浦東機場能源中心水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計與性能分析

史 杰，郭恒超，常 晟，董正峰，邵雙全，鄭竺凌

（1.上海國際機場股份有限公司，上海 200000；2.同方泰德智能科技（上海）有限公司，上海 200023；3.同方股份有限 公司，北京 100083；4.華中科技大學(xué)，武漢 430074；5.上海市建筑科學(xué)研究院，上海 200032）

0 引言

上海浦東國際機場年旅客吞吐量快速增長，已經(jīng)超過7 000 萬人次，其制冷空調(diào)系統(tǒng)能耗也快速增長，對上海地區(qū)的電網(wǎng)負荷供需平衡也造成了一定的沖擊。作為典型的大型公共建筑，機場的制冷空調(diào)系統(tǒng)能耗已經(jīng)成為關(guān)注的焦點［1-3］。當前主要集中在對其能耗構(gòu)成要素進行分析［4-6］和多項節(jié)能技術(shù)措施的推廣應(yīng)用［7-9］。

蓄冷系統(tǒng)利用電力需求低谷時段進行蓄冷并在電力需求高峰時段釋冷供應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)需求，可有效降低制冷空調(diào)系統(tǒng)的高峰用電負荷，起到“削峰填谷”的作用［10-15］。水的比熱大、相變潛熱大，在顯熱蓄冷和相變蓄冷中都是優(yōu)良的天然環(huán)保工質(zhì)，在機場、醫(yī)院等大型公共建筑的蓄冷系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［16-18］。并且可以采用靜態(tài)冰（如冰盤管、冰球等）、流態(tài)冰（如冰漿等）和水等多種蓄冷形式以適應(yīng)不同場景的需求［19-23］。

因此，本文基于上海浦東國際機場1 號能源中心制冷系統(tǒng)的負荷特性，對其蓄冷系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計和運行性能分析。

1 制冷系統(tǒng)

該制冷系統(tǒng)采用制冷機組、水泵和冷卻塔全并聯(lián)、互為備用的形式，簡化后的原理如圖1 所示。

圖1 1 號能源中心制冷系統(tǒng)示意

其中有制冷機組7 臺，總制冷量為71 726 kW（20 400RT），總功率為14 994 kW；冷凍水泵10 臺，總流量為14 142 m3/h，總功率為4 130 kW；冷卻水泵12 臺，總冷卻水流量為26 264 m3/h，總功率為3 070 kW；冷卻塔16 臺，總處理水量為 17 600 m3/h，總功率為720 kW。上述制冷機組主要滿足機場航站樓4 月至11 月的供冷負荷需求。為用戶側(cè)提供的冷凍水供回水溫度為5～12 ℃。根據(jù)運行記錄，其歷史最大瞬時負荷為冷凍水流量5 850 m3/h。

2 蓄冷方案分析與設(shè)計

2.1 可行性及必要性分析

該制冷系統(tǒng)運行時間見表1，當?shù)氐姆謺r電價政策見表2。制冷系統(tǒng)在夜間供冷需求較小，而夜間為電力低谷時段，電價較低。圖2 中給出了典型負荷日（2018 年8 月1 日）的制冷負荷與電價的對比情況，可以發(fā)現(xiàn)該制冷系統(tǒng)主要在電力高峰時段（高電價0.916 元/kW·h）進行供冷，而在電力低谷時段（低電價0.213 元/kW·h）幾乎不供冷。峰（時）谷（時）電價比達到了4.30，平（時）谷（時）電價比也達到了2.66。因此，該系統(tǒng)如果進行蓄冷改造，采用電力低谷時段制冷并進行蓄冷，而在電力高峰時段釋冷供空調(diào)用戶的制冷需求，不僅避免了對電網(wǎng)供需平衡的沖擊，電費也將會大幅度降低，具有較好的經(jīng)濟性。

表1 能源中心制冷系統(tǒng)設(shè)計運行時間

表2 分時電價 元/（kW·h）

圖2 供冷負荷與電價對比

2.2 蓄冷方案比較

在大型公共建筑中，由于蓄冷容量巨大，蓄冷介質(zhì)的使用量很大。因此，水是最為常用的介質(zhì)，容易獲得且成本低廉，并具有較高的蓄冷密度。當前利用水的常用蓄冷方式主要有靜態(tài)冰（如冰盤管、冰球等）、流態(tài)冰（如冰漿等）和水等幾種形式，各種形式的對比情況如表3 所示。

表3 各種蓄冷方式比較

從蓄冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，水蓄冷系統(tǒng)最為簡單，一般的制冷機組可以直接提供4～5 ℃的冷水用于直接供冷或者蓄冷；而靜態(tài)冰系統(tǒng)一般需要載冷劑（如乙二醇溶液）用于在制冰盤管外表面逐漸結(jié)冰并不斷變厚（以冰盤管為例）；而動態(tài)冰系統(tǒng)一般也需要使用載冷劑（如乙二醇溶液）在專門的制冰機內(nèi)讓過冷水生成冰漿，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜。

