機(jī)場(chǎng)航站樓空調(diào)輸配管網(wǎng)水力平衡及控制集成系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘要：針對(duì)機(jī)場(chǎng)航站樓空調(diào)輸配管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中存在的問題和不足，提出了空調(diào)輸配管網(wǎng)水力平衡及控制集成系統(tǒng)方案，應(yīng)用聯(lián)網(wǎng)型智慧閥門，結(jié)合平衡及管控平臺(tái)，提供輸配管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與集中控制功能，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)從能源站、輸配管網(wǎng)到空調(diào)末端設(shè)備整體數(shù)據(jù)鏈的完整性。針對(duì)原有系統(tǒng)某AHU的改造和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了該集成系統(tǒng)的有效性和優(yōu)越性。應(yīng)用空調(diào)輸配管網(wǎng)水力平衡及控制集成系統(tǒng)，可提高管網(wǎng)系統(tǒng)的水力平衡度，進(jìn)一步優(yōu)化空調(diào)末端的控制效果，并有效降低管網(wǎng)系統(tǒng)的輸配能耗和調(diào)試維護(hù)難度。

關(guān)鍵詞：水力平衡；流體輸配管網(wǎng)；能源管理；節(jié)能

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

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

0" " 引言

大型機(jī)場(chǎng)航站樓作為地上高大空間交通建筑的典型形式，其空調(diào)系統(tǒng)規(guī)模龐大，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長，空調(diào)能耗占航站樓總能耗比重大。如何保障空調(diào)系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)減少運(yùn)行能耗是航站樓空調(diào)系統(tǒng)精細(xì)化管理所面臨的重要任務(wù)。目前，空調(diào)水系統(tǒng)普遍存在大流量、小溫差的運(yùn)行問題，雖然能源站制冷主機(jī)的COP值、水泵的效率、末端設(shè)備的換熱效率不斷提高，但系統(tǒng)的整體能耗仍然沒有改善，其主要原因是系統(tǒng)的輸送能效過高。若能實(shí)現(xiàn)航站樓輸配管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的透明化并實(shí)時(shí)優(yōu)化輸配系統(tǒng)運(yùn)行，則可有效提高空調(diào)系統(tǒng)整體的可控性并更大程度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

傳統(tǒng)輸配管網(wǎng)平衡及控制方案的典型布置如圖1所示。該方案采用靜態(tài)平衡閥、動(dòng)態(tài)壓差平衡閥（壓差控制器）、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的組合方式，在風(fēng)機(jī)盤管環(huán)路設(shè)置動(dòng)態(tài)壓差平衡閥和靜態(tài)平衡閥，在末端處設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、靜態(tài)平衡閥和動(dòng)態(tài)壓差平衡閥。通過動(dòng)態(tài)壓差平衡閥控制環(huán)路壓差并優(yōu)化電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度，靜態(tài)平衡閥輔助動(dòng)態(tài)壓差平衡閥進(jìn)行環(huán)路壓差設(shè)定，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制室內(nèi)溫度的舒適程度[1]。

傳統(tǒng)方案的不足表現(xiàn)在：

1）缺乏基準(zhǔn)。輸配系統(tǒng)的控制目標(biāo)值確定困難，在本項(xiàng)目水系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)、支路數(shù)量較多，對(duì)于合理的控制目標(biāo)值計(jì)算困難，無法檢驗(yàn)是否達(dá)到系統(tǒng)最佳狀態(tài)。

2）粗放控制和管理。系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)值和實(shí)際運(yùn)行值偏差大，沒有有效措施消除偏差。由于缺乏管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)維管理人員無法直觀了解和評(píng)估管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，只能從設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)來側(cè)面評(píng)判管網(wǎng)內(nèi)是否存在水力失調(diào)、管網(wǎng)堵塞、工作異常等問題。

3）缺乏運(yùn)行數(shù)據(jù)支撐。由于沒有水系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行問題診斷和分析，控制策略的優(yōu)化無從談起。

1" " 輸配管網(wǎng)水力平衡及控制集成系統(tǒng)

