機場航站樓空調輸配管網水力平衡及控制集成系統應用研究

摘要：針對機場航站樓空調輸配管網系統實際運行中存在的問題和不足，提出了空調輸配管網水力平衡及控制集成系統方案，應用聯網型智慧閥門，結合平衡及管控平臺，提供輸配管網運行數據的實時監測與集中控制功能，實現空調系統從能源站、輸配管網到空調末端設備整體數據鏈的完整性。針對原有系統某AHU的改造和實測數據對比分析，驗證了該集成系統的有效性和優越性。應用空調輸配管網水力平衡及控制集成系統，可提高管網系統的水力平衡度，進一步優化空調末端的控制效果，并有效降低管網系統的輸配能耗和調試維護難度。

關鍵詞：水力平衡；流體輸配管網；能源管理；節能

中圖分類號：TU831.3" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0042-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.010

0" " 引言

大型機場航站樓作為地上高大空間交通建筑的典型形式，其空調系統規模龐大，連續運行時間長，空調能耗占航站樓總能耗比重大。如何保障空調系統正常穩定運行，同時減少運行能耗是航站樓空調系統精細化管理所面臨的重要任務。目前，空調水系統普遍存在大流量、小溫差的運行問題，雖然能源站制冷主機的COP值、水泵的效率、末端設備的換熱效率不斷提高，但系統的整體能耗仍然沒有改善，其主要原因是系統的輸送能效過高。若能實現航站樓輸配管網數據信息的透明化并實時優化輸配系統運行，則可有效提高空調系統整體的可控性并更大程度地實現節能運行。

傳統輸配管網平衡及控制方案的典型布置如圖1所示。該方案采用靜態平衡閥、動態壓差平衡閥（壓差控制器）、電動調節閥的組合方式，在風機盤管環路設置動態壓差平衡閥和靜態平衡閥，在末端處設置電動調節閥、靜態平衡閥和動態壓差平衡閥。通過動態壓差平衡閥控制環路壓差并優化電動調節閥的閥權度，靜態平衡閥輔助動態壓差平衡閥進行環路壓差設定，電動調節閥控制室內溫度的舒適程度[1]。

傳統方案的不足表現在：

1）缺乏基準。輸配系統的控制目標值確定困難，在本項目水系統中，節點、支路數量較多，對于合理的控制目標值計算困難，無法檢驗是否達到系統最佳狀態。

2）粗放控制和管理。系統的理論設計值和實際運行值偏差大，沒有有效措施消除偏差。由于缺乏管網系統的運行數據，運維管理人員無法直觀了解和評估管網的運行狀態，只能從設備的運行狀態來側面評判管網內是否存在水力失調、管網堵塞、工作異常等問題。

3）缺乏運行數據支撐。由于沒有水系統的運行數據，無法進行問題診斷和分析，控制策略的優化無從談起。

1" " 輸配管網水力平衡及控制集成系統

某機場新建T3A航站樓總建筑面積530 000 m2，設計容量4 500萬人次。為了解決傳統平衡及控制方式存在的不足和問題，本文提出了一種全新的輸配管網水力平衡及控制集成系統，該系統通過在AHU、風機盤管環路安裝智慧閥門[2-3]并實現閥門聯網，實時采集輸配管網系統的運行參數，經平衡及控制集成系統優化分析后，結合變頻水泵，實現泵閥一體化自適應變頻調節，完成輸配系統的水力平衡優化和變頻節能控制，從而實現空調系統能源站、輸配管網、空調末端整體數據鏈的連貫性和可控性。

為了驗證輸配管網水力平衡及控制集成系統相比傳統方式的優越性，對該機場運行多年的T2航站樓某AHU空調末端進行了改造，并對改造前后的實測數據進行對比分析。

1.1" " 集成系統架構

集成系統架構如圖2所示。智慧閥門設置于AHU及風機盤管環路的回水管處，對末端進行流量平衡、壓差平衡、負荷調節和數據采集。智慧閥門自帶控制器，與BMS控制系統聯網，完成數據采集及控制指令傳輸。BMS控制系統通過總線與平衡及控制管控平臺構成完整的控制系統[4]。平衡及控制管控平臺的管網數據（流量、壓力、溫度等）通過OPC接口與樓控管理工作站、能量監控工作站實現數據共享。

1.2" " 集成系統功能

1.2.1" " 管網數據透明化

智慧閥門自帶傳感器對輸配管網各項狀態參數（流量、溫度、壓力）、閥門參數（調節閥位、平衡閥位）、閥門工作狀態進行實時監測；閥門上的智能控制器對數據進行運算和判斷，并將參數通過網絡總線上傳至平衡及控制集成系統，如圖3所示，管理人員能直觀地了解所有末端設備和輸配管網的水力實時運行狀態。

1.2.2" " 末端水力平衡及控制

由于空調末端盤管的換熱特性，當調節閥為等百分比調節特性時，可實現熱量輸出的最佳控制效果[5]。智慧閥門接收由上位平臺發來的各種控制指令，經過智慧閥內部預設系統的運算，最終輸出合適的控制命令，確保管網被控節點的運行參數能夠精準地保持在指令所要求的控制期望值，實現在系統動態水力平衡基礎上的最優室內溫度控制。

