浦東機場航站樓暖通空調系統的節能運行

董寶春

(上海國際機場股份有限公司,上海 201202)

浦東國際機場位于上海浦東長江入海口的濱海地帶,是我國目前最大的國際機場之一。機場的空調采用區域供冷供熱(DHC)的形式,這樣大規模的暖通空調系統在我國民用公共建筑中是罕見的。機場的能耗量巨大,兩個航站樓年耗電量上億kWh,其中暖通空調能耗約占航站樓總能耗的58%,因此合理用能,在滿足旅客舒適性要求的前提下做好空調節能工作就顯得非常重要。1號航站樓從1999年建成以來已經運行10年,本文將結合上海浦東機場多年來的實踐,介紹航站樓空調運行的一些節能做法和體會。

1 航站樓暖通空調系統運行概況

機場擁有3條跑道、兩個航站樓、240萬m2的停機坪、224個停機位、70座登機橋,可保障年旅客吞吐量6000萬人次。機場的建筑包括T1和T2兩個航站樓,一個綜合區。其中T1航站樓由主樓和候機長廊兩大部分組成,均為三層結構,由兩條通道連接,面積達28萬m2,包括到港行李輸送帶13條,登機橋28座。

T1航站樓的候機樓內的商業餐飲設施和其他出租服務設施面積達6萬m2。T1航站樓的0m處的底層為到達大廳,下層(6 m)為旅客到達區,上層(12m)為旅客出發;長廊的北側1—33軸為國內航班區,南側33—77為國際航班區。T2航站樓采用多層式結構,由主樓(辦票)、連接廊(聯檢)、長廊(候機和登機)三部分組成,總建筑面積為48萬m2。

浦東機場的空調系統采用區域供冷供熱的形式,分別設立了T1和 T2兩個能源中心。T1能源中心負責1號航站樓和綜合區的供能,供冷供熱半徑為2.6 km。其中1號航站樓的冷負荷為50 MW,熱負荷為40 MW;綜合區的總面積為31萬m2,冷負荷為32.8 MW,熱負荷為20.8MW。T1能源中心采用以電制冷為主體、部分汽、電、熱泵聯供的方式,還配置了4臺14MW,2臺4.2MW的離心式水冷冷水機組和4臺蒸汽雙效吸收式冷水機組,1臺 4 MW 的燃氣輪機發電機,3臺30 t/h和1臺20 t/h的火管蒸汽鍋爐,1臺11 t/h余熱鍋爐。2號航站樓的冷負荷為87.17 MW,熱負荷為58.94 MW。

T2能源中心空調系統采用冷水機組與水蓄冷結合的供冷方式,配置了10臺6.7 MW的離心式冷水機組,兩座直徑為26m,高為22m,容積為11600m3的蓄冷罐,蓄冷能力為196MW。

兩個航站樓總共配置了19個熱力交換站,67臺供冷板式熱交換器,51臺供熱板式熱交換器; 96臺供冷水泵,78臺供熱水泵。冷、熱量分別從兩個能源中心送至各自航站樓的熱力交換站,然后分配到末端空調機組;分布于兩個航站樓各個區域共有942臺大型空調機組,風量從10000～50000m3/h。

2 根據航站樓冷熱負荷需求采用變水溫輸送冷熱量

冷凍水的溫度直接影響到空調系統的供冷品質,降低水溫有利于空調箱中表冷器的換熱,但是冷水機組出水溫度過低將導致機組效率降低,能耗指標增加,因此在選擇合理冷凍水溫時不但要考慮冷水機組的性能,而且要兼顧空調末端設備的換熱性能。采取變水溫供冷的方案可以有效提高表冷器和冷水機組的工作效率、降低機組能耗。過渡季節(室外溫度最高26～28℃)1號航站樓變水溫供冷的冷水機組冷凍水溫度與冷水機組制冷性能系數(COP)的關系,見圖1。

圖2是候機樓在過渡季節某天需要的逐時供冷量。

圖2 機樓過渡季節逐時需要供冷量

結合圖1和圖2兩種情況,就可以制定一天的供水溫度如圖3。根據浦東機場航站樓建筑物實際所需冷負荷確定冷水機組送水溫度,既可以滿足空調的使用要求,又可以提高冷水機組的使用效率,從而有效降低空調的能耗。

