機場航站樓空調冷水機組設計選型方法研究:以我國夏熱冬暖地區一樞紐機場航站樓為例

溫嘉權 何 花 李哲青 葉 翠 鄧杰文

(1.廣州白云國際機場股份有限公司,廣州;2.廣東省建筑設計研究院有限公司,廣州;3.廣東省機場管理集團公司工程建設指揮部,廣州;4.清華大學,北京)

0 引言

機場航站樓建筑體量大、功能復雜,在滿足相應功能需求、營造舒適室內環境的同時,也消耗著大量的能源。據統計,我國機場航站樓平均電耗約為177 kW·h/m2,其中空調系統的能耗占比達到40%～70%[1]。作為空調系統的核心設備,冷水機組運行能耗又占到空調系統總能耗的40%左右[2]。因而冷水機組的合理設計是實現空調系統高效運行的關鍵[3]。但在實際運行過程中,由于設計余量過大[4]、系統選型不合理[5]等問題,造成初投資增加,同時也影響冷水機組實際運行性能,導致系統運行能耗增加[6]。

為提升冷水機組實際運行性能,相關學者對冷水機組群選型要點[7]、設計方法[8-10]及運行控制策略[11]開展了一系列的理論研究與工程實踐。但相關方法一方面局限于典型日的設計分析;另一方面缺少從系統層面入手,結合項目全年逐時供冷需求、冷水機組自身變工況運行特性開展整體性分析。因此,本文以我國夏熱冬暖地區一樞紐機場航站樓為例,基于其全年逐時供冷負荷計算結果,構建冷水機組變工況運行性能分析模型,開展冷水機組設計選型方法研究,通過不同配置冷水機組經濟效益分析,確定最佳組合,在保障航站樓各功能區熱舒適環境的基礎上,為空調冷水機組未來高效運行提供基礎條件。

1 項目概況

項目位于我國夏熱冬暖地區,航站樓及交通中心(以下統稱航站樓)總建筑面積65.4萬m2,其中近期建設面積62.2萬m2,遠期建設面積3.2萬m2,設計年旅客吞吐量4 000萬人。圖1為該項目初步設計方案效果示意圖。

圖1 航站樓及其配套設施鳥瞰效果圖

項目所在地以溫暖多雨、光熱充足、夏季長、霜期短為特征,全年平均氣溫20～22 ℃。此外太陽輻射較強,而機場航站樓外圍護結構以玻璃幕墻為主,玻璃結構多、體形系數大,建筑太陽輻射得熱較大。因而航站樓全年均存在供冷需求,且夏季和梅雨季除濕需求較大,對空調系統的優化設計與高效運行提出了較高要求。為了實現航站樓空調系統的優化設計與高效運行,項目團隊采用DeST模擬軟件[12],開展了全年8 760 h逐時供冷負荷模擬研究。

圖2給出了該項目(近期建設面積62.2萬m2)集中供冷系統全年逐時冷負荷,尖峰供冷負荷為 69 194 kW(19 674 rt),折合單位建筑面積尖峰負荷為111.2 W/m2,全年累積供冷需求為1.77億kW·h,折合單位建筑面積供冷量為284.6 kW·h/m2。

圖2 該項目近期工程集中供冷系統全年逐時冷負荷

對全年逐時負荷進行統計分析,結果如圖3所示。可以看到全年供冷負荷大于5萬kW的時間僅為395 h,大于4萬kW的時間僅為1 274 h,占全年供冷時長的比例僅為14.5%。而全年預計有55%的時間運行在2萬kW供冷負荷以下(負荷率低于30%),因此為了保障冷水機組高效運行,需從冷水機組容量搭配、高效運行調控等方面充分考慮,以提升全年平均運行負荷率。

圖3 全年逐時冷負荷統計分析

2 空調冷水機組設計選型方法研究

2.1 冷水機組變工況運行模型

制冷性能系數(η)是評價冷水機組運行性能的重要指標,其定義如式(1)所示,該數值越大越好。而冷水機組運行η由其運行工況和對應工況下冷水機組自身性能共同決定,因而可以進一步將η拆分成ηth和ηd的乘積,其中ηth為相同工作溫度下理想制冷循環(逆卡諾循環)的制冷性能系數,而ηd則代表冷水機組在對應工況下內部工作效率[13]。ηth的定義如式(2)所示,該值對應冷水機組制冷循環能效上限,僅與蒸發溫度、冷凝溫度有關。如式(3)所示,ηd為η與ηth的比值,該值反映冷水機組內部因素影響導致的機組實際循環與理想循環的接近程度。

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中Qe為冷水機組制冷量,kW;Wch為冷水機組(壓縮機)耗電量,kW;Te和Tc分別為蒸發和冷凝熱力學溫度,K。

