某機場衛星廳水蓄冷空調的冷源群控系統設計

黃日帶

(廣東省建筑設計研究院有限公司,廣州510010)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加速,電網峰谷差正逐年增大,電力供應高峰不足而低谷過剩的矛盾日益突出,各大電網的峰谷差均已超過最大負荷的30%,平衡電網的用電負荷是十分必要的。 1995 年起,我國各地根據國家電力部門相關要求逐步推行了分時電價制度,并出臺了一系列鼓勵用戶移峰填谷的優惠政策,從而讓空調蓄冷技術的推廣有了政策基礎。 水蓄冷空調系統利用夜間低谷電力制冷,將冷量以冷凍水的形式蓄存起來,在用電高峰或空調負荷高峰時段向用戶釋冷。 相關資料表明,水蓄冷的儲能轉換效率高達90%,比其他幾種儲能技術轉換效率高10%～25%,既可節省用電,又能削峰填谷,平衡電網負荷,提高制冷機組運行效率,節約運行費用。

1 項目概況

深圳機場在國家“十三五”規劃綱要中定位為“國際航空樞紐”,目標是建設成為粵港澳大灣區的世界級機場。 深圳機場衛星廳項目位于深圳機場現有T3 航站樓北側,總面積23.5 萬m2(含B1 層管溝),呈“X”型,空調面積為16.03 萬m2。 衛星廳與能源中心通過室外2.3km 的地下綜合管廊進行連接,連接處靠近衛星廳的東南、東北指廊。 衛星廳旅客辦票、交運行李及安檢全部在T3 主樓內完成,T3 主樓和衛星廳通過APM 連接。 深圳機場一直秉承“綠色發展、循環發展、低碳”的生態文明建設宗旨,在建設過程中將水蓄冷技術用于空調項目, 是節省電能、合理利用電力的一項重要舉指。

2 水蓄冷技術

水蓄冷空調技術是利用水溫變化儲存熱量的蓄能技術之一。 水蓄冷以水作為空調系統的蓄冷介質,有著轉移高峰用電負荷、減少制冷機組裝機容量、利用峰谷電價差節省用電費用等優點。 水蓄冷空調是利用電網的峰谷電價差,夜間采用冷水機組在水池內蓄冷,白天水池放冷而主機避峰運行的節能空調方式。 當空調使用時間與非空調使用時間和電網高峰低谷同步時,就可以將電網高峰時間的空調用電量轉移至電網低谷時使用,達到節約電費的目的。 一般水蓄冷的蓄冷溫度是4 ～6℃,蓄冷溫差為6 ～10℃,本項目蓄冷溫度確定為5℃,蓄冷溫差為8℃。

3 水蓄冷群控系統設計

3.1 水蓄冷運行控制策略

根據建筑圖紙,衛星廳主體建筑面積約23.5 萬m2,經過初步估算,本項目峰值總冷負荷約為12 800RT。 參考深圳機場T3 主樓水蓄冷系統實際運行情況,并結合本項目的峰值冷負荷,可大致得出本項目設計日的逐時負荷柱狀圖如圖1 所示。 根據全日負荷計算的數值與逐時負荷系數及各建筑物的使用功能進行綜合分析,再結合空調逐時冷負荷分布圖1 及該地區水蓄冷空調分時電價政策,可制定出設計日的水蓄冷空調的運行策略。

圖1 設計日空調逐時冷負荷分布圖

以系統全年運行費用最低為前提,用軟件進行運行策略模擬,對本項目在100%、75%、50%及25%負荷下的能源中心設備運行情況進行分析,如圖2～5 所示。

圖2 100%設計日負荷運行分布圖

圖3 75%設計日負荷運行分布圖

圖2 所示在100%負荷率下,23 ∶00-7 ∶00 為蓄冷主機蓄冷模式,這期間為電力低谷時段,制冷主機開啟進行蓄冷,部分直接供冷給用戶,大部分冷量進入蓄冷水罐,儲存在蓄冷水罐內;7 ∶00-9 ∶00 與21 ∶00-23 ∶00 為制冷主機單獨供冷模式,此時處于電力平均時段,不啟用蓄冷水罐的冷量;9 ∶00-21 ∶00 為制冷主機與蓄冷水罐聯合供冷模式。 圖3所示在75%負荷率下,9 ∶00-11 ∶00、14 ∶00-16 ∶00和19 ∶00-21 ∶00 是蓄冷水罐單獨供冷模式;7 ∶00-9 ∶00、12 ∶00-13 ∶00 和17 ∶00-19 ∶00 為制冷主機單獨供冷模式,此時處于電力平均時段。 圖4 所示在50%負荷率下,9 ∶00-16 ∶00 和19 ∶00-21 ∶00 是蓄冷水罐單獨供冷模式;將大部分的蓄冷量用于電網高峰時段,降低運行費用。 圖5 所示在25%負荷率下,7 ∶00-23 ∶00,冷負荷很小,無需開啟主機,只要將夜間蓄存的冷量用于供冷即可滿足用戶需求。