3 根據實際使用情況調控空調設備的運行

機場候機樓的特點是候機人員密度與航班有關,而且候機樓空間較大,由于建筑物內的冷熱負荷與人員密度有關,因此候機樓各處的負荷要求不同,一年中的負荷需求量也不同。根據航班以及各處的負荷要求合理控制空調設備的運行,可以在滿足候機樓舒適度的前提下,最大限度地減少空調的能耗。

圖3 候機樓過渡季節逐時送水溫度

3.1 末端空調設備的開啟與航班聯動

為了在滿足候機樓舒適度的前提下最大限度地節省空調能耗,可以根據航班的具體情況合理控制空調設備的運行,實現暖通空調運行方式與航班的聯動。候機樓各區域各時段的人員密度相差較大,當某個區域某個時段因為航班的關系旅客比較集中時,夏季空調的設定溫度可以比其他人少的區域適當低些,冬季采暖的設定溫度比其他區域適當高些。例如,在國際航班相對較多、國內航班相對較少的時段,長廊南側的國際段空調機組的設定溫度,一般設為26℃;北側的國內段空調設定溫度為28℃;同樣,當出發航班較多、到達航班較少時,上層的旅客出發區設定溫度就可以設為26℃,下層的旅客到達區設為28℃;當某個區域沒有航班因而沒有旅客停留時,還可以將該區域的空調機組完全關閉。

3.2 分層分系統開啟空調設備

機場候機室的空間高,室內溫度上高下低梯度分布的特征非常明顯,根據測定,當空調全部開啟時,冬季上層的出發大廳人員活動區的溫度要比底層的到達大廳高3～5℃,夏季要比到達大廳出發大廳高2℃左右。根據這個溫度梯度分布,采用分層和分系統調整空調采暖的運行合理分配負荷,也可以達到很好的節能效果。例如,夏季供冷的順序依次為內區貴賓室、上層、底層,并且采用分系統開啟;當負荷較小時先開啟二次水泵,利用二次管網內冷水的蓄冷能力提供冷量;當負荷增加不能滿足冷量要求后再開啟一次水泵,利用一次管網的蓄冷能力進一步滿足負荷,最后才開啟冷水機組;冬季供熱的次序則相反,次序依次為底層、上層、內區貴賓室。這樣既可以緩解候機樓內溫度分層現象提高舒適度,又可以有效地利用冷(熱)量,節省用能。特別是過渡季節,候機樓負荷很小,分層、分系統開啟空調節能效果很明顯。

3.3 采用高速球形噴口改善空調效果

按照標準,冬季當室外溫度為0℃時,室內人員活動區域的設定溫度應該為18℃,但是1號航站樓主樓到達大廳長期以來一直不能達標,即使機組滿負荷運行(水閥全開)也僅能升到12.7℃,特別是空間的垂直溫度差很大,高達10℃(見圖4),主樓到達區域也因無法達到溫度設定值,經常遭到旅客和工作人員的投訴。

圖4 T1航站樓主樓0m到達大廳不同區域溫度梯度

通過在現場每個門的豎直方向放兩組熱電偶進行測溫和比對論證,發現問題的主要原因是樓層太高(高達9.5 m),風口出風風速太低,氣流組織為上送上回方式,造成“氣流短路”對大空間供熱很不利。在反復試驗后,決定采用一種投資少、見效快的改進方式,即采用高速球形噴口替代四向出風口的方案。方案實施后,送風速度由3m/s提高到10 m/s,空調效果得到明顯改善。圖5為采用fluent軟件模擬計算結果(K=℃+ 273.15)。

可以看到改進以后大廳的送風速度由3m/s提高到5m/s,室內溫度可以上升4℃左右;當室外為 0℃時,室內2 m高區域溫度從原來的12.7℃提高到18.0℃,這不僅改善了該區冬季空調效果,而且空調溫度也可以達到設定值,從而減少熱水的使用量和機組的能耗。

