浦東機(jī)場航站樓暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行

董寶春

(上海國際機(jī)場股份有限公司,上海 201202)

浦東國際機(jī)場位于上海浦東長江入?？诘臑I海地帶,是我國目前最大的國際機(jī)場之一。機(jī)場的空調(diào)采用區(qū)域供冷供熱(DHC)的形式,這樣大規(guī)模的暖通空調(diào)系統(tǒng)在我國民用公共建筑中是罕見的。機(jī)場的能耗量巨大,兩個(gè)航站樓年耗電量上億kWh,其中暖通空調(diào)能耗約占航站樓總能耗的58%,因此合理用能,在滿足旅客舒適性要求的前提下做好空調(diào)節(jié)能工作就顯得非常重要。1號航站樓從1999年建成以來已經(jīng)運(yùn)行10年,本文將結(jié)合上海浦東機(jī)場多年來的實(shí)踐,介紹航站樓空調(diào)運(yùn)行的一些節(jié)能做法和體會。

1 航站樓暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行概況

機(jī)場擁有3條跑道、兩個(gè)航站樓、240萬m2的停機(jī)坪、224個(gè)停機(jī)位、70座登機(jī)橋,可保障年旅客吞吐量6000萬人次。機(jī)場的建筑包括T1和T2兩個(gè)航站樓,一個(gè)綜合區(qū)。其中T1航站樓由主樓和候機(jī)長廊兩大部分組成,均為三層結(jié)構(gòu),由兩條通道連接,面積達(dá)28萬m2,包括到港行李輸送帶13條,登機(jī)橋28座。

T1航站樓的候機(jī)樓內(nèi)的商業(yè)餐飲設(shè)施和其他出租服務(wù)設(shè)施面積達(dá)6萬m2。T1航站樓的0m處的底層為到達(dá)大廳,下層(6 m)為旅客到達(dá)區(qū),上層(12m)為旅客出發(fā);長廊的北側(cè)1—33軸為國內(nèi)航班區(qū),南側(cè)33—77為國際航班區(qū)。T2航站樓采用多層式結(jié)構(gòu),由主樓(辦票)、連接廊(聯(lián)檢)、長廊(候機(jī)和登機(jī))三部分組成,總建筑面積為48萬m2。

浦東機(jī)場的空調(diào)系統(tǒng)采用區(qū)域供冷供熱的形式,分別設(shè)立了T1和 T2兩個(gè)能源中心。T1能源中心負(fù)責(zé)1號航站樓和綜合區(qū)的供能,供冷供熱半徑為2.6 km。其中1號航站樓的冷負(fù)荷為50 MW,熱負(fù)荷為40 MW;綜合區(qū)的總面積為31萬m2,冷負(fù)荷為32.8 MW,熱負(fù)荷為20.8MW。T1能源中心采用以電制冷為主體、部分汽、電、熱泵聯(lián)供的方式,還配置了4臺14MW,2臺4.2MW的離心式水冷冷水機(jī)組和4臺蒸汽雙效吸收式冷水機(jī)組,1臺 4 MW 的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī),3臺30 t/h和1臺20 t/h的火管蒸汽鍋爐,1臺11 t/h余熱鍋爐。2號航站樓的冷負(fù)荷為87.17 MW,熱負(fù)荷為58.94 MW。

T2能源中心空調(diào)系統(tǒng)采用冷水機(jī)組與水蓄冷結(jié)合的供冷方式,配置了10臺6.7 MW的離心式冷水機(jī)組,兩座直徑為26m,高為22m,容積為11600m3的蓄冷罐,蓄冷能力為196MW。

兩個(gè)航站樓總共配置了19個(gè)熱力交換站,67臺供冷板式熱交換器,51臺供熱板式熱交換器; 96臺供冷水泵,78臺供熱水泵。冷、熱量分別從兩個(gè)能源中心送至各自航站樓的熱力交換站,然后分配到末端空調(diào)機(jī)組;分布于兩個(gè)航站樓各個(gè)區(qū)域共有942臺大型空調(diào)機(jī)組,風(fēng)量從10000～50000m3/h。

