機(jī)場(chǎng)制冷站制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究

刁磊，呂訪桐

（1.沈陽(yáng)聯(lián)勤保障中心；2.北京華源熱力管網(wǎng)有限公司）

1 工程概述

新航站區(qū)制冷站主要供應(yīng)航站樓、交通指揮中心、商業(yè)樓、行政信息樓等空調(diào)用冷水。制冷站設(shè)計(jì)遵循當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?、機(jī)場(chǎng)的負(fù)荷特點(diǎn)、運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)、管理特點(diǎn)，自然環(huán)境和條件，采取有效措施保證冷量供應(yīng)及時(shí)、穩(wěn)定。其突出特點(diǎn)為：先進(jìn)可靠、能源節(jié)約、管理高效。

1.1 制冷站規(guī)模

總供冷能力為125MW，釋冷/蓄冷能力為50.8萬(wàn)kW·h。

1.2 系統(tǒng)配置

制冷采用電制冷+水蓄冷方式。電制冷采用12臺(tái)電動(dòng)離心式冷水機(jī)組，裝機(jī)冷量為84.4MW。水蓄冷系統(tǒng)配置鋼制水罐4臺(tái)，設(shè)置于制冷站室外北側(cè)，單臺(tái)水罐水容積為13800m3，單臺(tái)蓄冷量為12.7萬(wàn)kW·h，總蓄冷規(guī)模達(dá)到50.8萬(wàn)kW·h。

1.3 系統(tǒng)劃分

制冷站劃分為兩個(gè)規(guī)模相同，各自獨(dú)立的制冷系統(tǒng)（系統(tǒng)A，系統(tǒng)B），系統(tǒng)A供應(yīng)航站樓用冷（含CIP），冷負(fù)荷為62500kW；系統(tǒng)B又分為B1和B2兩部分，其中系統(tǒng)B1供冷建筑包括：交通中心及其東、西側(cè)商業(yè)，運(yùn)營(yíng)管理區(qū)（Ⅰ區(qū)）、運(yùn)營(yíng)管理區(qū)（Ⅱ區(qū)），冷負(fù)荷合計(jì)35906kW；系統(tǒng)B2可供應(yīng)冷負(fù)荷26594kW，供冷建筑尚未規(guī)劃。

考慮到機(jī)場(chǎng)供冷的核心是航站樓，下文將針對(duì)系統(tǒng)A（航站樓供冷系統(tǒng)）進(jìn)行說(shuō)明。

2 機(jī)場(chǎng)冷站設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 制冷系統(tǒng)方案

工程制冷方式采用電制冷+水蓄冷，在方案階段，與常規(guī)電制冷系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方案對(duì)比，該比對(duì)已經(jīng)非常常見(jiàn)，不在文中贅述，僅出具結(jié)論如下：

①水蓄冷系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為1963萬(wàn)元，常規(guī)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為2638萬(wàn)元。因此，采用水蓄冷系統(tǒng)每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用675萬(wàn)元。

②采用水蓄冷系統(tǒng)時(shí)，最大功率消耗為0.9萬(wàn)kW，采用常規(guī)系統(tǒng)時(shí)，最大功率消耗為1.25萬(wàn)kW。因此，采用水蓄冷系統(tǒng)可降低配電安裝容量0.35萬(wàn)kW。由此可節(jié)省一部分投資。

③采用水蓄冷系統(tǒng)時(shí)，使用6臺(tái)2000Rt機(jī)組。采用常規(guī)系統(tǒng)時(shí)，使用9臺(tái)1900Rt機(jī)組，并搭配1臺(tái)700Rt機(jī)組作為低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)使用?？梢?jiàn)，采用水蓄冷系統(tǒng)機(jī)組安裝容量大大降低，同時(shí)冷卻塔安裝容量也大大降低，節(jié)省投資。

