温嘉权 何 花 李哲青 叶 翠 邓杰文

(1.广州白云国际机场股份有限公司,广州;2.广东省建筑设计研究院有限公司,广州;3.广东省机场管理集团公司工程建设指挥部,广州;4.清华大学,北京)

0 引言

机场航站楼建筑体量大、功能复杂,在满足相应功能需求、营造舒适室内环境的同时,也消耗着大量的能源。据统计,我国机场航站楼平均电耗约为177 kW·h/m2,其中空调系统的能耗占比达到40%～70%[1]。作为空调系统的核心设备,冷水机组运行能耗又占到空调系统总能耗的40%左右[2]。因而冷水机组的合理设计是实现空调系统高效运行的关键[3]。但在实际运行过程中,由于设计余量过大[4]、系统选型不合理[5]等问题,造成初投资增加,同时也影响冷水机组实际运行性能,导致系统运行能耗增加[6]。

为提升冷水机组实际运行性能,相关学者对冷水机组群选型要点[7]、设计方法[8-10]及运行控制策略[11]开展了一系列的理论研究与工程实践。但相关方法一方面局限于典型日的设计分析;另一方面缺少从系统层面入手,结合项目全年逐时供冷需求、冷水机组自身变工况运行特性开展整体性分析。因此,本文以我国夏热冬暖地区一枢纽机场航站楼为例,基于其全年逐时供冷负荷计算结果,构建冷水机组变工况运行性能分析模型,开展冷水机组设计选型方法研究,通过不同配置冷水机组经济效益分析,确定最佳组合,在保障航站楼各功能区热舒适环境的基础上,为空调冷水机组未来高效运行提供基础条件。

1 项目概况

项目位于我国夏热冬暖地区,航站楼及交通中心(以下统称航站楼)总建筑面积65.4万m2,其中近期建设面积62.2万m2,远期建设面积3.2万m2,设计年旅客吞吐量4 000万人。图1为该项目初步设计方案效果示意图。

图1 航站楼及其配套设施鸟瞰效果图

项目所在地以温暖多雨、光热充足、夏季长、霜期短为特征,全年平均气温20～22 ℃。此外太阳辐射较强,而机场航站楼外围护结构以玻璃幕墙为主,玻璃结构多、体形系数大,建筑太阳辐射得热较大。因而航站楼全年均存在供冷需求,且夏季和梅雨季除湿需求较大,对空调系统的优化设计与高效运行提出了较高要求。为了实现航站楼空调系统的优化设计与高效运行,项目团队采用DeST模拟软件[12],开展了全年8 760 h逐时供冷负荷模拟研究。

图2给出了该项目(近期建设面积62.2万m2)集中供冷系统全年逐时冷负荷,尖峰供冷负荷为 69 194 kW(19 674 rt),折合单位建筑面积尖峰负荷为111.2 W/m2,全年累积供冷需求为1.77亿kW·h,折合单位建筑面积供冷量为284.6 kW·h/m2。

图2 该项目近期工程集中供冷系统全年逐时冷负荷

对全年逐时负荷进行统计分析,结果如图3所示。可以看到全年供冷负荷大于5万kW的时间仅为395 h,大于4万kW的时间仅为1 274 h,占全年供冷时长的比例仅为14.5%。而全年预计有55%的时间运行在2万kW供冷负荷以下(负荷率低于30%),因此为了保障冷水机组高效运行,需从冷水机组容量搭配、高效运行调控等方面充分考虑,以提升全年平均运行负荷率。

图3 全年逐时冷负荷统计分析

2 空调冷水机组设计选型方法研究

2.1 冷水机组变工况运行模型

制冷性能系数(η)是评价冷水机组运行性能的重要指标,其定义如式(1)所示,该数值越大越好。而冷水机组运行η由其运行工况和对应工况下冷水机组自身性能共同决定,因而可以进一步将η拆分成ηth和ηd的乘积,其中ηth为相同工作温度下理想制冷循环(逆卡诺循环)的制冷性能系数,而ηd则代表冷水机组在对应工况下内部工作效率[13]。ηth的定义如式(2)所示,该值对应冷水机组制冷循环能效上限,仅与蒸发温度、冷凝温度有关。如式(3)所示,ηd为η与ηth的比值,该值反映冷水机组内部因素影响导致的机组实际循环与理想循环的接近程度。

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中Qe为冷水机组制冷量,kW;Wch为冷水机组(压缩机)耗电量,kW;Te和Tc分别为蒸发和冷凝热力学温度,K。

