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1、上海浦东机场二期能源中心空调冷冻水系统（水蓄冷）介绍,一、概述,上海浦东国际机场二期工程是一个综合性的工程，根据国内外大型机场的运营经验，能耗最大的是空调系统、照明配电等。因此，针对空调系统中的超大型集中冷热源站房（能源中心），如何采取有效的节能方法和降低运行费用，也是机场诸多节能措施中一个非常重要的环节。本项目通过科学论证和技术经济分析，成功地将超大型水蓄冷空调技术应用于浦东机场。在设计过程中，利用计算机仿真技术，通过建立计算机模型，优化了蓄冷罐的罐体以及布水器的设计。同时，根据对机场的空调负荷分析，利用BA控制系统，建立合理、可靠的运行策略，进一步达到节约运行能耗和运行费用的目的。该水蓄冷
2、系统于2007年建成并投入运行，经过20072008年的系统调试和运行，取得了预期的节能以及大幅度降低运行费用的效果。,二、浦东机场空调负荷分析,2.1 气候特征 上海位于北纬31.17度，东经121.43度。上海属于亚热带季风气候，四季分明，日照充分，气候温和湿润。上海的春、秋季节较短，冬、夏季节较长。夏季受东南温暖及潮湿的季候风影响而炎热。秋季天气清爽，空气温暖湿润，是全年最佳季节。冬季寒冷而干燥。全年平均气温为16度。最热月份(即七月及八月)及最冷月份(即一月)的平均温度分别为28度及4度，其中七月及八月最高干球温度近乎38度。七月初是江南的梅雨季节多雨、潮湿、闷热。,图2-1上海市年平
3、均干球温度分布图,2.2 日照 上海日照充足，太阳辐射最高的季节为春、夏季，最高辐射量可达900 W/m。其他季节平均辐射量也可达600700 W/m。,2.3 空调负荷分析 机场二期工程的冷源和热源由能源中心提供。二期能源中心供冷供热的服务面积为62万，其中近期为T2航站楼49万，交通中心3万，远期为T3航站楼10万。设计冷热负荷如下表2-1：,表2-1 能源中心供冷供热负荷,空调冷负荷的设计日逐时冷负荷分布如下图：,图2-3 100%设计日逐时冷负荷图,从图2-3中可以看出，负荷高峰集中在9：0022：00之间，即空调冷负荷高峰出现的时间正处于用电高峰时间内。因此采用蓄冷空调技术，既可以起
4、到电力削峰填谷的作用，又能大幅度降低空调冷源的运行费用。,三、不同制冷方案经济技术比较,根据对上海浦东机场一期空调实际运行情况的分析，得出其二期的空调负荷的大致分布情况（见表3-1）。本项目对上海浦东国际机场二期能源中心采用常规电制冷、冰蓄冷和水蓄冷等三种方案进行了详细的技术经济比较。当蓄冷率为17%时，电制冷、冰蓄冷、水蓄冷系统的机房设备投资以及运行费用见表3-2。浦东国际机场可享受0.229元/度的夜间低谷电价，为峰值电价的23。,表3-1 负荷分布情况,表3-2 采用17的蓄冷量的空调冷冻水系统经济分析比较（万元）,由上表可以看出：水蓄冷初投资仅10842万元，低于常规电制冷358万元，
