補能源開發的不足，而是提高主要耗能產品的能源利用率以及單位能源消耗所創造的經濟效益，而且后者將越來越重要。

1 機場中央空調

公共建筑用電量占城市總用電量的30%左右，而中央空調在公共建筑中的能耗占比在50%～60%[1]，因此對于公共建筑節能來說，中央空調的節能控制有決定性的影響，尤其對于機場這種大型公共建筑而言更為顯著。機場中央空調主要有以下4 個方面的特點。

1.1 具有高大空間特點

室內空氣溫度場存在很大梯度，傳統概念上的全室均勻混合氣流組織已不適用，為了保證人員活動區域滿足設計條件，須采用高效節能的氣流組織方式。

1.2 在空調系統的空調負荷中

室內人員、設備和照明形成的空調冷負荷占主要份額的70%左右，透過玻璃幕墻形成的冷負荷對空調系統冷負荷的貢獻也達到了30%左右，也是一個不可忽視的冷負荷來源。

1.3 空調負荷大

空調負荷大導致了冷源系統裝機容量較普通公共建筑大，冷凍水輸送管網過長，容易導致水力不平衡的現象，致使局部區域空調效果不好。

1.4 中央空調系統是一個時變性的動態系統

其運行工況受季節變化、天氣變化、環境條件、人流量增減等諸多因素的綜合影響，是隨時變化的，且始終處于波動之中。據資料統計，機場空調區域年最大負荷的出現時間只有幾十小時，而絕大部分時間中央空調系統都是在部分負荷條件下運行。

針對上述特點，除了采用綠色節能的空調設備外，先進的中央空調冷源群控系統的應用是更高效的節能手段。

2 冷源群控系統在該項目的應用

廣州白云國際機場T2航站樓總裝機冷量為125 000 kW，共設置東、西2 個制冷機房，其中包括4 個空調系統。K1、K2、K3 和K4 系統，分別負責主樓東區域、主樓西區域、東指廊區域和西、北指廊區域的空調負荷，見表1。該項目冷源群控系統包括CMS 集中管理平臺、針對K1、K2、K3 和K4 系統的BKS600 中央空調能源管理系統，以及主機、水泵、冷卻塔、閥門等現場控制箱。CMS 集中管理平臺是管理層，BKS600 中央空調能源管理系統是整個系統的控制層。冷源群控系統網絡結構以及系統控制界面如圖1、圖2 所示。

表1 空調系統設計參數

圖1 冷源群控系統網絡結構圖

圖2 快速簡捷的系統界面

3 冷源群控系統的控制原理

3.1 基于負荷預測的冷凍水模糊控制策略

當環境溫度、空調末端負荷發生變化時，各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量亦隨之變化，流量計、壓差傳感器和溫度傳感器將檢測到的這些參數送至模糊控制器，模糊控制器依據所采集的實時數據及系統的歷史運行數據，實時預測計算出末端空調負荷所需的制冷量，以及各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量的最佳值，并以此調節各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉速，改變其流量使冷凍水系統的供回水溫度、溫差、壓差和流量運行保持在模糊控制器給出的最優值。實現了系統輸出冷量與末端負荷相匹配，既保證末端用戶的舒適性，又最大限度地節省了系統的能量消耗。

3.2 基于系統效率最優的冷卻水自適應優化控制

當蒸發溫度在某一點時，冷凝中點溫度與系統COP 成拋物線關系。當冷凝中點溫度TS 降低時，冷卻水泵及冷卻塔風機能耗上升，主機能耗下降。當TS 上升時，冷卻水泵及冷卻塔風機能耗下降，主機能耗上升。必然存在一個最佳的冷凝中點溫度，使主機和水泵塔風機總能耗最低，該狀態下空調系統的整體效率最高。通過建立自適應模糊優化模型來查找最佳冷凝中點溫度，并以此為控制目標來控制冷卻水系統運行參數。

3.3 泵組優選

有2 臺以上變頻水泵并聯工作時，通過運行臺數及頻率來適應水系統流量的變化，在滿足相同流量、相同揚程的輸送條件下，并聯泵組可以由多個組合運行方案來完成。系統調試及實際運行過程中，會自動建立各臺水泵及泵組在不同工況下的效率特性數據庫，在進行控制時，系統以輸送能耗最低為目標，根據所輸送流量的變化、泵組的具體構成及其效率特性，通過系統所建立的水泵優選配置模型并結合歷史數據庫，尋找并確定滿足流量及揚程要求的水泵最佳運行臺數及頻率，使泵組所消耗的總功耗最低，實現泵組節能。

3.4 基于主機效率負荷特性的群控技術

針對2 臺以上并聯運行主機，系統依據歷史數據統計出負荷率和主機COP 的關系，確認出主機最佳的COP 所對應的負荷率。策略建立在歷史記錄的基礎上，在系統穩定后，則進入群控選擇階段。根據當前負荷、冷凝器中點溫度、當前COP，通過查詢歷史記錄曲線選擇當前負荷狀態下COP 最佳的主機組合。經過系統一段時間的連續選擇最終確定主機組合，并進入策略執行階段，運行選定的相關主機組合[2]。

4 冷源群控系統的運行分析

在空調系統運行的過程中，系統的制冷量、冷水主機、水泵及冷卻塔的用電量，可通過冷源群控系統進行數據的采集，其中4 ～10 月的數據見表2 ～表4，分析如下。1）根據運行數據分析，6 ～9 月為T2 航站樓用冷負荷的高峰期，其制冷量及用電量為整個空調季的高峰。2）系統的運行能效COP 基本在4.1 以上，對照制冷機房系統能效最低要求表，達到了高效機房的二級能效，系統運行指標滿足設計要求。通過冷源群控系統，提升了空調系統的運行效率、降低了空調系統的運行能耗。3）在用冷負荷較低的月份，系統的COP 與高負荷月份相比有所降低，因此在部分負荷運行時，該冷源系統仍有優化和提升的空間。4）該設計采用定頻的冷卻水泵，其用電量占比19%（如圖3 所示），屬于耗電較大的設備。因考慮到造價問題，通常情況下都會采用定頻冷卻水泵，在以后的項目中，可以通過采用變頻水泵的措施進一步提高空調系統的COP，達到更好的節能效果。

表2 K1 系統運行數據（采集時段：2018 年4 ～10 月）

表3 K2 系統運行數據（采集時段：2018 年4 ～10 月）

表4 K3 系統運行數據（采集時段：2018 年4 ～10 月）

圖3 空調設備用電量占比

5 結論

通過運行數據分析，廣州白云機場T2 航站樓中央空調冷源群控系統的運行能效在用冷負荷高峰期時，系統COP 基本在4.1 以上，對照制冷機房系統能效最低要求表，達到了高效機房的二級能效，系統運行指標滿足設計要求。廣州白云機場T2 航站中央空調冷源群控系統具有系統優化運行、運行穩定、功能先進、數據全面、便于維護的特點，使空調系統的運營管理更加科學有效。中央空調冷源群控系統采用的智能模糊控制技術，實現了中央空調控制技術的新突破，推動了中央空調節能事業的進步，為構建環保綠色節能的機場提供了有效的解決方案。在用冷負荷較低的月份，系統的COP 與高負荷月份相比有所降低，因此在部分負荷運行中，該冷源系統仍有優化和提升的空間。在以后的項目中，可以通過采用變頻水泵的措施，進一步提高空調系統的COP，達到更好的節能效果。