2.2 輸配系統(tǒng)方案

機(jī)場(chǎng)冷站相當(dāng)于區(qū)域供冷中心，其服務(wù)對(duì)象主要為航站樓，航站樓空調(diào)水系統(tǒng)具有系統(tǒng)規(guī)模龐大、分區(qū)較多且各空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)環(huán)路壓力損失相差較大等特點(diǎn)。根據(jù)上述特點(diǎn)并結(jié)合《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，航站樓空調(diào)水系統(tǒng)宜采用大溫差、小流量“三級(jí)泵”系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)如下：

①采用大溫差可有效降低冷凍水流量，當(dāng)空調(diào)冷凍水供、回水溫差為9.5℃時(shí)，比常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)（5℃溫差）流量減少接近50%，不僅降低在輸送設(shè)備及管材方面的投資，而且可有效降低輸送系統(tǒng)的輸送能效比（ER），達(dá)到輸送系統(tǒng)節(jié)能的要求。而冷站內(nèi)冷源采用水蓄冷系統(tǒng)，能夠制備5.0℃的低溫冷凍水。為實(shí)現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)的大溫差小流量運(yùn)行提供了必要的前提條件。

②在制冷站內(nèi)部設(shè)置“一級(jí)泵”定流量系統(tǒng)，完成冷凍水在制冷站內(nèi)部的循環(huán)。在“一級(jí)泵”附近設(shè)置平衡一、二級(jí)水系統(tǒng)水量的平衡管（盈虧管）。③按制冷站服務(wù)的建筑分別設(shè)置“二級(jí)泵”系統(tǒng)，變流量運(yùn)行。滿足不同建筑在使用時(shí)間、負(fù)荷變化特性、系統(tǒng)阻力等方面的特殊要求，同時(shí)完成從冷站到各棟建筑的循環(huán)?！岸?jí)泵”設(shè)置在冷站內(nèi)。④在航站樓內(nèi)按空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)（AE、AF、AC區(qū)）分別設(shè)置 “三級(jí)泵”系統(tǒng)?！叭?jí)泵”根據(jù)輸送管路最不利環(huán)路的壓差信號(hào)，變頻運(yùn)行，適應(yīng)各分區(qū)空調(diào)負(fù)荷特性和管路阻力的變化。

“三級(jí)泵“與“二級(jí)泵”的連接方式分為：直接串聯(lián)和設(shè)置板式換熱器的間接連接兩種方式。與間接連接方式比較，采用“三級(jí)泵”直接串聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：①“三級(jí)泵”直接串聯(lián)系統(tǒng)對(duì)于輸送距離較遠(yuǎn)、各單體建筑分散且規(guī)模差異較大的項(xiàng)目有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。也是目前國(guó)內(nèi)、外超大規(guī)模公共建筑常用的系統(tǒng)型式。②項(xiàng)目所在地區(qū)的氣候特點(diǎn)，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的除濕能力要求較高，而較低的冷凍水溫度具有較強(qiáng)的除濕能力。

依據(jù)“簡(jiǎn)化控制、安全運(yùn)行”的原則，“三級(jí)泵直接串聯(lián)系統(tǒng)”簡(jiǎn)化為“擴(kuò)大二級(jí)泵系統(tǒng)”：一次泵設(shè)置于制冷站，與冷凍機(jī)一一對(duì)應(yīng)，定流量運(yùn)行；二次泵設(shè)置于航站樓泵房?jī)?nèi)，二次泵承擔(dān)室外管網(wǎng)及航站樓末端阻力，采用變頻控制。

項(xiàng)目所在機(jī)場(chǎng)航站樓常年最大冷負(fù)荷為4000kW，占制冷最大負(fù)荷的6.6%，負(fù)荷率較低，若采用航站樓供冷管道輸送常年冷負(fù)荷，將導(dǎo)致水泵運(yùn)行效率低，管網(wǎng)輸送效率低，輸送時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。因此，常年冷負(fù)荷系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用專用水泵及獨(dú)立室外冷凍水輸送管路。