4 利用自然通風消除大空間內區房間熱量

由于設計上的不足,機場候機樓在過渡季和冬季的新風量不足,導致過度悶熱,特別是冬季候機樓個別地方需要冷空調的地方,按原設計必須由冷凍機組提供冷負荷,消耗了不少電能。在過渡季節采用自然通風的方式用以提供新風,利用冬天環境冷空氣冷卻空調水,來滿足個別地方的制冷需要,也可以節約用能。

圖5 到達大廳送風風速變化前后的溫度/K

4.1 直接引入室外新風

大空間建筑空調系統的設計,往往對房間內熱源散熱量估計不足,造成內區房間在過渡季和冬季出現過度悶熱的現象。例如,原來方案設計為,辦公室人員密度一般按0.2～0.4人/m2估算,每個辦公室電氣設備按1～3臺估算。但是,在實際運行中發現,某些辦公區的人員和電氣設備數量遠遠超出設計范圍。例如機場候機樓內JAL航空公司辦公室,20 m2內辦公人員有12人,使用12臺電腦、2臺打印機、2臺復印機,遠遠超出了設計的預算。

另外,大空間建筑空調系統的設計,往往只考慮到夏季冷負荷和冬季熱負荷,但是在實際運行中,如浦東機場內區的辦公室和貴賓休息室,冬季也需要冷負荷,如果開啟能源中心的制冷機組供冷,就會出現“大馬拉小車”的現象。事實上T1能源中心最小制冷機制冷能力約為500 kW,制冷運行還需運行1臺160 kW水泵和5臺布置在候機樓的37 kW水泵。為了小區域的供冷需求,相當于增開了1臺845 kW的設備,每運行1 h僅電費支出就要花費650元左右。

實際上,在冬季和過渡季節室外氣溫已經較低,只要在設計時安排足夠的機械通風設備,就可以利用室外的涼爽空氣直接消除室內人員和電氣設備的散熱量,有效地降低空調的運行能耗,還可以改善空氣品質。

為此,對浦東機場 T1航站樓內區貴賓室和JAL辦公室進行了系統改造,增加了機械通風系統,實踐結果表明,節能效果很好,每年節電量將近500萬kWh。

4.2 利用冷空氣冷卻空調水解決內區冬季供冷

根據原空調系統設計方案,2號航站樓長廊內部的房間冬季仍需供冷;供冷時需開啟1臺冷水機組和2臺一次冷水泵(單臺冷水機組功率為1359 kW,單臺一次冷水泵為75 kW),每周開啟約7 h,每天還需增開30 kW的二次冷水泵12 h,每天共耗電近1869 kWh。

為此,對浦東機場2號航站樓長廊冬季內區供冷實施了節能改進,采用室外冷空氣冷卻空調水(水節能器)的方法,利用雙風機機組全新風模式(相當于新風空調箱)冷卻冷水后送至辦公室的風機盤管。經過改造后可以在不開啟冷水機組的情況下,滿足T2候機樓內區供冷的要求,每少開一天冷水機組,就可減少用電量1869 kWh,節能效果相當可觀。

5 結語

浦東機場1號和2號航站樓的暖通空調系統的節能運行,不僅需要合理的設計和施工,更需要進行合理的運行管理和設備維護。運行管理的節能理念應當貫穿于整個過程,包括在設計階段進行全面的統籌、施工階段進行嚴格的監理、施工完成后對系統進行準確的調試。沒有經過合理的設計,系統就會出現先天不足;沒有合格的運行管理,暖通空調系統設計成再好也無法實現目標或者很快失去設計功能。

浦東機場作為國內較大的單體公共建筑之一,在設計、施工和運行管理上都有許多創新,包括機場日常運行的節能工作也取得很多創新成果,可以總結如下經驗。

1)龐大的單體公共建筑節能潛力較大,按需供能是節能降耗最直接的措施。

2)氣流組織對層高較高建筑的溫度空間分布影響很大,合理的氣流組織可以提高空調效果、減少空調系統的能耗。

3)過渡季節的通風、冬季室內的供冷,應當在建筑物空調方案的設計時重點加以關注,過渡季節充分利用室外新風、冬季充分利用室外冷空氣對冷水機組進行自然冷卻,可以減少能耗浪費并且提高空氣質量。