5、低于冰蓄冷5208万元，是最节省投资的方案。水蓄冷设备配电容量最低。年使用费（未计折旧费）也是水蓄冷最省，低于常规电制冷827万元，低于冰蓄冷253万元。水蓄冷罐占地约1120 m2。通过常规电制冷、冰蓄冷、水蓄冷三种供冷方案的技术经济比较，可以得出采用以制冷离心式冷水机组为制冷主体的水蓄冷空调方式是上海浦东机场二期能源中心最佳制冷供冷方案的结论。,说明1：机房设备配电容量为机房设备用电功率功率因素说明2：机房配电设施费为机房设备配电容量x800元kVA说明3：基本电费为机房设备用电功率x12月x30元月*kW,四、设备配置和运行策率,4.1 系统配置 上海浦东国际机场二期能源中心水蓄冷系统的
6、机房主要设备配置与技术参数见下表：,表4-1 采用17的蓄冷量的空调冷冻水系统的机房主设备配置与技术参数表,4.2 运行策率 由于空调的冷负荷是随室外气温的变化而变化的，也就是说，室外温度的变化，决定蓄冷量的多少，进而确定蓄冷冷水机组的运行数量。根据对上海气象资料的分析，制定水蓄冷的运行策略图如图3-5图3-8所示：,图4-1 100设计日水蓄冷空调运行策略,图4-2 75设计日水蓄冷空调运行策略,图4-3 50设计日水蓄冷空调运行策略,图4-4 25设计日水蓄冷空调运行策略,四、超大型水蓄冷技术简介,空调耗电是上海市夏季供电紧张的主要原因之一。为了缓解夏季高峰时段的供电紧张状况，采用蓄冷空调
7、系统对用电负荷进行削峰填谷，是经济和有效的方式。蓄冷空调技术就是在电力负荷低的夜间，采用电动制冷机制冷，利用蓄冷介质将冷量贮存起来。在电力负荷较高的白天或用电高峰期，把贮存的冷量释放出来，满足建筑物空调或生产工艺的需要。蓄冷空调多采用水蓄冷和冰蓄冷方式。 水蓄冷系统采用常规空调冷水机组作为制冷设备，以保温蓄冷罐（槽）等作为蓄冷设备。空调冷水机组在用电低谷时段将47的冷水蓄存起来，空调运行时将冷水抽出使用。水蓄冷的特点是利用价格低廉、使用方便的水作为蓄冷介质，利用水的显热进行冷量储存的。与其他蓄冷空调系统相比，水蓄冷空调系统具备以下优点：,1) 设备的选择和适用范围广，常规空调的主机、水泵、空调
8、箱以及配管等均能使用。2) 适用于常规供冷系统的扩容和改造，可以通过不增加制冷机组容量而达到增加供冷量的目的。用于旧系统改造也十分方便，只需要增设蓄冷槽，原有的设备仍然可用，所增加费用不多。3) 蓄冷、放冷运行时冷冻水温度相同或基本一致，冷水机组在这两种运行工况下均能维持额定容量和效率。4) 可以利用消防水池、原有蓄水设施等作为蓄冷容器来降低初投资。5) 可以实现蓄热和蓄冷的双重功能。水蓄冷系统更适宜于采用热泵系统的地区，可设计为冬季蓄热、夏季蓄冷，这对提高水槽的利用率，具有一定的经济性。6) 设备及控制方式与常规空调系统相似，运行管理和设备的维修保养方便，无需特殊的技术培训。,蓄冷罐储存冷量
9、的大小取决于蓄冷罐储存冷水的数量和蓄冷温差。温差的维持可通过降低储存冷水温度、提高回水温度以及防止回流温水与储存冷水的混合等措施来实现。为了提高蓄冷水槽的蓄冷能力并满足供冷时的负荷要求，提高水蓄冷系统蓄冷效率，应当维持尽可能大的蓄冷温差并防止储存冷水与回流热水的混合，为实现这一目的，概括起来主要有四种方式：自然分层蓄冷、多罐式蓄冷、迷宫式蓄冷和隔膜式蓄冷。其中尤以自然分层水蓄冷技术应用最为普遍。,5.1 自然分层型水蓄冷技术 水蓄冷技术的关键在于大温差、自然分层、均流布水，从而使斜温层更薄，更稳定。温度分层型水蓄冷是利用水在不同温度时密度不同这一特性，依靠密度差使温水和冷水之间保持分隔。温度低