3.2 水蓄冷空調系統的主要設備構成

對于夜間負荷較小的項目,適合采用削減主機的蓄冷方案,可有效減少年運行基本電費和初投資,縮短回收周期。 根據上述水蓄冷系統運行控制策略進行設備選型,本水蓄冷空調系統主要由五臺1 800RT 離心式水冷機組、六臺160kW 變頻冷卻泵(五用一備)、十臺22kW 變頻冷卻塔(兩兩一組)、六臺75kW 變頻冷凍一次泵(五用一備)、六臺250kW 變頻冷凍二次泵(五用一備)、三臺75kW 變頻冷凍二次泵(兩用一備)、兩個有效容積均為11 439m3的常壓蓄冷水罐及其所需配件組成。

3.3 冷源群控系統設計

3.3.1 冷源群控系統構成與設計思路

建筑設備冷源群控系統是運用自動化儀表、計算機過程控制和網絡通訊技術,以實現冷源系統內各設備集中監視、控制為目的,達到優化控制及管理而構成的綜合系統。

基于冷源群控系統的組成特點,關于冷源群控系統的設計重點是冷源群控系統監控原理圖和冷源群控系統圖。 一般遵循以下設計思路:(1)明確冷源群控系統的控制策略,然后根據該策略進行監控原理設計,繪制監控原理圖。 (2)進行冷源群控系統圖設計,從而實現冷源群控系統的整體控制設計。

3.3.2 冷源群控系統控制策略

冷源群控系統控制策略包括以下方面。

(1)冷負荷需求計算

根據冷凍水供回水溫度和供水流量測量值,自動計算建筑空調實際所需冷負荷量。

(2)冷水機組啟停控制

啟動:冷卻水泵→冷卻塔風機→冷凍水泵→冷卻塔電動閥→冷水機組。

停止:順序與啟動相反。 冷凍水泵、冷卻水泵亦可單獨手動投入運轉。

(3)冷水機組聯鎖控制

本項目水蓄冷系統共有5 種模式,分別為:主機單獨供冷、主機單獨蓄冷、蓄冷水罐單獨供冷、主機供冷+蓄冷水罐蓄冷、主機+蓄冷水罐聯合供冷。 這5 種運行模式對應的閥門和設備開關狀態如表1 所示。

能源中心水蓄冷空調系統運行工況表 表1

1)在夜間電費谷段,衛星廳還有一部分空調負荷,此時5 臺主機全開,采用邊蓄邊供的模式,直至蓄冷罐蓄滿或電費谷段時間結束時則停止蓄冷。

2)在電費平段,主要采用主機單獨供冷模式,若制冷主機全開仍不能滿足該時段室內負荷時,再采取蓄冷罐和制冷主機聯合供冷模式,此時應以主機供冷為主,蓄冷罐供冷為輔。

3)在電費峰段,盡量開啟蓄冷罐單獨供冷,當蓄冷罐蓄冷量無法滿足峰段負荷時再采取蓄冷罐和制冷主機聯合供冷模式,此時應以蓄冷罐供冷為主,主機供冷為輔,主機單獨蓄冷模式一般情況下不會出現。

(4)制冷主機、一次冷凍泵、冷卻水泵臺數控制

1)單臺機組:根據本機組冷凍水進/出水溫度及水量計算供冷量,進行加載或卸載。

2)機組群控:根據冷凍水進/出水溫度及水量計算系統總供冷量,同時根據每臺機組的效率曲線(由空調廠家提供)自動總體計算系統每一個負荷點的總效率,以總體最高效率為原則決定單機的負荷率及開啟臺數,且一次冷凍水泵和冷卻水泵的運行臺數應與主機保持一致,運行臺數做到總體最高效運行。

此外根據業主要求,冷卻水泵配有變頻器,水泵流量比計算值適當加大,平時根據管路特性曲線可調至45～50Hz 的某固定頻率定頻運行,當夜間室外氣候條件較好、冷卻水溫降低、主機供冷能力增加時,再調高水泵頻率到50Hz,以加大主機的供冷量。

(5)冷卻塔控制

當冷卻塔出水溫度＞15℃(暫定值,具體值按到貨制冷主機要求定)時,冷水機組相應的冷卻塔風機全部開啟;當冷卻塔出水溫度＜15℃時,逐步減少對應的冷卻塔組里的風機開啟臺數;當冷卻塔風機全部關閉,冷卻塔出水溫度仍＜15℃,且還需開啟冷凍機組制冷時,開啟閥DVT-5,調節閥體開度,使冷卻水溫保持在15℃及以上。

(6)冷凍水泵變頻調節

1)根據末端最不利點壓力,變頻調節冷凍水泵,流量最大變化率每分鐘≤30%。 本系統末端最不利點分別位于衛星廳西南和西北指廊的首層、二層,通過光纖及光電轉換把實時壓力數據傳輸回本系統。