2.3 定壓方案

一般來(lái)講，閉式空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的定壓方式，在條件允許時(shí)，尤其是當(dāng)系統(tǒng)靜水壓力接近冷熱源設(shè)備所能承受的工作壓力時(shí)，宜采用高位膨脹水箱定壓，當(dāng)設(shè)置高位膨脹水箱有困難時(shí)，可設(shè)置補(bǔ)水泵和氣壓罐定壓[1]。本項(xiàng)目設(shè)置的蓄冷水罐除了具有蓄冷、釋冷的基本功能外，罐體上部設(shè)置通氣管，罐內(nèi)儲(chǔ)水與大氣聯(lián)通，具備了定壓能力，可考慮采用蓄水罐作為系統(tǒng)的膨脹水罐，定壓兼具系統(tǒng)補(bǔ)水。由于制冷站與航站樓水系統(tǒng)為多級(jí)水泵串聯(lián)式，定壓方案需滿足航站樓水系統(tǒng)定壓高度要求。

由于機(jī)場(chǎng)內(nèi)建筑物會(huì)對(duì)飛機(jī)起飛和著落造成嚴(yán)重的影響，輕則讓飛機(jī)減載，重則影響飛行安全，因此機(jī)場(chǎng)在建設(shè)初期，會(huì)設(shè)置一個(gè)虛擬的障礙物控制面，對(duì)附近建筑物進(jìn)行高度限制。根據(jù)民航中南局批復(fù)：對(duì)項(xiàng)目所在機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有跑道及規(guī)劃跑道兩側(cè)各6km、跑道端外各15km范圍內(nèi)所有建設(shè)項(xiàng)目必須進(jìn)行航空限高審核。上述規(guī)定直接限制了航站樓的建設(shè)高度，根據(jù)審核結(jié)果， 航站樓水系統(tǒng)定壓水位絕對(duì)標(biāo)高為29.9m。蓄水罐容積大，設(shè)計(jì)罐內(nèi)水體凈高25.1m，相當(dāng)于機(jī)場(chǎng)絕對(duì)標(biāo)高30.4m。對(duì)比結(jié)論：水罐水位絕對(duì)標(biāo)高30.4m＞系統(tǒng)定壓高度29.9m，定壓方案可行。

2.4 蓄冷水罐聯(lián)合運(yùn)行方案

航站樓水系統(tǒng)蓄冷及釋冷運(yùn)行中，室外兩臺(tái)蓄冷水罐同時(shí)工作，其蓄冷、釋冷的均衡性是工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)。工程設(shè)計(jì)階段需考慮下述措施，依靠自動(dòng)檢測(cè)及控制手段保障蓄/釋冷的正常運(yùn)行。

①蓄冷水罐連接管路采用同程式，兩個(gè)并聯(lián)環(huán)路管路長(zhǎng)度基本相等，阻力大致相同，流量分配較均衡，降低水力失衡風(fēng)險(xiǎn)。

②蓄冷水罐沿高度方向設(shè)置溫度傳感器，溫度信號(hào)反饋至冷站集中控制中心，集中監(jiān)測(cè)冷水罐溫度分布及斜溫層厚度，時(shí)時(shí)觀測(cè)蓄冷、釋冷運(yùn)行情況，作出運(yùn)行方案調(diào)整，以保障水罐蓄冷的同步性。

③蓄冷、釋冷管路上設(shè)置可靠電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，控制蓄冷及釋冷運(yùn)行速率。

3 結(jié)語(yǔ)

機(jī)場(chǎng)制冷站是能源動(dòng)力中心，也是能源消耗大戶，其制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案應(yīng)在對(duì)現(xiàn)有能源供應(yīng)條件調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較進(jìn)行充分論證，優(yōu)先可再生能源及廢熱廢氣利用。

制冷站設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“從大處著眼，從小處著手“的原則，注重細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，必要時(shí)進(jìn)行多方案比對(duì)。比如進(jìn)行冷凍水供回水溫度及溫差設(shè)定的方案比選，冷水機(jī)組連接方式的方案比選等等。在設(shè)備選用方面，盡量選擇高效型，并避免過(guò)濾器等水系統(tǒng)增阻元件的重復(fù)設(shè)置；注重與自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)合，采用自控手段及時(shí)切換運(yùn)行方式，保障系統(tǒng)安全低耗運(yùn)行。