溫嘉權(quán) 何 花 李哲青 葉 翠 鄧杰文
(1.廣州白云國際機(jī)場股份有限公司,廣州;2.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州;3.廣東省機(jī)場管理集團(tuán)公司工程建設(shè)指揮部,廣州;4.清華大學(xué),北京)
機(jī)場航站樓建筑體量大、功能復(fù)雜,在滿足相應(yīng)功能需求、營造舒適室內(nèi)環(huán)境的同時(shí),也消耗著大量的能源。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國機(jī)場航站樓平均電耗約為177 kW·h/m2,其中空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比達(dá)到40%~70%[1]。作為空調(diào)系統(tǒng)的核心設(shè)備,冷水機(jī)組運(yùn)行能耗又占到空調(diào)系統(tǒng)總能耗的40%左右[2]。因而冷水機(jī)組的合理設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵[3]。但在實(shí)際運(yùn)行過程中,由于設(shè)計(jì)余量過大[4]、系統(tǒng)選型不合理[5]等問題,造成初投資增加,同時(shí)也影響冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行性能,導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行能耗增加[6]。
為提升冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行性能,相關(guān)學(xué)者對冷水機(jī)組群選型要點(diǎn)[7]、設(shè)計(jì)方法[8-10]及運(yùn)行控制策略[11]開展了一系列的理論研究與工程實(shí)踐。但相關(guān)方法一方面局限于典型日的設(shè)計(jì)分析;另一方面缺少從系統(tǒng)層面入手,結(jié)合項(xiàng)目全年逐時(shí)供冷需求、冷水機(jī)組自身變工況運(yùn)行特性開展整體性分析。因此,本文以我國夏熱冬暖地區(qū)一樞紐機(jī)場航站樓為例,基于其全年逐時(shí)供冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果,構(gòu)建冷水機(jī)組變工況運(yùn)行性能分析模型,開展冷水機(jī)組設(shè)計(jì)選型方法研究,通過不同配置冷水機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益分析,確定最佳組合,在保障航站樓各功能區(qū)熱舒適環(huán)境的基礎(chǔ)上,為空調(diào)冷水機(jī)組未來高效運(yùn)行提供基礎(chǔ)條件。
項(xiàng)目位于我國夏熱冬暖地區(qū),航站樓及交通中心(以下統(tǒng)稱航站樓)總建筑面積65.4萬m2,其中近期建設(shè)面積62.2萬m2,遠(yuǎn)期建設(shè)面積3.2萬m2,設(shè)計(jì)年旅客吞吐量4 000萬人。圖1為該項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)方案效果示意圖。
圖1 航站樓及其配套設(shè)施鳥瞰效果圖
項(xiàng)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(qiáng),而機(jī)場航站樓外圍護(hù)結(jié)構(gòu)以玻璃幕墻為主,玻璃結(jié)構(gòu)多、體形系數(shù)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(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與高效運(yùn)行提出了較高要求。為了實(shí)現(xiàn)航站樓空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與高效運(yùn)行,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用DeST模擬軟件[12],開展了全年8 760 h逐時(shí)供冷負(fù)荷模擬研究。
圖2給出了該項(xiàng)目(近期建設(shè)面積62.2萬m2)集中供冷系統(tǒng)全年逐時(shí)冷負(fù)荷,尖峰供冷負(fù)荷為 69 194 kW(19 674 rt),折合單位建筑面積尖峰負(fù)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(xiàng)目近期工程集中供冷系統(tǒng)全年逐時(shí)冷負(fù)荷