1.2.3" " 輸送能效比優化

航站樓空調輸配管網作用半徑大，輸送距離長，循環水泵的運行能耗高，通過聯網智慧閥門并結合能源站變頻水泵，可實現泵閥一體化控制，有效降低水泵的耗能，提高空調水系統的輸送能效比。

為優化輸送能效，采取如圖4所示泵閥一體化控制優化策略，系統實時統計各環路智慧閥門的開度，定義當前最大開度的環路為最不利環路，若該環路上的智慧閥門處于非全開狀態，則說明管網有降頻節能空間。水泵頻率降低過程中，最不利環路及各有利環路上的智慧閥門為了保證目標流量，會自適應地增大開度，直至最不利環路智慧閥門達到全開狀態，水泵降頻調節停止。

1.2.4" " 平衡及控制管控平臺

如圖5所示，平衡及控制管控平臺可實現航站樓輸配管網水力運行數據實時監測、平衡調度及控制、流量控制精度評估、泵閥一體化控制及能耗數據統計，確保空調輸配管網系統節能、高效運行。

2" " 不同平衡控制方式的對比

為了驗證輸配管網水力平衡及控制集成系統相比傳統方式的優越性，對該機場T2航站樓某AHU空調末端進行了改造，并對改造前后的實測數據進行對比分析。

改造前，AHU采用傳統平衡及控制方式，靜態平衡閥安裝于供水管，壓差控制器、電動調節閥安裝于回水管，利用專業平衡調試儀表測量環路流量值及監測點P1～P4的壓力值。

改造后，用智慧閥門替換原壓差控制器，同時將電動調節閥及其旁通閥全部打開，在測試過程中保持100%的開度，使原電動調節閥環路等效為一段管路，利用智慧閥門測量環路流量及P7、P8的壓力值，利用專業平衡調試儀表測量P5、P6的壓力值。

改造前后的原理圖如圖6所示。

2.1" " 動態平衡功能對比

通過人為調節供水管處手動閥的開度，產生系統壓差擾動，分別測量電動調節閥控制信號保持100%及60%開度不變條件下，擾動前后的環路流量值。測量數據如表1、表2所示。

由表1、表2可得出：改造前，當供水管手動閥門從40%開至100%，環路供水資用壓力增大33%，壓力擾動產生的環路流量偏差分別為20.4%和20.5%；改造后，同樣工況下，壓力擾動產生的環路流量偏差分別為0.2%和2.3%。

2.2" " 等百分比調節特性對比

保持供回水手動閥全開，通過給定電動調節閥和智慧閥門不同的開度信號值，記錄空調末端環路流量，擬合后的閥門調節特性曲線，如圖7所示。

由圖7可得出：改造前，控制信號從10%～100%變化過程中，流量變化的趨勢不是等百分比特性，調節閥的閥權度變小，流量控制精度差，進而導致溫度控制效果變差；改造后，流量變化的趨勢符合等百分比特性，流量、溫度控制精度高。

2.3" " 輸配能耗對比

智慧閥門的原理與傳統機械式平衡閥有所不同，是壓力無關型的，設有流量傳感器，可將實時測得的流量與設定流量作比較，結果反饋給電動執行器，快速響應調節閥門的開度。當管網壓力波動時，壓力無關型閥門可以在更短的時間內更精確地調節流量。在滿足末端流量分配的前提下，系統阻力越低，所需的水泵揚程越低，則系統的能耗越低。以管網所達到最大流量時所需要的最小資用壓頭作為對比依據，分別測量改造前、后最大流量下的末端輸配管網的最小資用壓頭（P2-P4）和（P6-P8）。

根據表3對比測試數據可得出：集成方案所需的最小資用壓頭小，利用水泵變頻等措施，單點輸配節能率達49.7%。

3" " 結論

為了解決機場航站樓高大空間交通建筑空調管網系統實際運行中存在的問題和不足，可應用空調輸配管網水力平衡及控制集成系統替代傳統管網平衡及控制設備，應用聯網型智慧閥門并結合平衡及控制集成系統，提供輸配管網運行數據的實時監測與集中控制功能，實現空調系統從能源站、輸配管網到空調末端設備整體數據鏈的完整性。針對某機場T2航站樓AHU的改造和實測數據對比分析，驗證了該集成系統的有效性和優越性。應用空調輸配管網水力平衡及控制集成系統，可提高管網系統的水力平衡度，進一步優化空調末端的控制效果，并有效降低管網系統的輸配能耗和調試維護難度。

[參考文獻]

[1] 王曉松.變流量系統全面水力平衡的核心：關鍵點定壓差技術[J].暖通空調，2007（7）：120-124.

[2] 方飛龍，楊笑梅，湯中彩，等.智慧閥門在石化企業循環冷卻水節能中的應用[J].工業儀表與自動化裝置，2014（3）：106-109.

[3] 沈新榮，郁輝球，石磊.智能流量平衡解決方案[J].智能建筑與城市信息，2007（8）：111-115.

[4] 魏立明.智能建筑系統集成與控制技術[M].北京：化學工業出版社，2011.

[5] 黃奕沄，張玲，陳光明.空調水系統末端水力平衡措施對電動調節閥工作特性的影響[J].暖通空調，2008（7）：58-62.

收稿日期：2024-05-28

作者簡介：王奕程（1986—），男，重慶人，工程師，研究方向：樓宇自控弱電工程。