某機(jī)場(chǎng)新建T3A航站樓總建筑面積530 000 m2，設(shè)計(jì)容量4 500萬人次。為了解決傳統(tǒng)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(wǎng)水力平衡及控制集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在AHU、風(fēng)機(jī)盤管環(huán)路安裝智慧閥門[2-3]并實(shí)現(xiàn)閥門聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)采集輸配管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)平衡及控制集成系統(tǒng)優(yōu)化分析后，結(jié)合變頻水泵，實(shí)現(xiàn)泵閥一體化自適應(yīng)變頻調(diào)節(jié)，完成輸配系統(tǒng)的水力平衡優(yōu)化和變頻節(jié)能控制，從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)能源站、輸配管網(wǎng)、空調(diào)末端整體數(shù)據(jù)鏈的連貫性和可控性。

為了驗(yàn)證輸配管網(wǎng)水力平衡及控制集成系統(tǒng)相比傳統(tǒng)方式的優(yōu)越性，對(duì)該機(jī)場(chǎng)運(yùn)行多年的T2航站樓某AHU空調(diào)末端進(jìn)行了改造，并對(duì)改造前后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1" " 集成系統(tǒng)架構(gòu)

集成系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。智慧閥門設(shè)置于AHU及風(fēng)機(jī)盤管環(huán)路的回水管處，對(duì)末端進(jìn)行流量平衡、壓差平衡、負(fù)荷調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采集。智慧閥門自帶控制器，與BMS控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)采集及控制指令傳輸。BMS控制系統(tǒng)通過總線與平衡及控制管控平臺(tái)構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)[4]。平衡及控制管控平臺(tái)的管網(wǎng)數(shù)據(jù)（流量、壓力、溫度等）通過OPC接口與樓控管理工作站、能量監(jiān)控工作站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

1.2" " 集成系統(tǒng)功能

1.2.1" " 管網(wǎng)數(shù)據(jù)透明化

智慧閥門自帶傳感器對(duì)輸配管網(wǎng)各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)（流量、溫度、壓力）、閥門參數(shù)（調(diào)節(jié)閥位、平衡閥位）、閥門工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；閥門上的智能控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和判斷，并將參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)總線上傳至平衡及控制集成系統(tǒng)，如圖3所示，管理人員能直觀地了解所有末端設(shè)備和輸配管網(wǎng)的水力實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

1.2.2" " 末端水力平衡及控制

由于空調(diào)末端盤管的換熱特性，當(dāng)調(diào)節(jié)閥為等百分比調(diào)節(jié)特性時(shí)，可實(shí)現(xiàn)熱量輸出的最佳控制效果[5]。智慧閥門接收由上位平臺(tái)發(fā)來的各種控制指令，經(jīng)過智慧閥內(nèi)部預(yù)設(shè)系統(tǒng)的運(yùn)算，最終輸出合適的控制命令，確保管網(wǎng)被控節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)能夠精準(zhǔn)地保持在指令所要求的控制期望值，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)水力平衡基礎(chǔ)上的最優(yōu)室內(nèi)溫度控制。

1.2.3" " 輸送能效比優(yōu)化

航站樓空調(diào)輸配管網(wǎng)作用半徑大，輸送距離長，循環(huán)水泵的運(yùn)行能耗高，通過聯(lián)網(wǎng)智慧閥門并結(jié)合能源站變頻水泵，可實(shí)現(xiàn)泵閥一體化控制，有效降低水泵的耗能，提高空調(diào)水系統(tǒng)的輸送能效比。

為優(yōu)化輸送能效，采取如圖4所示泵閥一體化控制優(yōu)化策略，系統(tǒng)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)各環(huán)路智慧閥門的開度，定義當(dāng)前最大開度的環(huán)路為最不利環(huán)路，若該環(huán)路上的智慧閥門處于非全開狀態(tài)，則說明管網(wǎng)有降頻節(jié)能空間。水泵頻率降低過程中，最不利環(huán)路及各有利環(huán)路上的智慧閥門為了保證目標(biāo)流量，會(huì)自適應(yīng)地增大開度，直至最不利環(huán)路智慧閥門達(dá)到全開狀態(tài)，水泵降頻調(diào)節(jié)停止。

1.2.4" " 平衡及控制管控平臺(tái)

如圖5所示，平衡及控制管控平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)航站樓輸配管網(wǎng)水力運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、平衡調(diào)度及控制、流量控制精度評(píng)估、泵閥一體化控制及能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，確?？照{(diào)輸配管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能、高效運(yùn)行。

2" " 不同平衡控制方式的對(duì)比

為了驗(yàn)證輸配管網(wǎng)水力平衡及控制集成系統(tǒng)相比傳統(tǒng)方式的優(yōu)越性，對(duì)該機(jī)場(chǎng)T2航站樓某AHU空調(diào)末端進(jìn)行了改造，并對(duì)改造前后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