10、的水密度大，位于储槽的下部，温度高的水密度小，位于储槽的上部。这样可以避免冷水和温水混合造成热量的损失。经过技术经济比较，上海浦东国际机场（二期）能源中心采用了温度分层型水蓄冷方案。罐内温度分层示意图如下图5-1：,图5-1 温度分层示意图,在自然分层的水蓄冷槽中，斜温层是一个影响冷热分层和蓄冷槽蓄冷效果的重要因素。它是由于冷热水的导热作用而形成的一个冷热温度过渡层。它会由于通过该水层的导热、水与蓄冷槽壁面和沿槽壁的导热，并随存储时间的延长而增厚，从而减少实际可用蓄冷水的体积，减少可用蓄冷量。大型水蓄冷的斜温层厚度一般为12 m。为了防止水的流入和流出对存储冷水的影响，在自然分层蓄冷槽中通过布
11、水器从槽中取水和向槽中送水，布水器的作用是使水缓慢地流入水槽和从水槽中流出，以尽量减少紊流和扰乱斜温层。,5.2 计算机仿真研究 根据文献报道，国内外水蓄冷容积多集中于数百至数千立方米，浦东机场二期工程能源中心采用的水蓄冷罐体积超过1万立方米，属超大型水蓄冷，国内尚无先例，国外亦属罕见。由于缺乏可参照的设计及运行经验，为了保证系统的可靠性，同时对系统的设计和运行提供指导，项目组与同济大学合作，进行了水蓄冷罐的仿真研究，并得到了以下主要结论：,1) 原水蓄冷罐设计及其运行条件可以实现温度分层并保证水蓄冷罐的稳定运行。2) 按给定条件运行时，斜温层初始厚度0.49米，最大厚度2.7米，平均厚度1.
12、6米，占蓄水深度的7%。3) 为了减少对后续过程的影响，充冷过程应不少于6.5小时。释冷过程约为5.5小时，释冷结束后建议考虑适当的技术措施，有效利用残留斜温层的冷量，并消除对后续过程的影响。4) 斜温层厚度随进出口温差增加而增大。在常用的空调冷水范围内，当保持进出口温差不变时，即使改变进出口温度，也不会对斜温层厚度产生影响。5) 由于保温结构的作用，罐外环境温度对罐内冷水的影响控制在距罐壁内表面0.12m以内的环状空间，该空间内冷水量约占罐内冷水总体积的1%，最大温升0.6，蓄冷量损失约占总蓄冷量的0.65。6) 无论充冷过程或释冷过程，进入水蓄冷罐的水温应保持恒定，避免因密度差产生浮力扰动
13、而引起分层化的破坏。7) 根据Re准数的要求，布水口的建议流速为0.03858 m/s，最大流速为0.089 m/s。,六、水蓄冷系统的节能控制,6.1 控制原理 水蓄冷控制系统通过对制冷主机、水蓄冷罐、水泵、冷却塔、管路(阀门)等设备的运行监测和控制，调整蓄冷系统的运行模式和应用工况，在安全和经济的条件下，满足空调末端系统的供冷。 根据测量参数和设定值，合理安排设备的开停顺序和适当地确定设备的运行台数，最终实现“无人机房”，即系统操作人员在机房控制室内发出控制指令，通过现场控制器对机房内的设备控制。通过合理的调节控制，节省运行能耗，产生经济效益。,水蓄冷系统控制原理如图6-1：,6.2 水蓄
14、冷节能运行控制策略 水蓄冷空调系统运行流程见下图6-2：,6.3 蓄冷和释冷过程控制1) 充冷过程：在最开始蓄冷时，由于冷冻机不可能在开机后马上将12的水冷却到4（一般为5分钟），因此进入蓄冷罐底部的水是从12逐渐降低到4。再由于机组的启动也是逐台进行（每隔2分钟开一台，从开始开启第一台机组充冷到所需机组全部开启并且出水温度达到4需要大约20分钟），不同水温间也会有传热存在，因此在垂直方向形成一个斜温层，随着4冷水的增多，斜温层逐渐上移。斜温层的存在影响蓄冷效果与冷量，因此有效控制斜温层的厚度是蓄冷罐温度分层控制的重要内容。理论上全部蓄满应该是在出水温度达到 4时停止蓄冷，但是为了保证冷冻机对