對全年逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖3所示??梢钥吹饺旯├湄?fù)荷大于5萬kW的時(shí)間僅為395 h,大于4萬kW的時(shí)間僅為1 274 h,占全年供冷時(shí)長的比例僅為14.5%。而全年預(yù)計(jì)有55%的時(shí)間運(yùn)行在2萬kW供冷負(fù)荷以下(負(fù)荷率低于30%),因此為了保障冷水機(jī)組高效運(yùn)行,需從冷水機(jī)組容量搭配、高效運(yùn)行調(diào)控等方面充分考慮,以提升全年平均運(yùn)行負(fù)荷率。
圖3 全年逐時(shí)冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分析
制冷性能系數(shù)(η)是評價(jià)冷水機(jī)組運(yùn)行性能的重要指標(biāo),其定義如式(1)所示,該數(shù)值越大越好。而冷水機(jī)組運(yùn)行η由其運(yùn)行工況和對應(yīng)工況下冷水機(jī)組自身性能共同決定,因而可以進(jìn)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(huán)(逆卡諾循環(huán))的制冷性能系數(shù),而ηd則代表冷水機(jī)組在對應(yīng)工況下內(nèi)部工作效率[13]。ηth的定義如式(2)所示,該值對應(yīng)冷水機(jī)組制冷循環(huán)能效上限,僅與蒸發(fā)溫度、冷凝溫度有關(guān)。如式(3)所示,ηd為η與ηth的比值,該值反映冷水機(jī)組內(nèi)部因素影響導(dǎo)致的機(jī)組實(shí)際循環(huán)與理想循環(huán)的接近程度。
(1)
(2)
(3)
式(1)~(3)中Qe為冷水機(jī)組制冷量,kW;Wch為冷水機(jī)組(壓縮機(jī))耗電量,kW;Te和Tc分別為蒸發(fā)和冷凝熱力學(xué)溫度,K。
而冷水機(jī)組ηd受運(yùn)行負(fù)荷率和壓縮比的影響,如式(4)所示,其中采用冷凝、蒸發(fā)溫度之差(Tce)近似表征壓縮比,采用實(shí)際制冷量與額定制冷量比值表征運(yùn)行負(fù)荷率(Rl),A~F為根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合所得的系數(shù)。
(4)
其中運(yùn)行負(fù)荷率可由逐時(shí)供冷量與當(dāng)前開機(jī)組合下冷水機(jī)組額定制冷量確定。因而確定不同工況下冷水機(jī)組運(yùn)行η的關(guān)鍵在于確定蒸發(fā)溫度與冷凝溫度。實(shí)際運(yùn)行過程中冷水側(cè)、冷卻水側(cè)循環(huán)流量及水溫為已知參數(shù),即可通過構(gòu)建蒸發(fā)器、冷凝器換熱過程求解蒸發(fā)溫度與冷凝溫度。
在蒸發(fā)器一側(cè),冷水流量、冷水溫度和制冷需求是影響其蒸發(fā)溫度的關(guān)鍵因素。因此,可以利用式(5)~(9)計(jì)算蒸發(fā)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(fā)器等效傳熱系數(shù),kJ/℃;Δte為蒸發(fā)器對數(shù)平均溫差,℃;te為蒸發(fā)溫度,℃;a1~a6為系數(shù)。
同樣,對于冷凝器,冷卻水流量、冷卻水溫度和冷凝側(cè)散熱需求則是影響其冷凝溫度的關(guān)鍵因素。因此可以利用式(10)~(14)計(jì)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(shù),kJ/℃;Δtc為冷凝器對數(shù)平均溫差,℃;tc為冷凝溫度,℃;b1~b6為系數(shù)。
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(jìn)一步明確的關(guān)鍵參數(shù)。其中對于冷水供水溫度采用7 ℃設(shè)定值,但在實(shí)際運(yùn)行過程中,可根據(jù)供冷需求適當(dāng)提高供水溫度,以提升冷水機(jī)組運(yùn)行性能。而冷卻水回水溫度則需要根據(jù)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(wǎng)站獲取當(dāng)?shù)刂饡r(shí)濕球溫度數(shù)據(jù);Δtcw為冷卻水循環(huán)溫差,℃,本文設(shè)定為5 ℃;βct為冷卻塔換熱效率,本文設(shè)定為75%。