而冷水机组ηd受运行负荷率和压缩比的影响,如式(4)所示,其中采用冷凝、蒸发温度之差(Tce)近似表征压缩比,采用实际制冷量与额定制冷量比值表征运行负荷率(Rl),A～F为根据实际运行数据进行回归拟合所得的系数。

(4)

其中运行负荷率可由逐时供冷量与当前开机组合下冷水机组额定制冷量确定。因而确定不同工况下冷水机组运行η的关键在于确定蒸发温度与冷凝温度。实际运行过程中冷水侧、冷却水侧循环流量及水温为已知参数,即可通过构建蒸发器、冷凝器换热过程求解蒸发温度与冷凝温度。

在蒸发器一侧,冷水流量、冷水温度和制冷需求是影响其蒸发温度的关键因素。因此,可以利用式(5)～(9)计算蒸发温度。

Qe=ρcpGe(tchw,r-tchw,s)

(5)

Qe=KeΔte

(6)

(7)

(8)

(9)

式(5)～(9)中ρ为水的密度,kg/m3;cp为水的比定压热容,kJ/(kg·℃);Ge为冷水流量,m3/s;tchw,r为冷水回水温度,℃;tchw,s为冷水供水温度,℃;Ke为蒸发器等效传热系数,kJ/℃;Δte为蒸发器对数平均温差,℃;te为蒸发温度,℃;a1～a6为系数。

同样,对于冷凝器,冷却水流量、冷却水温度和冷凝侧散热需求则是影响其冷凝温度的关键因素。因此可以利用式(10)～(14)计算冷凝温度。

Qc=ρcpGc(tcw,r-tcw,s)

(10)

Qc=KcΔtc

(11)

(12)

(13)

(14)

式(10)～(14)中Qc为散热量,kW;Gc为冷却水流量,m3/s;tcw,r为冷却水回水温度,℃;tcw,s为冷却水供水温度,℃;Kc为冷凝器等效传热系数,kJ/℃;Δtc为冷凝器对数平均温差,℃;tc为冷凝温度,℃;b1～b6为系数。

通过上述分析可以看到,冷水供水温度和冷却水回水温度(回到冷却塔)是需要进一步明确的关键参数。其中对于冷水供水温度采用7 ℃设定值,但在实际运行过程中,可根据供冷需求适当提高供水温度,以提升冷水机组运行性能。而冷却水回水温度则需要根据室外湿球温度及冷却塔换热性能确定,如式(15)所示。

(15)

式中ts为室外湿球温度,℃,可直接由气象网站获取当地逐时湿球温度数据;Δtcw为冷却水循环温差,℃,本文设定为5 ℃;βct为冷却塔换热效率,本文设定为75%。

为避免冷却水温度过低导致冷水机组低温报警,该项目设置冷却水供水温度下限为20 ℃,即回水温度下限为25 ℃。

2.2 冷水机组选型方案设定

如前文所述,该项目近期工程集中供冷尖峰负荷为69 194 kW,经过与设计院多次沟通,充分考虑航站楼远期建设需求,加之实际施工建设、运行管理过程中存在的一系列问题(冷水机组实际制冷能力较差、长期运行性能衰减等),将冷水机组装机容量确定为不大于80 891 kW。项目共设置2个相同容量的制冷站,单个制冷站装机容量不大于40 446 kW。根据全年逐时供冷需求分布,该项目单个制冷站共设置6种冷水机组选型方案进行综合对比,方案设置如表1所示。

表1 单个制冷站冷水机组选型方案设置

冷水机组设计冷水进/出水温度为15 ℃/7 ℃,冷却水进/出水温度为30.6 ℃/35.6 ℃。根据项目产品库不同容量及类型冷水机组变工况运行性能样本,建立冷水机组变工况运行性能预测模型,拟合得到各设备对应拟合系数,如表2、3所示。

表2 不容类型冷水机组ηd拟合性能系数

表3 满液式蒸发器/冷凝器传热模型系数拟合结果

2.3 冷水机组选型比选方法

如图4所示,在获得不同类型及容量冷水机组变工况运行性能模型后,即可基于全年逐时供冷负荷、逐时室外湿球温度开展多方案比选。

图4 冷水机组多方案比选方法

1) 输入不同方案冷水机组搭配,确定方案初投资,其中不同冷水机组单价如表4所示。

表4 不同类型冷水机组单价 万元

2) 根据表1冷水机组选型情况,对各方案冷水泵、冷却水泵、冷却塔进行配置,如表5所示。冷水泵、冷却水泵及冷却塔设备单价如表6所示。配电系统造价按1 300元/kW进行估算。