2)多泵群控:變頻運行時根據系統選定的壓力點提供的冷凍水供回水壓力變頻調節水泵的輸出頻率,同時根據每臺水泵的效率曲線總體計算系統每一個負荷點水泵的總效率,以總體最高效率為原則決定單臺水泵的運轉頻率及開啟臺數,且水泵的運行臺數還應與主機運行臺數保持一致,做到總體最高效運行。

(7)冷凍水壓差旁通閥控制

監測冷凍水供回水壓差(大系統及24h 系統壓力最不利點),自動調節電動旁通閥開度,保證供回水壓差保持在恒定值。

(8)水泵保護控制

水泵啟動后,壓差感應或水流感應開關檢測水壓狀態,如故障則自動停機。 水泵運行時如發生故障,備用泵自動投入運行,同時開啟對應的電動閥。

(9)機組定時啟停控制

根據事先排定的工作及節假日作息時間表,定時啟停機組,并自動統計機組、水泵、冷卻塔的累計工作時間,提示定時維修。

(10)機組運行參數

監測系統內各檢測點的溫度、壓力、流量等參數,自動顯示,定時打印并進行故障報警。

(11)自動補水裝置、在線清洗裝置、水處理器監測

自動監測自動補水裝置、在線清洗裝置、水處理器運行狀態,提示定時檢修;故障及時報警。

(12)蓄水池水位監控

自動檢測冷卻水蓄水池高低水位,低水位自動補水,超高水位及時報警(蓄水罐需要自帶水位傳感及其網關接口)。

(13)過濾器堵塞報警

水過濾器兩端壓差過大時報警,提示清洗。

(14)主機、水泵聯合控制

主機群及水泵群各自計算出運行策略曲線后,再按實時負荷把主機及水泵的總功耗及總效率疊加,選出總體的效率最高、耗功最低點實施運行;并根據往年的數據,調整最優運行方式。

3.3.3 冷源群控系統監控原理圖設計

為實現上述冷源群控系統控制策略,根據空調工種提供的冷源設備資料及供冷需求進行設計,得到本項目的水蓄冷空調系統的監控原理圖,如圖6所示。

3.3.4 冷源群控系統圖設計

根據相關設計經驗與案例,最終確定本系統由服務器、工作站、網絡控制器、現場控制器、各類傳感器及執行機構、控制層/管理層網絡以及操作系統軟件和應用軟件等構成,與能源中心建筑設備管理系統進行集成,并利用綜合管廊布線主大對數光纜作為通信傳輸介質與衛星廳集成網連接,實現數據信息交互。

圖6 水蓄冷空調系統監控原理示意圖

本系統主服務器設于能源中心設備監控分控室,服務器采用雙機冗余技術,并在衛星廳設備監控總控制室內設置管理工作站。 系統網絡控制器(NC)、現場控制器(DDC)設于能源中心現場或控制室內。 通信網絡分為兩級結構:管理層及控制層。 管理層網絡即為設備管理網,采用千兆主干以太網,客戶機/服務器數據處理模式,支持TCP/IP 通信協議;控制層網絡要求采用BACnet、MODBUS 等總線連接各個網絡控制器、現場控制器,控制器之間可通過控制層網絡實現點對點通信,系統要求總線最大傳輸距離≥1 200m。 根據以往的設計經驗,在設計過程當中比較容易遺漏末端最不利點壓力的數據整合,以至于出來的制冷效果冷熱不均,部分區域會出現過熱。 本項目在設計過程中,最終確定了本系統四個最不利點,其中兩個為大系統的最不利點,位于衛星廳西北和西南指廊的二層;兩個均為24h 系統的最不利點,位于衛星廳西北和西南指廊的首層。

通過統計監控原理圖的點位,得出本冷源群控系統共設置AI 點90 個,DI 點241 個,AO 點39 個,DO 點162 個,共設置2 臺網絡控制器,30 臺現場控制器。 此外水冷機組、蓄冷水罐、旁流水處理器、在線加藥裝置、冷量計量表裝置均由設備廠商配套提供數據接口、通信網絡,各裝置均通過網關與網絡控制器雙向通信,網絡控制器讀取裝置內的各種運行參數。

4 結束語

本文結合項目所在地深圳市的電費階梯價格差,以系統全年運行費用最低為目標,根據全日負荷計算的數值與逐時負荷系數,用軟件模擬得到水蓄冷空調系統的運行策略,然后依據該策略進行水蓄冷空調系統選型,進行冷源群控系統設計,從而實現水蓄冷空調系統的智能化控制,達到最優節能的目標。 在冷源群控系統監控原理圖和系統圖設計中,整合系統最不利點,避免制冷效果冷熱不均問題,讓冷源群控系統更加合理,為今后相關電氣設計提供案例及經驗支持。 在實際操作中讓項目運行一段時間后,該系統還可根據累積的數據,更精準地控制水蓄冷空調系統的運行,節能收益會更加顯著。