15、最小供回水温度温差的要求，同时也是避免冷冻机长期在低负荷下工作，当蓄冷罐出水温度达到10（根据现场调试确定）时就必须要停止蓄冷。因此充冷结束时，在蓄冷罐顶部就存在一个4到10的垂直斜温层。2) 放冷过程：当蓄冷罐放冷时，底部4冷水逐渐放出，顶部的12回水不断注入，原先顶部的斜温层不断下降。为了保证设计供回水温度，因此当蓄冷罐供水温度高于4时就必须要停止放冷。因此放冷结束时，斜温层就存在于蓄冷罐底部。,3) 清零过程：如果放冷结束时蓄冷罐底部存在斜温层，随后的充冷过程中又会形成新的斜温层，这样随着从放冷次数的增加，斜温层厚度也会约来越大。为了避免上述情况，因此在放冷结束阶段（蓄冷罐供水温度4），
16、继续进行放冷使得蓄冷罐底部斜温层在充冷前尽量减少（清零过程），一般监测到出水温度达到8（为了减少因为清零时间过长导致水泵能耗的增加，根据现场调试确定温度）时可以停止放冷。在清零过程这段时间（大约10分钟），系统的供水温度无法维持自在 4，与机组来的4供水混合后大约在6左右，偏离了设计要求，但是对于舒适性空调来说这种波动可以接受。 这样，在每次充冷前，蓄冷罐中水的温度基本保持一致，从而保证充冷过程斜温层的厚度在设计控制范围内。,6.4 蓄冷罐冷量控制1) 蓄冷罐中冷量计算由于设计供回水温为4/12，因此系统将根据以下式计算蓄冷罐内的蓄冷量： Q = CFHdt (6-1)式中 Q 蓄冷桶蓄冷量，
17、kJ； C 水的比热，kJ/kg； 水的密度，kg/m3； F 蓄冷桶垂直于水流方向的横截面积，m2 H 4水位最高高度，m ；(实时监视蓄冷罐内温度) dt 供回水温差，8。可见冷量的计算关键是如何获知4水位的最高高度，由于在蓄冷罐垂直方向每隔0.5米就布置有一个温度传感器，因此控制系统将不断计算相邻两个温度传感器的温差(较高位置的温度减较低位置的温度)，如果温差大于1并且较低位置的温度为4，则可以说明此时4温度传感器对应的高度为上述冷量计算所需的高度H。斜温层的冷量不考虑为可用冷量。动态过程(充冷过程与放冷过程)的冷量就是在考量的两个时刻蓄冷罐冷量的变化值，或者通过监测蓄冷罐管道的流量计和
18、水温累计计算作为参考。,2) 冷量的确定如何比较准确知道所需的充冷、放冷量是合理进行水蓄冷控制的前提。在试运行阶段，需要人为参与对充冷、放冷量的控制，系统对每天的运行数据（蓄冷量、放冷量、机组运行台数等）进行记录，同时记录季节、时刻、室外温度、湿度。在自动运行阶段，系统自动根据历史记录数据，结合当前的季节、月份、时间、室外温湿度预测当前的负荷。3) 冷量的控制根据设计数据，蓄冷罐冷量只占设计日负荷的17，占设计日电价峰值时段负荷的35。因此，在全年绝大多数时间需要将蓄冷罐全部蓄满冷量。可以通过蓄冷罐出水温度来判断蓄冷罐是否蓄满冷量，如果蓄冷罐出水温度达到10（根据现场调试确定）就可以认为蓄冷罐