為避免冷卻水溫度過低導(dǎo)致冷水機(jī)組低溫報(bào)警,該項(xiàng)目設(shè)置冷卻水供水溫度下限為20 ℃,即回水溫度下限為25 ℃。
如前文所述,該項(xiàng)目近期工程集中供冷尖峰負(fù)荷為69 194 kW,經(jīng)過與設(shè)計(jì)院多次溝通,充分考慮航站樓遠(yuǎn)期建設(shè)需求,加之實(shí)際施工建設(shè)、運(yùn)行管理過程中存在的一系列問題(冷水機(jī)組實(shí)際制冷能力較差、長期運(yùn)行性能衰減等),將冷水機(jī)組裝機(jī)容量確定為不大于80 891 kW。項(xiàng)目共設(shè)置2個(gè)相同容量的制冷站,單個(gè)制冷站裝機(jī)容量不大于40 446 kW。根據(jù)全年逐時(shí)供冷需求分布,該項(xiàng)目單個(gè)制冷站共設(shè)置6種冷水機(jī)組選型方案進(jìn)行綜合對比,方案設(shè)置如表1所示。
表1 單個(gè)制冷站冷水機(jī)組選型方案設(shè)置
冷水機(jī)組設(shè)計(jì)冷水進(jìn)/出水溫度為15 ℃/7 ℃,冷卻水進(jìn)/出水溫度為30.6 ℃/35.6 ℃。根據(jù)項(xiàng)目產(chǎn)品庫不同容量及類型冷水機(jī)組變工況運(yùn)行性能樣本,建立冷水機(jī)組變工況運(yùn)行性能預(yù)測模型,擬合得到各設(shè)備對應(yīng)擬合系數(shù),如表2、3所示。
表2 不容類型冷水機(jī)組ηd擬合性能系數(shù)
表3 滿液式蒸發(fā)器/冷凝器傳熱模型系數(shù)擬合結(jié)果
如圖4所示,在獲得不同類型及容量冷水機(jī)組變工況運(yùn)行性能模型后,即可基于全年逐時(shí)供冷負(fù)荷、逐時(shí)室外濕球溫度開展多方案比選。
圖4 冷水機(jī)組多方案比選方法
1) 輸入不同方案冷水機(jī)組搭配,確定方案初投資,其中不同冷水機(jī)組單價(jià)如表4所示。
表4 不同類型冷水機(jī)組單價(jià) 萬元
2) 根據(jù)表1冷水機(jī)組選型情況,對各方案冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔進(jìn)行配置,如表5所示。冷水泵、冷卻水泵及冷卻塔設(shè)備單價(jià)如表6所示。配電系統(tǒng)造價(jià)按1 300元/kW進(jìn)行估算。
表5 不同方案水系統(tǒng)配置
表6 不同型號水泵及冷卻塔設(shè)備單價(jià)
3) 電價(jià)執(zhí)行當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià),其中14:00—17:00、19:00—22:00為高峰電價(jià),單價(jià)1.101元/(kW·h);08:00—14:00、17:00—19:00為平段電價(jià),單價(jià)0.647 5元/(kW·h);00:00—08:00為低谷電價(jià),單價(jià)0.246元/(kW·h)。
4) 根據(jù)輸入冷負(fù)荷范圍,確定冷水機(jī)組開機(jī)組合。對于定頻冷水機(jī)組,如圖5所示,在給定水溫工況下運(yùn)行負(fù)荷率越大,冷水機(jī)組η越高,因此需要通過臺數(shù)控制使得冷水機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率越高越好。而對于變頻冷水機(jī)組,如圖6所示,其最佳運(yùn)行負(fù)荷率區(qū)間為60%~80%。因此需要通過臺數(shù)控制使得冷水機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率盡量處于60%~80%的范圍內(nèi)。在確定開機(jī)組合后,即可根據(jù)逐時(shí)負(fù)荷與當(dāng)前組合額定容量確定實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率。
圖5 8 441 kW定頻離心冷水機(jī)組變工況性能曲線
圖6 8 441 kW變頻離心冷水機(jī)組變工況性能曲線
5) 根據(jù)逐時(shí)室外濕球溫度,計(jì)算冷水機(jī)組運(yùn)行冷凝溫度。結(jié)合7 ℃供水對應(yīng)蒸發(fā)溫度,即可求得冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行ηth及Tce。隨后結(jié)合運(yùn)行負(fù)荷率即可求得冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行ηd,進(jìn)一步可求得冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行η。