改造前，AHU采用傳統(tǒng)平衡及控制方式，靜態(tài)平衡閥安裝于供水管，壓差控制器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥安裝于回水管，利用專業(yè)平衡調(diào)試儀表測(cè)量環(huán)路流量值及監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1～P4的壓力值。

改造后，用智慧閥門替換原壓差控制器，同時(shí)將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及其旁通閥全部打開，在測(cè)試過程中保持100%的開度，使原電動(dòng)調(diào)節(jié)閥環(huán)路等效為一段管路，利用智慧閥門測(cè)量環(huán)路流量及P7、P8的壓力值，利用專業(yè)平衡調(diào)試儀表測(cè)量P5、P6的壓力值。

改造前后的原理圖如圖6所示。

2.1" " 動(dòng)態(tài)平衡功能對(duì)比

通過人為調(diào)節(jié)供水管處手動(dòng)閥的開度，產(chǎn)生系統(tǒng)壓差擾動(dòng)，分別測(cè)量電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)保持100%及60%開度不變條件下，擾動(dòng)前后的環(huán)路流量值。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

由表1、表2可得出：改造前，當(dāng)供水管手動(dòng)閥門從40%開至100%，環(huán)路供水資用壓力增大33%，壓力擾動(dòng)產(chǎn)生的環(huán)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(dòng)產(chǎn)生的環(huán)路流量偏差分別為0.2%和2.3%。

2.2" " 等百分比調(diào)節(jié)特性對(duì)比

保持供回水手動(dòng)閥全開，通過給定電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和智慧閥門不同的開度信號(hào)值，記錄空調(diào)末端環(huán)路流量，擬合后的閥門調(diào)節(jié)特性曲線，如圖7所示。

由圖7可得出：改造前，控制信號(hào)從10%～100%變化過程中，流量變化的趨勢(shì)不是等百分比特性，調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度變小，流量控制精度差，進(jìn)而導(dǎo)致溫度控制效果變差；改造后，流量變化的趨勢(shì)符合等百分比特性，流量、溫度控制精度高。

2.3" " 輸配能耗對(duì)比

智慧閥門的原理與傳統(tǒng)機(jī)械式平衡閥有所不同，是壓力無關(guān)型的，設(shè)有流量傳感器，可將實(shí)時(shí)測(cè)得的流量與設(shè)定流量作比較，結(jié)果反饋給電動(dòng)執(zhí)行器，快速響應(yīng)調(diào)節(jié)閥門的開度。當(dāng)管網(wǎng)壓力波動(dòng)時(shí)，壓力無關(guān)型閥門可以在更短的時(shí)間內(nèi)更精確地調(diào)節(jié)流量。在滿足末端流量分配的前提下，系統(tǒng)阻力越低，所需的水泵揚(yáng)程越低，則系統(tǒng)的能耗越低。以管網(wǎng)所達(dá)到最大流量時(shí)所需要的最小資用壓頭作為對(duì)比依據(jù)，分別測(cè)量改造前、后最大流量下的末端輸配管網(wǎng)的最小資用壓頭（P2-P4）和（P6-P8）。

根據(jù)表3對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)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(diǎn)輸配節(jié)能率達(dá)49.7%。

3" " 結(jié)論

為了解決機(jī)場(chǎng)航站樓高大空間交通建筑空調(diào)管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中存在的問題和不足，可應(yīng)用空調(diào)輸配管網(wǎng)水力平衡及控制集成系統(tǒng)替代傳統(tǒng)管網(wǎng)平衡及控制設(shè)備，應(yīng)用聯(lián)網(wǎng)型智慧閥門并結(jié)合平衡及控制集成系統(tǒng)，提供輸配管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與集中控制功能，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)從能源站、輸配管網(wǎng)到空調(diào)末端設(shè)備整體數(shù)據(jù)鏈的完整性。針對(duì)某機(jī)場(chǎng)T2航站樓AHU的改造和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了該集成系統(tǒng)的有效性和優(yōu)越性。應(yīng)用空調(diào)輸配管網(wǎng)水力平衡及控制集成系統(tǒng)，可提高管網(wǎng)系統(tǒng)的水力平衡度，進(jìn)一步優(yōu)化空調(diào)末端的控制效果，并有效降低管網(wǎng)系統(tǒng)的輸配能耗和調(diào)試維護(hù)難度。

[參考文獻(xiàn)]

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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。