而冷水機組ηd受運行負荷率和壓縮比的影響,如式(4)所示,其中采用冷凝、蒸發溫度之差(Tce)近似表征壓縮比,采用實際制冷量與額定制冷量比值表征運行負荷率(Rl),A～F為根據實際運行數據進行回歸擬合所得的系數。

(4)

其中運行負荷率可由逐時供冷量與當前開機組合下冷水機組額定制冷量確定。因而確定不同工況下冷水機組運行η的關鍵在于確定蒸發溫度與冷凝溫度。實際運行過程中冷水側、冷卻水側循環流量及水溫為已知參數,即可通過構建蒸發器、冷凝器換熱過程求解蒸發溫度與冷凝溫度。

在蒸發器一側,冷水流量、冷水溫度和制冷需求是影響其蒸發溫度的關鍵因素。因此,可以利用式(5)～(9)計算蒸發溫度。

Qe=ρcpGe(tchw,r-tchw,s)

(5)

Qe=KeΔte

(6)

(7)

(8)

(9)

式(5)～(9)中ρ為水的密度,kg/m3;cp為水的比定壓熱容,kJ/(kg·℃);Ge為冷水流量,m3/s;tchw,r為冷水回水溫度,℃;tchw,s為冷水供水溫度,℃;Ke為蒸發器等效傳熱系數,kJ/℃;Δte為蒸發器對數平均溫差,℃;te為蒸發溫度,℃;a1～a6為系數。

同樣,對于冷凝器,冷卻水流量、冷卻水溫度和冷凝側散熱需求則是影響其冷凝溫度的關鍵因素。因此可以利用式(10)～(14)計算冷凝溫度。

Qc=ρcpGc(tcw,r-tcw,s)

(10)

Qc=KcΔtc

(11)

(12)

(13)

(14)

式(10)～(14)中Qc為散熱量,kW;Gc為冷卻水流量,m3/s;tcw,r為冷卻水回水溫度,℃;tcw,s為冷卻水供水溫度,℃;Kc為冷凝器等效傳熱系數,kJ/℃;Δtc為冷凝器對數平均溫差,℃;tc為冷凝溫度,℃;b1～b6為系數。

通過上述分析可以看到,冷水供水溫度和冷卻水回水溫度(回到冷卻塔)是需要進一步明確的關鍵參數。其中對于冷水供水溫度采用7 ℃設定值,但在實際運行過程中,可根據供冷需求適當提高供水溫度,以提升冷水機組運行性能。而冷卻水回水溫度則需要根據室外濕球溫度及冷卻塔換熱性能確定,如式(15)所示。

(15)

式中ts為室外濕球溫度,℃,可直接由氣象網站獲取當地逐時濕球溫度數據;Δtcw為冷卻水循環溫差,℃,本文設定為5 ℃;βct為冷卻塔換熱效率,本文設定為75%。

為避免冷卻水溫度過低導致冷水機組低溫報警,該項目設置冷卻水供水溫度下限為20 ℃,即回水溫度下限為25 ℃。

2.2 冷水機組選型方案設定

如前文所述,該項目近期工程集中供冷尖峰負荷為69 194 kW,經過與設計院多次溝通,充分考慮航站樓遠期建設需求,加之實際施工建設、運行管理過程中存在的一系列問題(冷水機組實際制冷能力較差、長期運行性能衰減等),將冷水機組裝機容量確定為不大于80 891 kW。項目共設置2個相同容量的制冷站,單個制冷站裝機容量不大于40 446 kW。根據全年逐時供冷需求分布,該項目單個制冷站共設置6種冷水機組選型方案進行綜合對比,方案設置如表1所示。

表1 單個制冷站冷水機組選型方案設置

冷水機組設計冷水進/出水溫度為15 ℃/7 ℃,冷卻水進/出水溫度為30.6 ℃/35.6 ℃。根據項目產品庫不同容量及類型冷水機組變工況運行性能樣本,建立冷水機組變工況運行性能預測模型,擬合得到各設備對應擬合系數,如表2、3所示。

表2 不容類型冷水機組ηd擬合性能系數

表3 滿液式蒸發器/冷凝器傳熱模型系數擬合結果

2.3 冷水機組選型比選方法

如圖4所示,在獲得不同類型及容量冷水機組變工況運行性能模型后,即可基于全年逐時供冷負荷、逐時室外濕球溫度開展多方案比選。

圖4 冷水機組多方案比選方法

1) 輸入不同方案冷水機組搭配,確定方案初投資,其中不同冷水機組單價如表4所示。

表4 不同類型冷水機組單價 萬元

2) 根據表1冷水機組選型情況,對各方案冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔進行配置,如表5所示。冷水泵、冷卻水泵及冷卻塔設備單價如表6所示。配電系統造價按1 300元/kW進行估算。