19、已经蓄满所需冷水。在特殊情况下不需要将蓄冷罐全部蓄满时（全日负荷小于蓄冷罐蓄冷能力），通过预测得到所需蓄冷量，实时监测罐内温度变化，当达到所需蓄冷量时停止充冷。蓄冷罐放冷速度的控制（2000m3/h）通过监测管道上的流量和蓄冷罐进出管道上电动阀门的控制来实现。,6.5 模式流程控制 水蓄冷制冷空调系统的运行由冷水机组与水蓄冷罐共同配合完成。根据负荷情况以及电价情况，将冷水机组与水蓄冷群控系统分为五种运行方式：冷水机组单独供冷、冷水机组单独充冷、水蓄冷罐单独供冷、冷水机组与水蓄冷罐联合供冷以及冷水机组在供冷的同时为水蓄冷罐充冷。 冷水机组与水蓄冷群控系统可自动记录所有操作当日的气候条件以及逐时的
20、冷量负荷，在积累到一定程度以后，冷水机组与水蓄冷群控系统可对之前的气候条件、负荷情况以及系统运行数据的经验数据进行分析，取得一定规律，并逐渐实现对冷水机组与水蓄冷群控系统运行控制进行优化。 水蓄冷空调系统示意图如下图6-3：,图6-3 水蓄冷空调系统示意图,1) 冷水机组单独供冷这种模式主要用于电价平时段或谷时段。蓄冷罐的冷量需要在其它时段使用，冷冻机提供的冷量又足够满足尖峰负荷的需求；或者出现在蓄冷罐冷量已经放完但还需提供末端冷量时。冷冻机提供的冷冻水直接被一次水泵、二次水泵输送至系统末端。冷水机组与水蓄冷群控系统控制系统设定给主机的出口温度为4，由二次变频冷冻水泵群控系统控制系统通过二次变
21、频冷冻水泵变频控制器，控制二次泵的电机调速系统，以调节冷冻水流量，从而按照需要依次开启离心式冷水机组与相应的水泵与冷却塔，达到维持空调系统4的供水温度。,2) 冷水机组单独充冷一般这种模式出现在电价谷时段。当末端不需要冷量，时间程序也指示为主机单独充冷运行时，进入冷水机组单独充冷模式。由于上海电价政策影响，本项目冷水机组单独充冷的运行时间安排在22:006:00。控制系统实时跟踪并显示蓄冷水池的温度，计算蓄冷罐的蓄冷量。当达到所需蓄冷量时逐台关闭冷冻机组停止充冷。充冷时蓄冷罐出水温度低于10(可调)时也要停止充冷机组。,3) 水蓄冷罐单独供冷这种情况一般用于日间峰时段和平时段。当根据实际运行情
22、况判断蓄冷罐的放冷量及放冷速率能够满足该时段的全部和尖峰负荷时，由水蓄冷罐进行单独供冷。控制系统设定冷水机组停机，由水蓄冷罐进行全量蓄冷供冷工况运行。4) 冷水机组与水蓄冷罐联合供冷这种模式一般是在夏季负荷高峰时期采用，或者制冷机组制冷速率及蓄冷罐放冷速率都不能单独满足尖峰负荷需求时采用。5) 冷水机组在供冷的同时为水蓄冷罐充冷在电价谷时段，冷水机组在需要的情况下对末端供冷的同时，还将部分冷量蓄存在水蓄冷罐中。,6.6 蓄冷罐充冷、放冷与机组制冷比例控制 蓄冷系统的控制最大的难点在于如何准确地的判断运行模式以及控制不同时段制冷机组和蓄冷罐在总的供冷负荷中各承担多少供冷量。控制系统要尽可能保证蓄
23、冷罐的冷量在电价峰时段释放也即在这些时段尽量少开制冷机组，但同时也要避免蓄冷罐中的冷量提前释放完或者在电价峰值时段过后有大量剩余。在工程实践中也要尽量避免冷冻机组的频繁启停(延长机组的使用寿命)。根据运行历史数据、室外气象条件以及运行季节的综合分析，控制系统可以判断出全天负荷处于何种状况。,七、设计与施工,7.1 技术参数及设计优化 二期工程能源中心水蓄冷系统蓄冷罐结构见图6-1，依据国家石油储槽设计和施工标准进行建设。蓄冷罐的大小及容量按照设计蓄冷量进行设计，为直径26 m的钢制直立圆桶罐，高约24 m，蓄水深度21.86 m，容积11600m3。当蓄冷水温度差为8时，蓄冷量29800 RT