2 根據(jù)航站樓冷熱負(fù)荷需求采用變水溫輸送冷熱量

冷凍水的溫度直接影響到空調(diào)系統(tǒng)的供冷品質(zhì),降低水溫有利于空調(diào)箱中表冷器的換熱,但是冷水機(jī)組出水溫度過低將導(dǎo)致機(jī)組效率降低,能耗指標(biāo)增加,因此在選擇合理冷凍水溫時(shí)不但要考慮冷水機(jī)組的性能,而且要兼顧空調(diào)末端設(shè)備的換熱性能。采取變水溫供冷的方案可以有效提高表冷器和冷水機(jī)組的工作效率、降低機(jī)組能耗。過渡季節(jié)(室外溫度最高26～28℃)1號航站樓變水溫供冷的冷水機(jī)組冷凍水溫度與冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)(COP)的關(guān)系,見圖1。

圖2是候機(jī)樓在過渡季節(jié)某天需要的逐時(shí)供冷量。

圖2 機(jī)樓過渡季節(jié)逐時(shí)需要供冷量

結(jié)合圖1和圖2兩種情況,就可以制定一天的供水溫度如圖3。根據(jù)浦東機(jī)場航站樓建筑物實(shí)際所需冷負(fù)荷確定冷水機(jī)組送水溫度,既可以滿足空調(diào)的使用要求,又可以提高冷水機(jī)組的使用效率,從而有效降低空調(diào)的能耗。

3 根據(jù)實(shí)際使用情況調(diào)控空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行

機(jī)場候機(jī)樓的特點(diǎn)是候機(jī)人員密度與航班有關(guān),而且候機(jī)樓空間較大,由于建筑物內(nèi)的冷熱負(fù)荷與人員密度有關(guān),因此候機(jī)樓各處的負(fù)荷要求不同,一年中的負(fù)荷需求量也不同。根據(jù)航班以及各處的負(fù)荷要求合理控制空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行,可以在滿足候機(jī)樓舒適度的前提下,最大限度地減少空調(diào)的能耗。

圖3 候機(jī)樓過渡季節(jié)逐時(shí)送水溫度

3.1 末端空調(diào)設(shè)備的開啟與航班聯(lián)動(dòng)

為了在滿足候機(jī)樓舒適度的前提下最大限度地節(jié)省空調(diào)能耗,可以根據(jù)航班的具體情況合理控制空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)運(yùn)行方式與航班的聯(lián)動(dòng)。候機(jī)樓各區(qū)域各時(shí)段的人員密度相差較大,當(dāng)某個(gè)區(qū)域某個(gè)時(shí)段因?yàn)楹桨嗟年P(guān)系旅客比較集中時(shí),夏季空調(diào)的設(shè)定溫度可以比其他人少的區(qū)域適當(dāng)?shù)托?冬季采暖的設(shè)定溫度比其他區(qū)域適當(dāng)高些。例如,在國際航班相對較多、國內(nèi)航班相對較少的時(shí)段,長廊南側(cè)的國際段空調(diào)機(jī)組的設(shè)定溫度,一般設(shè)為26℃;北側(cè)的國內(nèi)段空調(diào)設(shè)定溫度為28℃;同樣,當(dāng)出發(fā)航班較多、到達(dá)航班較少時(shí),上層的旅客出發(fā)區(qū)設(shè)定溫度就可以設(shè)為26℃,下層的旅客到達(dá)區(qū)設(shè)為28℃;當(dāng)某個(gè)區(qū)域沒有航班因而沒有旅客停留時(shí),還可以將該區(qū)域的空調(diào)機(jī)組完全關(guān)閉。

3.2 分層分系統(tǒng)開啟空調(diào)設(shè)備

機(jī)場候機(jī)室的空間高,室內(nèi)溫度上高下低梯度分布的特征非常明顯,根據(jù)測定,當(dāng)空調(diào)全部開啟時(shí),冬季上層的出發(fā)大廳人員活動(dòng)區(qū)的溫度要比底層的到達(dá)大廳高3～5℃,夏季要比到達(dá)大廳出發(fā)大廳高2℃左右。根據(jù)這個(gè)溫度梯度分布,采用分層和分系統(tǒng)調(diào)整空調(diào)采暖的運(yùn)行合理分配負(fù)荷,也可以達(dá)到很好的節(jié)能效果。例如,夏季供冷的順序依次為內(nèi)區(qū)貴賓室、上層、底層,并且采用分系統(tǒng)開啟;當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)先開啟二次水泵,利用二次管網(wǎng)內(nèi)冷水的蓄冷能力提供冷量;當(dāng)負(fù)荷增加不能滿足冷量要求后再開啟一次水泵,利用一次管網(wǎng)的蓄冷能力進(jìn)一步滿足負(fù)荷,最后才開啟冷水機(jī)組;冬季供熱的次序則相反,次序依次為底層、上層、內(nèi)區(qū)貴賓室。這樣既可以緩解候機(jī)樓內(nèi)溫度分層現(xiàn)象提高舒適度,又可以有效地利用冷(熱)量,節(jié)省用能。特別是過渡季節(jié),候機(jī)樓負(fù)荷很小,分層、分系統(tǒng)開啟空調(diào)節(jié)能效果很明顯。