表5 不同方案水系統配置

表6 不同型號水泵及冷卻塔設備單價

3) 電價執行當地峰谷電價,其中14:00—17:00、19:00—22:00為高峰電價,單價1.101元/(kW·h);08:00—14:00、17:00—19:00為平段電價,單價0.647 5元/(kW·h);00:00—08:00為低谷電價,單價0.246元/(kW·h)。

4) 根據輸入冷負荷范圍,確定冷水機組開機組合。對于定頻冷水機組,如圖5所示,在給定水溫工況下運行負荷率越大,冷水機組η越高,因此需要通過臺數控制使得冷水機組運行負荷率越高越好。而對于變頻冷水機組,如圖6所示,其最佳運行負荷率區間為60%～80%。因此需要通過臺數控制使得冷水機組運行負荷率盡量處于60%～80%的范圍內。在確定開機組合后,即可根據逐時負荷與當前組合額定容量確定實際運行負荷率。

圖5 8 441 kW定頻離心冷水機組變工況性能曲線

圖6 8 441 kW變頻離心冷水機組變工況性能曲線

5) 根據逐時室外濕球溫度,計算冷水機組運行冷凝溫度。結合7 ℃供水對應蒸發溫度,即可求得冷水機組實際運行ηth及Tce。隨后結合運行負荷率即可求得冷水機組實際運行ηd,進一步可求得冷水機組實際運行η。

6) 根據實際供冷負荷與實際運行η,即可求得當前冷水機組運行能耗。進一步結合逐時電價即可求得當前運行費用。根據上述方法即可求得不同方案全年運行費用。

7) 結合方案初投資與全年運行費用,以15年為周期計算總成本,即可對不同方案進行經濟效益橫向對比,確定冷水機組最佳選型組合。

3 空調冷水機組選型比選結果分析

以方案5為例,即單個制冷站采用4臺8 441 kW與2臺3 165 kW變頻冷水機組聯合運行。由于采用變頻冷水機組運行,冷水機組推薦運行負荷率區間為60%～80%,由此得到該方案不同冷負荷下冷水機組開機組合,如表7所示,其中S代表3 165 kW冷水機組,B代表8 441 kW冷水機組。

表7 方案5不同組合冷水機組推薦供冷容量范圍 kW

表8 冷水機組選型多方案比選結果

由此計算得到該方案全年逐時供冷負荷率與能效,分別如圖7、8所示。該方案單側機房冷水機組全年運行電耗為1 185.2萬kW·h,供冷季平均η為7.48,運行費用為860.3萬元。

圖7 方案5不同冷量范圍負荷率分布

圖8 方案5不同冷量范圍運行η分布

根據上述計算方法,逐一計算6種方案初投資及冷水機組全年運行方案,計算結果如表8所示。

通過對比分析可以看到,變頻冷水機組方案雖然初投資較高,但得益于更好的運行性能,全年運行成本降低,15年總費用(初投資+15年運行費用)整體低于定頻冷水機組方案。而其中方案1和5的15年總費用基本相當,且低于其他方案。但相比方案1中5臺7 034 kW與2臺2 638 kW聯合運行的設置,方案5設備臺數更少,占地面積小,運行調控難度降低,全年冷水機組性能處于高效區間(η大于7)的時間占比為85.1%。而運行風險在于大冷水機組單臺容量較大,若1臺7 034 kW冷水機組出現故障,則保障率為78.9%。

但考慮到近期工程實際尖峰冷負荷僅為69 194 kW,且尖峰負荷出現時間短暫。綜合考慮經濟、能效、運維管理、后期拓展性等因素,該項目最終選定方案5,總裝機容量80 189 kW,并設置2個制冷站,單個制冷站采用4臺8 441 kW與2臺3 165 kW變頻冷水機組聯合運行方案。

4 結束語

冷水機組是集中空調系統的核心設備,也是機場航站樓等大型公共建筑空調系統節能降耗的關鍵所在。冷水機組設計選型的重要基礎在于明確全年8 760 h逐時供冷負荷及室外氣溫(影響冷卻水溫度)這2個外界需求和條件。在此基礎上,通過不同廠家提供的冷水機組變工況(變冷卻水溫度、變負荷率)性能曲線,構建冷水機組在不同運行工況下的性能模型,從而在設計階段較為準確地預測不同冷水機組選型下全年逐時運行性能及能耗水平,并結合不同方案初投資與運行費用,從經濟效益層面確定最佳冷水機組選型。同時也能在設計階段給出較為詳細的冷水機組運行調控策略,以及運行能耗、能效目標,從而更好地指導項目的建設與長期運行。