從能效上看，水蓄冷時，制冷機組的蒸發(fā)溫度最高，動態(tài)冰系統(tǒng)次之，而靜態(tài)冰系統(tǒng)最低（并且隨著冰層厚度增加而不斷降低），所以蓄冷能效上也是水蓄冷系統(tǒng)最高，靜態(tài)冰系統(tǒng)最低。

從蓄冷密度上看，水系統(tǒng)只是利用水的顯熱進行蓄冷，一般只有7～8 ℃的蓄冷溫差，蓄冷密度最低。冰盤管蓄冷中，由于蓄冰盤管自身就占用了較大的體積，并且為了保證系統(tǒng)的能效，不宜使盤管外冰層太厚，因此，蓄冷密度較水蓄冷系統(tǒng)有較大提高。而動態(tài)冰系統(tǒng)中，蓄冷罐內(nèi)全部為冰水混合物，含冰率可以達到50%左右，蓄冷密度最高。

從系統(tǒng)控制上看，水蓄冷系統(tǒng)的難點主要是保證水罐內(nèi)的水不發(fā)生摻混；冰盤管系統(tǒng)的難點在于釋冷過程冰的融化和釋冷速度的控制；而動態(tài)冰系統(tǒng)則是要保證冰漿在貯存和管道內(nèi)輸運過程中穩(wěn)定性及對相關(guān)設(shè)備的影響。

總體而言，水蓄冷和靜態(tài)冰蓄冷都出現(xiàn)的比較早，都有了很多的應(yīng)用案例，水蓄冷系統(tǒng)能效高但對空間要求比較高，靜態(tài)冰系統(tǒng)能效低但對空間要求也低；而動態(tài)冰系統(tǒng)近年來也取得了快速發(fā)展。

基于以上分析，由于浦東國際機場1 號能源中心外有較大的空間可以用來安放蓄冷罐，另外，各個換熱站對能源中心提供冷凍水的要求是5～12 ℃。因此，水蓄冷系統(tǒng)更為適宜，可以提高蓄冷的能效水平和經(jīng)濟性。

3 水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計與效果分析

3.1 水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計

圖3 給出了在原制冷系統(tǒng)（見圖1）上增加了水蓄冷部分，可運行于以下模式：

（1）蓄冷工況：V1，V5 關(guān)閉；V2，V3，V4 打開。蓄水罐里的高溫水，經(jīng)過V3，在冷凍水泵的驅(qū)動下，經(jīng)過制冷機組冷卻到蓄冷溫度后，再經(jīng)過V2和V4，存入蓄水罐。

（2）單獨釋冷供冷：V4 關(guān)閉，其余閥門打開。蓄水罐里的冷水在釋冷泵的驅(qū)動下經(jīng)過V5，V2，和V1 進入分水器，在換熱站向用戶供冷后，通過集水器和V3 回到蓄水罐。

（3）冷機單獨供冷：V2，V3 關(guān)閉，V1 打開。制冷系統(tǒng)正常運行。

（4）冷機與釋冷同時供冷：V4 關(guān)閉，其余閥門打開。冷機開啟，冷凍水泵將經(jīng)過冷機的冷凍水與釋冷泵從蓄水罐取的冷水混合后向用戶供冷，再分別流回蓄水罐和冷機。

（5）邊蓄邊供：V5 關(guān)閉，其余閥門打開。冷機開啟，在冷凍水泵的驅(qū)動下，冷機制取的冷水一路經(jīng)過V1 和分水器向換熱站供冷，一路經(jīng)過V2和V4 向蓄水罐蓄冷，兩路高溫水匯合后再回到 冷機。

以上5 種運行模式能夠保證末端用戶的負荷變化需求，并可優(yōu)化控制使得系統(tǒng)高效運行。

圖3 水蓄冷系統(tǒng)

3.2 蓄冷量設(shè)計

為了保證水蓄冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性，蓄冷用于滿足電力高峰時段的負荷需求，并適當兼顧電力平時段的負荷。表4 給出了2018 年和2019 年各制冷月的典型日負荷情況。

表4 各月代表日負荷分布情況 萬kW·h

其中2019 年8 月9 日是有記錄以來的最大負荷日，全天負荷為71.76 萬kW·h，其中高峰負荷和平時負荷分別為25.52 萬kW·h 時和24.75萬kW·h。為滿足高峰時段的蓄冷負荷（約25.67 萬kW·h），并且末端用戶預(yù)期有30%左右的增長，因此選用35.17 萬kW·h 的蓄冷量，需要約 4.5 萬m3的有效蓄水量。