3.3 采用高速球形噴口改善空調(diào)效果

按照標(biāo)準(zhǔn),冬季當(dāng)室外溫度為0℃時(shí),室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域的設(shè)定溫度應(yīng)該為18℃,但是1號航站樓主樓到達(dá)大廳長期以來一直不能達(dá)標(biāo),即使機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行(水閥全開)也僅能升到12.7℃,特別是空間的垂直溫度差很大,高達(dá)10℃(見圖4),主樓到達(dá)區(qū)域也因無法達(dá)到溫度設(shè)定值,經(jīng)常遭到旅客和工作人員的投訴。

圖4 T1航站樓主樓0m到達(dá)大廳不同區(qū)域溫度梯度

通過在現(xiàn)場每個(gè)門的豎直方向放兩組熱電偶進(jìn)行測溫和比對論證,發(fā)現(xiàn)問題的主要原因是樓層太高(高達(dá)9.5 m),風(fēng)口出風(fēng)風(fēng)速太低,氣流組織為上送上回方式,造成“氣流短路”對大空間供熱很不利。在反復(fù)試驗(yàn)后,決定采用一種投資少、見效快的改進(jìn)方式,即采用高速球形噴口替代四向出風(fēng)口的方案。方案實(shí)施后,送風(fēng)速度由3m/s提高到10 m/s,空調(diào)效果得到明顯改善。圖5為采用fluent軟件模擬計(jì)算結(jié)果(K=℃+ 273.15)。

可以看到改進(jìn)以后大廳的送風(fēng)速度由3m/s提高到5m/s,室內(nèi)溫度可以上升4℃左右;當(dāng)室外為 0℃時(shí),室內(nèi)2 m高區(qū)域溫度從原來的12.7℃提高到18.0℃,這不僅改善了該區(qū)冬季空調(diào)效果,而且空調(diào)溫度也可以達(dá)到設(shè)定值,從而減少熱水的使用量和機(jī)組的能耗。

4 利用自然通風(fēng)消除大空間內(nèi)區(qū)房間熱量

由于設(shè)計(jì)上的不足,機(jī)場候機(jī)樓在過渡季和冬季的新風(fēng)量不足,導(dǎo)致過度悶熱,特別是冬季候機(jī)樓個(gè)別地方需要冷空調(diào)的地方,按原設(shè)計(jì)必須由冷凍機(jī)組提供冷負(fù)荷,消耗了不少電能。在過渡季節(jié)采用自然通風(fēng)的方式用以提供新風(fēng),利用冬天環(huán)境冷空氣冷卻空調(diào)水,來滿足個(gè)別地方的制冷需要,也可以節(jié)約用能。

圖5 到達(dá)大廳送風(fēng)風(fēng)速變化前后的溫度/K

4.1 直接引入室外新風(fēng)

大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),往往對房間內(nèi)熱源散熱量估計(jì)不足,造成內(nèi)區(qū)房間在過渡季和冬季出現(xiàn)過度悶熱的現(xiàn)象。例如,原來方案設(shè)計(jì)為,辦公室人員密度一般按0.2～0.4人/m2估算,每個(gè)辦公室電氣設(shè)備按1～3臺估算。但是,在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),某些辦公區(qū)的人員和電氣設(shè)備數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)范圍。例如機(jī)場候機(jī)樓內(nèi)JAL航空公司辦公室,20 m2內(nèi)辦公人員有12人,使用12臺電腦、2臺打印機(jī)、2臺復(fù)印機(jī),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)的預(yù)算。