6) 根據(jù)實(shí)際供冷負(fù)荷與實(shí)際運(yùn)行η,即可求得當(dāng)前冷水機(jī)組運(yùn)行能耗。進(jìn)一步結(jié)合逐時(shí)電價(jià)即可求得當(dāng)前運(yùn)行費(fèi)用。根據(jù)上述方法即可求得不同方案全年運(yùn)行費(fèi)用。
7) 結(jié)合方案初投資與全年運(yùn)行費(fèi)用,以15年為周期計(jì)算總成本,即可對不同方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益橫向?qū)Ρ?確定冷水機(jī)組最佳選型組合。
以方案5為例,即單個(gè)制冷站采用4臺8 441 kW與2臺3 165 kW變頻冷水機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行。由于采用變頻冷水機(jī)組運(yùn)行,冷水機(jī)組推薦運(yùn)行負(fù)荷率區(qū)間為60%~80%,由此得到該方案不同冷負(fù)荷下冷水機(jī)組開機(jī)組合,如表7所示,其中S代表3 165 kW冷水機(jī)組,B代表8 441 kW冷水機(jī)組。
表7 方案5不同組合冷水機(jī)組推薦供冷容量范圍 kW
表8 冷水機(jī)組選型多方案比選結(jié)果
由此計(jì)算得到該方案全年逐時(shí)供冷負(fù)荷率與能效,分別如圖7、8所示。該方案單側(cè)機(jī)房冷水機(jī)組全年運(yùn)行電耗為1 185.2萬kW·h,供冷季平均η為7.48,運(yùn)行費(fèi)用為860.3萬元。
圖7 方案5不同冷量范圍負(fù)荷率分布
圖8 方案5不同冷量范圍運(yùn)行η分布
根據(jù)上述計(jì)算方法,逐一計(jì)算6種方案初投資及冷水機(jī)組全年運(yùn)行方案,計(jì)算結(jié)果如表8所示。
通過對比分析可以看到,變頻冷水機(jī)組方案雖然初投資較高,但得益于更好的運(yùn)行性能,全年運(yùn)行成本降低,15年總費(fèi)用(初投資+15年運(yùn)行費(fèi)用)整體低于定頻冷水機(jī)組方案。而其中方案1和5的15年總費(fèi)用基本相當(dāng),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(lián)合運(yùn)行的設(shè)置,方案5設(shè)備臺數(shù)更少,占地面積小,運(yùn)行調(diào)控難度降低,全年冷水機(jī)組性能處于高效區(qū)間(η大于7)的時(shí)間占比為85.1%。而運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)在于大冷水機(jī)組單臺容量較大,若1臺7 034 kW冷水機(jī)組出現(xiàn)故障,則保障率為78.9%。
但考慮到近期工程實(shí)際尖峰冷負(fù)荷僅為69 194 kW,且尖峰負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間短暫。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、能效、運(yùn)維管理、后期拓展性等因素,該項(xiàng)目最終選定方案5,總裝機(jī)容量80 189 kW,并設(shè)置2個(gè)制冷站,單個(gè)制冷站采用4臺8 441 kW與2臺3 165 kW變頻冷水機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行方案。
冷水機(jī)組是集中空調(diào)系統(tǒng)的核心設(shè)備,也是機(jī)場航站樓等大型公共建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在。冷水機(jī)組設(shè)計(jì)選型的重要基礎(chǔ)在于明確全年8 760 h逐時(shí)供冷負(fù)荷及室外氣溫(影響冷卻水溫度)這2個(gè)外界需求和條件。在此基礎(chǔ)上,通過不同廠家提供的冷水機(jī)組變工況(變冷卻水溫度、變負(fù)荷率)性能曲線,構(gòu)建冷水機(jī)組在不同運(yùn)行工況下的性能模型,從而在設(shè)計(jì)階段較為準(zhǔn)確地預(yù)測不同冷水機(jī)組選型下全年逐時(shí)運(yùn)行性能及能耗水平,并結(jié)合不同方案初投資與運(yùn)行費(fèi)用,從經(jīng)濟(jì)效益層面確定最佳冷水機(jī)組選型。同時(shí)也能在設(shè)計(jì)階段給出較為詳細(xì)的冷水機(jī)組運(yùn)行調(diào)控策略,以及運(yùn)行能耗、能效目標(biāo),從而更好地指導(dǎo)項(xiàng)目的建設(shè)與長期運(yùn)行。