超大型水蓄冷空調技術在機場項目中效果分析及其相對節能減排效益

蘇文 周鐘 柴井峰

摘 要：通過技術分析和經濟性比較，在浦東機場二期能源中心采用了自然分層的水蓄冷方案。通過實際數據分析，得出水蓄冷方案非常適合占地面積限制較少、空調系統間歇運行、空調負荷大且峰谷差也較大的場所，提出了相比于冰蓄冷空調方案的節能減排效益。

關鍵詞：水蓄冷；自然分層；運行效果；節能減排

1 項目概況

上海浦東國際機場是我國交通樞紐重要的門戶機場之一。20世紀末建成的一期工程，旅客年吞吐量已逾2000萬人次，已不能滿足要求。隨著我國國力的日益強盛，國民經濟的飛速發展，二期航站樓工程49萬m2二期航站樓東廳與3萬㎡交通中心2004年開始籌建，于2008年建成。機場的供冷、供熱設施也是配套工程重要的一環，必須重點保證。二期能源中心供冷供熱的服務面積為62萬m2，其中近期為航站樓東廳49萬㎡，交通中心3萬㎡，遠期為航站樓南廳10萬㎡。

2 水蓄冷方案的介紹

在太平洋能源公司的鼎力支持重點指導下，經過多次嚴格的評審本工程最終采納了超大型水蓄冷的供冷方案。最終方案的主要設備性能參數見下表。

3 蓄冷水罐實際運行情況

圖1為浦東機場二期能源中心3#蓄冷水罐2014年8月12日上午10點45分02秒時，能源站記錄下來的3#蓄冷罐運行時沿高度方向的水溫變化圖。從罐底（0m）測溫點到12m高處的測溫點溫度都在5℃左右，此部分為尚未釋放出的冷量，從12m處的測溫點溫度開始升高，一直到13.5m處的測溫點的溫度逐步穩定在12℃左右，13.5m處的測溫點往上的冷水溫度穩定在12℃左右，12～13.5m測溫點間的冷水溫度過度層即為斜溫層，厚度僅為1.5m。

浦東機場蓄冷水罐實際運行過程中相關數據如下：

（1）三重精細布水器參數：本項目中布水系統水流的費朗特數（Fr）和雷諾數（Re），Re≤900，Fr≤0.7。蓄冷水罐（單罐）進出水流量約1500m?，蓄冷罐內水流為層流，符合設計要求。

（2）斜溫層厚度：斜溫層最大數值在1～1.5m，占蓄水深度的7%，但在實際運行中通過與主機聯合供冷可將斜溫層的冷量釋放出來，真正做到全部利用。

（3）罐體冷損：在蓄冷完成后放置3d，最大溫升只有0.2℃，24h的冷損不到1%，整體發泡保溫效果非常好。

（4）大溫差供冷：目前本項目為了保證運行安全，采用蓄冷溫度5℃，回水溫度12℃，溫差7℃。

（5）放冷率：蓄冷水罐從蓄冷完成到放冷結束，在給定條件運行時，充放冷的效率可達到93%。實際運行中斜溫層的冷凍水與主機直接制作的冷凍水混合后送至末端全部得到了充分利用，水蓄冷的運行效率幾乎接近100%。

4 實際運行效果

全年供冷量約22600000RTH，為設計全年供冷量30644600RTH的73.8%。而實際運行的最大小時負荷約17100RTH，相對設計的24400RTH也為70%，基本吻合，證實了設計過程的一系列的推算是合理的，同時表明了方案設計計算負荷留的余地偏大。

全年蓄冷量13085000RTH（供冷電耗為0.90kWH/RT）則蓄冷耗電量即移峰填谷的電量為11770000kW。根據一天之內小時負荷曲線的變化規律，夏季峰段與平段總負荷基本一致，也就是其用電量也基本一致。據此我們可推斷出11770000kWH移至峰段的電量約為7620000kWH，移至平段的點4147000kWH，浦東機場的平谷峰電價分別為0.661、0.227、1.032元/kWH。最終可計算出每年節約直接運行費用為7934000元。

由于實際運行的冷負荷明顯小于方案僅為設計的73.8%，且實際運行中蓄冷罐蓄冷溫差由12～4℃降至12～5℃等原因，蓄冷量降至87.5%，修正后的理論年節約運行費為830萬元，考慮到其他損耗后，實際節約運行費793萬元是合理的。

5 節能減排效應

當能源系統決定采用移峰填谷的蓄冷空調方案后，采用水蓄冷相對冰蓄冷，能效有一個很大的提高，相對節電約30%～40%，所節約的電功率實質上也是一個節能減排的重要措施，以T2航站樓能源中心為例，移峰填谷電量為11770000kWh，扣除25%的輔助水泵、冷卻塔的用電量，制冷主機用電為9416000kWh。以下針對兩種系統中耗電最大的主機電量進行分析，水蓄冷主機與冰蓄冷主機能效的差異有3個方面的因素：

（1）冰蓄冷主機相對水蓄冷主機的蒸發溫度大幅度降低，能效比要降低25.2%左右。

（2）同一機型的制冷主機，設計為雙工況時，其空調工況效率明顯低于僅設計為單工況的基載主機，雙工況主機效率低7.2%，由于運行中雙工況主機走空調工況的負荷及時間均超過制冰工況（一般情況下蓄冷供冷率通常在30%～40%），能效比較時按其等同于蓄冷總負荷是偏保守的，且造價比單工況主機高5%以上。

（3）冰蓄冷單獨及與雙工況主機聯合供冷時，冷凍水的供水溫度可比水蓄冷略低，如可由水蓄冷的5～12℃，優化成4～12℃。其提高的能效約相當3%。

綜上因素，冰蓄冷主機比水蓄冷主機的能效要降低了（25.2%-3%+7.2%-3%）=26.4%，反之水蓄冷系統在運行時，其能效比要高于冰蓄冷35.8%。

按照水蓄冷系統主機相對于冰蓄冷系統主機其節電以35.8%計，則節電3370900kWh，按照每節約1kWh電量，將節約0.374kg標煤，減排0.997kg CO2、0.03kg SO2、0.015kg氮氧化物計算，水蓄冷系統相比冰蓄冷系統每年節約1260噸標煤，減排3360.8噸CO2、101噸SO2、50.6噸氮氧化物，其經濟效益和社會效益相當可觀。

6 結論

水蓄冷相對冰蓄冷有幾大優勢在條件（主要是占地面積空間）允許的情況下應優先采用水蓄冷：

（1）初投資低（通常比冰蓄冷低30%～40%）

（2）節約運行費效率顯著，以二期能源中心為例，每年實際可節約運行費近800萬元（相對常規制冷），冰蓄冷實際節約效果的文獻罕見報道，若水蓄冷兼水蓄熱，其效益更是倍增。

（3）水蓄冷尤其是溫度自然分層型，運行極為方便可靠，溫度分層及斜溫層的控制均已成熟。

（4）節能減排效果顯著，當能源系統須采用蓄冷空調時，水蓄冷方案代替冰蓄冷其效率提高可達35.8%，也就是節電35.8%，以二期能源中心測算，水蓄冷想對冰蓄冷可節電3370900kWh，相當于減排1260噸標煤，減CO2 3360.8噸。發電廠夜間負荷增加，可以提高發電機組的效率。

參考文獻

[1]孫紅.昌北國際機場冰蓄冷空調工程技術經濟分析[J].建筑節能，2013，（1）：71-73.

（作者單位：1.深圳達實智能股份有限公司；2.華東建筑設計研究院有限公司；3.上海國際機場股份有限公司；4.中船第九設計研究院工程有限公司）