另外,大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),往往只考慮到夏季冷負(fù)荷和冬季熱負(fù)荷,但是在實(shí)際運(yùn)行中,如浦東機(jī)場內(nèi)區(qū)的辦公室和貴賓休息室,冬季也需要冷負(fù)荷,如果開啟能源中心的制冷機(jī)組供冷,就會出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。事實(shí)上T1能源中心最小制冷機(jī)制冷能力約為500 kW,制冷運(yùn)行還需運(yùn)行1臺160 kW水泵和5臺布置在候機(jī)樓的37 kW水泵。為了小區(qū)域的供冷需求,相當(dāng)于增開了1臺845 kW的設(shè)備,每運(yùn)行1 h僅電費(fèi)支出就要花費(fèi)650元左右。

實(shí)際上,在冬季和過渡季節(jié)室外氣溫已經(jīng)較低,只要在設(shè)計(jì)時(shí)安排足夠的機(jī)械通風(fēng)設(shè)備,就可以利用室外的涼爽空氣直接消除室內(nèi)人員和電氣設(shè)備的散熱量,有效地降低空調(diào)的運(yùn)行能耗,還可以改善空氣品質(zhì)。

為此,對浦東機(jī)場 T1航站樓內(nèi)區(qū)貴賓室和JAL辦公室進(jìn)行了系統(tǒng)改造,增加了機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng),實(shí)踐結(jié)果表明,節(jié)能效果很好,每年節(jié)電量將近500萬kWh。

4.2 利用冷空氣冷卻空調(diào)水解決內(nèi)區(qū)冬季供冷

根據(jù)原空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,2號航站樓長廊內(nèi)部的房間冬季仍需供冷;供冷時(shí)需開啟1臺冷水機(jī)組和2臺一次冷水泵(單臺冷水機(jī)組功率為1359 kW,單臺一次冷水泵為75 kW),每周開啟約7 h,每天還需增開30 kW的二次冷水泵12 h,每天共耗電近1869 kWh。

為此,對浦東機(jī)場2號航站樓長廊冬季內(nèi)區(qū)供冷實(shí)施了節(jié)能改進(jìn),采用室外冷空氣冷卻空調(diào)水(水節(jié)能器)的方法,利用雙風(fēng)機(jī)機(jī)組全新風(fēng)模式(相當(dāng)于新風(fēng)空調(diào)箱)冷卻冷水后送至辦公室的風(fēng)機(jī)盤管。經(jīng)過改造后可以在不開啟冷水機(jī)組的情況下,滿足T2候機(jī)樓內(nèi)區(qū)供冷的要求,每少開一天冷水機(jī)組,就可減少用電量1869 kWh,節(jié)能效果相當(dāng)可觀。

5 結(jié)語

浦東機(jī)場1號和2號航站樓的暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行,不僅需要合理的設(shè)計(jì)和施工,更需要進(jìn)行合理的運(yùn)行管理和設(shè)備維護(hù)。運(yùn)行管理的節(jié)能理念應(yīng)當(dāng)貫穿于整個(gè)過程,包括在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行全面的統(tǒng)籌、施工階段進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)理、施工完成后對系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)試。沒有經(jīng)過合理的設(shè)計(jì),系統(tǒng)就會出現(xiàn)先天不足;沒有合格的運(yùn)行管理,暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成再好也無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)或者很快失去設(shè)計(jì)功能。

浦東機(jī)場作為國內(nèi)較大的單體公共建筑之一,在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理上都有許多創(chuàng)新,包括機(jī)場日常運(yùn)行的節(jié)能工作也取得很多創(chuàng)新成果,可以總結(jié)如下經(jīng)驗(yàn)。

1)龐大的單體公共建筑節(jié)能潛力較大,按需供能是節(jié)能降耗最直接的措施。

2)氣流組織對層高較高建筑的溫度空間分布影響很大,合理的氣流組織可以提高空調(diào)效果、減少空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

3)過渡季節(jié)的通風(fēng)、冬季室內(nèi)的供冷,應(yīng)當(dāng)在建筑物空調(diào)方案的設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)加以關(guān)注,過渡季節(jié)充分利用室外新風(fēng)、冬季充分利用室外冷空氣對冷水機(jī)組進(jìn)行自然冷卻,可以減少能耗浪費(fèi)并且提高空氣質(zhì)量。