24、/h，放冷速率为50006000 RT/h。槽体为钢板焊接而成，蓄冷罐顶部和底部各有一套均流布水装置，分别均匀布置有约5327个突出的圆柱形布水口，各布水口中心间距339 mm。该布水装置除自重外，在工作时还会承受较大的动水压力。为承担此荷载，结构在该布水装置的上下设计了两层水平支架，将其连成整体，并设计了环形桁架作为其支撑，使水平支架的跨距减少一半，整体刚度和稳定性显著增加。在桁架下设立6根环向支柱，与罐壁一起承担整个顶部荷载。倒装法施工时水平支架又起到加强罐顶及顶圈板的作用；为满足设备的布水蓄冷要求，布水各构件连接，均采用焊接连接方式，且对构件连接处采用了水密处理。蓄冷槽主体工程做桩基处理
25、,由钢筋混凝土作为槽体基础。,图7-1 水蓄冷槽结构示意图,7.2 防腐和绝热措施 与普通储罐相比罐体的绝热要求高，为满足绝热要求采用外保温，罐壁外敷100 mm厚聚氨酯现场发泡涂层，外部为彩色钢装饰薄板。罐底内敷10 mm沥青沙，罐顶由静止空气隔层保温。防腐和绝热施工要求罐内壁的厚浆型环氧树脂涂刷要达到规定厚度，保温板铺设要紧密、无缝隙，确保绝热效果。,八、实际运行情况,8.1 温度监测 为了监测蓄冷罐中的水分层的温度，控制、计量冷量，需要在蓄冷罐内垂直方向的不同高度设置温度传感器，蓄冷罐高22米，每隔500 mm设置一个温度传感器，总共43个。 为了准确获知供回水温度，在每个蓄冷罐的进出水
26、管上各安装一个温度传感器。通过监控系统实时采集温度信号，了解蓄冷罐中不同高度水温情况，并通过计算得到蓄冷罐中冷量。,8.2 2008年夏季运行情况分析 图8-12是2008年7月8日（周二）至7月9日（周三）的运行数据。从图中可以看出，槽内分层状况良好，斜温层厚度控制在12米，蓄冷效率非常高，且运行过程中保持稳定。充冷过程从22时至第2天早7时，充分利用了低谷电。所蓄冷量当日用完，且冷量释放完全，放冷结束时槽内已没有可用冷量，说明水蓄冷设备已充分发挥其作用。,图8-1 2008年7月8日2008年7月9日充冷,图8-2 2008年7月9日放冷,8.3 结论1) 根据2007年运行调试和2008
27、年实际运行数据分析，证明本项目的超大型水蓄冷系统设计和运行均非常成功，完全实现了利用低谷电力的设计意图，并实现了系统的高效节能运行。几个重要技术指标归纳如下：2) 在水蓄冷存期内，斜温层厚度变化是衡量蓄冷罐蓄冷效果的主要指标，因此布水技术非常关键，以期减少对蓄冷罐水的扰动和对斜温层的破坏。目前浦东机场水蓄冷项目斜温层厚度11.5m，占蓄水深度的7。3)蓄冷罐从蓄冷到放冷结束需要放置一定时间，因此大型蓄冷罐的保温效果是另一个重要指标。目前机场项目水蓄冷蓄冷完成后放置3天，最大温升0.2，保温效果良好。）机场水蓄冷项目蓄冷温度5，回水温度12，温差7。与原设计的蓄冷温度4，回水温度12有差异，降低了蓄冷效率，尚待改善。）机场水蓄冷项目蓄冷水罐从蓄冷完成到放冷结束，按给定条件运行时，充放冷的效率可达到95以上。）根据2008年7月、8月份的运行结果，每月实际可节约运行费约80万元。造成此原因在于目前最大负荷只有17000RT左右，在加上实际运行采用均匀放冷，造成实际节约费用比理论计算减少25。,谢谢大家！,