3.3 典型日運行分析

針對表4 中給出的典型工作日的負荷情況，分別選取最大負荷日、部分負荷日和小負荷日，對水蓄冷系統(tǒng)的運行情況進行分析。

（1）制冷機組運行性能

冷水機組在蓄冷工況（冷凍水出水溫度4 ℃）和直接供冷工況制冷工況（冷凍水出水5 ℃）下COP 隨冷卻水溫度和負荷率的變化如圖4 所示。

圖4 制冷機組運行性能

（2）最大負荷日分析

在最大負荷日（2019 年8 月9 日）電力高峰時段總冷負荷為25.52 萬kW·h，系統(tǒng)的最大蓄冷量為35.17 萬kW·h，采用蓄冷量優(yōu)先滿足電力高峰時段負荷，其次滿足外溫高時（主要是午后）電力平時段的負荷，其他電力平時段的負荷用制冷機組直接供冷，而電力低谷時段，制冷機組一方面直接滿足相應(yīng)的冷負荷，并同時進行蓄冷。最大負荷日逐時運行情況如圖5 所示。從圖可以看出，由于夜間供冷的同時進行蓄冷，冷量和能耗都比較大，但是由于峰谷電價，因此運行費用比原系統(tǒng)有較大幅度的降低。當日原系統(tǒng)耗電量為 19.02 萬kW·h，電費為11.13 萬元；而水蓄冷系統(tǒng)耗電量為17.86 萬kW·h，電費為6.64 萬元，分別降低了6.1%和40.4%。耗電量降低主要是由于在夜間進行蓄冷時，室外溫度較白天降低，制冷機組效率提升所引起，而電費的降低主要得益于夜間低谷電價遠低于白天高峰電價。

圖5 最大負荷日（2019 年8 月9 日）運行分析

（3）部分負荷日分析

在部分負荷日（如2018 年8 月1 日）的逐時運行情況如圖6 所示。該日電力高峰時段總冷負荷為18.00 kW·h，電力平時段的總冷負荷為18.69 萬kW·h，全天負荷為42.01 萬kW·h。電力高峰時段與平時段的總冷負荷大于總需冷量，因此釋冷供冷仍優(yōu)先滿足電力高峰時段負荷，再盡量滿足外溫高時（主要是午后）電力平時段的負荷；而電力低谷時段的負荷采用制冷機組直接供冷，減少蓄冷釋冷過程的能量損失。

圖6 部分負荷日（2018 年8 月1 日）運行分析

從圖6 中可以看出，與最大負荷日類似，該日全天的大部分冷負荷都由水蓄冷提供，白天的電力消耗基本都轉(zhuǎn)移到了夜間電力低谷時段，因此電費較原系統(tǒng)明顯降低。該日原系統(tǒng)耗電量為11.13 萬kW·h，電費為7.48 萬元；而水蓄冷系統(tǒng)耗電量為10.08 萬kW·h，電費為3.71 萬元，分別降低了9.4%和50.4%。

（4）最小負荷日分析

在小負荷日（如2019 年7 月1 日）的逐時運行情況如圖7 所示。該日電力高峰時段總冷負荷為15.17 kW·h，電力平時段的總冷負荷為13.52 萬kW·h，全 天 負 荷 為31.41 萬kW·h。電力高峰時段與平時段的總冷負荷小于總蓄冷量，因此根據(jù)高峰時段和平時段的總冷負荷 （28.69 萬kW·h）確定蓄冷量以滿足電力高峰時段和平時段的總負荷，而電力低谷時段的負荷采用制冷機組直接供冷，減少蓄冷釋冷過程的能量損失。

從圖7 中可以看出，與前面的分析類似，全天的大部分冷負荷都由水蓄冷提供，白天的電力消耗基本都轉(zhuǎn)移到了夜間電力低谷時段，因此電費較原系統(tǒng)明顯降低。該日原系統(tǒng)耗電量為 8.16 萬kW·h，電費為5.68 萬元；而水蓄冷系統(tǒng)耗電量為7.24 萬kW·h，電費為2.52 萬元，分別降低了11.3%和55.5%。

圖7 小負荷日（2019 年7 月1 日）運行分析

3.4 全年運行經(jīng)濟性分析

根據(jù)該能源中心的全年供冷需求，對原系統(tǒng)和水蓄冷系統(tǒng)的全年運行情況進行了分析，如圖8 所示。

圖8 全年經(jīng)濟性分析

原系統(tǒng)全年制冷耗電為1 039.8 萬元，而改造后的水蓄冷系統(tǒng)供冷耗電僅為本文506.4 萬元，電費降低了533.4 萬元（合51.3%）。以上分析都說明通過水蓄冷系統(tǒng)的改造，可以達到較好的“削峰填谷”的效果，將白天電力高峰時段及平時段的負荷轉(zhuǎn)移到夜間電力低谷時段，一是夜間溫度較白天低，制冷機組運行效率有所提高，二是夜間的低谷電價可實現(xiàn)運行費用的大幅度降低。

4 結(jié)論

（1）由于該能源中心具有足夠的空間，而且用戶端所需供冷溫度與水蓄冷供冷溫度較為匹配，因此采用水蓄冷以獲得更高的制冷機組運行效率。

（2）蓄冷系統(tǒng)可有助于實現(xiàn)白天電力高峰時段及平時段的冷負荷向夜間低谷時段轉(zhuǎn)移，夜間溫度低于白天也有助于提升制冷系統(tǒng)運行效率。

（3）從最大負荷日、部分負荷日和小負荷日的逐時運行情況來看，水蓄冷系統(tǒng)有較好的保證各個時段的用冷需求，并具有良好的節(jié)能效果。全年供冷電費從1 039.8 萬元可降為506.4 萬元，降低了51.3%。