表5 不同方案水系统配置

表6 不同型号水泵及冷却塔设备单价

3) 电价执行当地峰谷电价,其中14:00—17:00、19:00—22:00为高峰电价,单价1.101元/(kW·h);08:00—14:00、17:00—19:00为平段电价,单价0.647 5元/(kW·h);00:00—08:00为低谷电价,单价0.246元/(kW·h)。

4) 根据输入冷负荷范围,确定冷水机组开机组合。对于定频冷水机组,如图5所示,在给定水温工况下运行负荷率越大,冷水机组η越高,因此需要通过台数控制使得冷水机组运行负荷率越高越好。而对于变频冷水机组,如图6所示,其最佳运行负荷率区间为60%～80%。因此需要通过台数控制使得冷水机组运行负荷率尽量处于60%～80%的范围内。在确定开机组合后,即可根据逐时负荷与当前组合额定容量确定实际运行负荷率。

图5 8 441 kW定频离心冷水机组变工况性能曲线

图6 8 441 kW变频离心冷水机组变工况性能曲线

5) 根据逐时室外湿球温度,计算冷水机组运行冷凝温度。结合7 ℃供水对应蒸发温度,即可求得冷水机组实际运行ηth及Tce。随后结合运行负荷率即可求得冷水机组实际运行ηd,进一步可求得冷水机组实际运行η。

6) 根据实际供冷负荷与实际运行η,即可求得当前冷水机组运行能耗。进一步结合逐时电价即可求得当前运行费用。根据上述方法即可求得不同方案全年运行费用。

7) 结合方案初投资与全年运行费用,以15年为周期计算总成本,即可对不同方案进行经济效益横向对比,确定冷水机组最佳选型组合。

3 空调冷水机组选型比选结果分析

以方案5为例,即单个制冷站采用4台8 441 kW与2台3 165 kW变频冷水机组联合运行。由于采用变频冷水机组运行,冷水机组推荐运行负荷率区间为60%～80%,由此得到该方案不同冷负荷下冷水机组开机组合,如表7所示,其中S代表3 165 kW冷水机组,B代表8 441 kW冷水机组。

表7 方案5不同组合冷水机组推荐供冷容量范围 kW

表8 冷水机组选型多方案比选结果

由此计算得到该方案全年逐时供冷负荷率与能效,分别如图7、8所示。该方案单侧机房冷水机组全年运行电耗为1 185.2万kW·h,供冷季平均η为7.48,运行费用为860.3万元。

图7 方案5不同冷量范围负荷率分布

图8 方案5不同冷量范围运行η分布

根据上述计算方法,逐一计算6种方案初投资及冷水机组全年运行方案,计算结果如表8所示。

通过对比分析可以看到,变频冷水机组方案虽然初投资较高,但得益于更好的运行性能,全年运行成本降低,15年总费用(初投资+15年运行费用)整体低于定频冷水机组方案。而其中方案1和5的15年总费用基本相当,且低于其他方案。但相比方案1中5台7 034 kW与2台2 638 kW联合运行的设置,方案5设备台数更少,占地面积小,运行调控难度降低,全年冷水机组性能处于高效区间(η大于7)的时间占比为85.1%。而运行风险在于大冷水机组单台容量较大,若1台7 034 kW冷水机组出现故障,则保障率为78.9%。

但考虑到近期工程实际尖峰冷负荷仅为69 194 kW,且尖峰负荷出现时间短暂。综合考虑经济、能效、运维管理、后期拓展性等因素,该项目最终选定方案5,总装机容量80 189 kW,并设置2个制冷站,单个制冷站采用4台8 441 kW与2台3 165 kW变频冷水机组联合运行方案。

4 结束语

冷水机组是集中空调系统的核心设备,也是机场航站楼等大型公共建筑空调系统节能降耗的关键所在。冷水机组设计选型的重要基础在于明确全年8 760 h逐时供冷负荷及室外气温(影响冷却水温度)这2个外界需求和条件。在此基础上,通过不同厂家提供的冷水机组变工况(变冷却水温度、变负荷率)性能曲线,构建冷水机组在不同运行工况下的性能模型,从而在设计阶段较为准确地预测不同冷水机组选型下全年逐时运行性能及能耗水平,并结合不同方案初投资与运行费用,从经济效益层面确定最佳冷水机组选型。同时也能在设计阶段给出较为详细的冷水机组运行调控策略,以及运行能耗、能效目标,从而更好地指导项目的建设与长期运行。