廣州白云機場T2航站樓冷源群控系統(tǒng)的應(yīng)用分析

陳金建 楊官文

（1．廣東民航機場建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510470；2．貴州匯通華城股份有限公司，貴州 貴陽 550014）

0 引言

隨著我國城市化建設(shè)的快速發(fā)展，能源緊缺問題突顯，已嚴重影響和制約了我國經(jīng)濟社會的發(fā)展。我國現(xiàn)有的建筑總面積以每年15%～20%的速度遞增，而建筑在建造和使用過程中直接消耗的能源占全社會總能耗的30%以上，并呈繼續(xù)上升趨勢。針對建筑節(jié)能的要求，國家頒布了《公共建筑節(jié)能設(shè)計規(guī)范》，我國節(jié)能規(guī)劃的目標既不是少用能源，也不僅是依靠節(jié)能來彌補能源開發(fā)的不足，而是提高主要耗能產(chǎn)品的能源利用率以及單位能源消耗所創(chuàng)造的經(jīng)濟效益，而且后者將越來越重要。

1 機場中央空調(diào)

公共建筑用電量占城市總用電量的30%左右，而中央空調(diào)在公共建筑中的能耗占比在50%～60%[1]，因此對于公共建筑節(jié)能來說，中央空調(diào)的節(jié)能控制有決定性的影響，尤其對于機場這種大型公共建筑而言更為顯著。機場中央空調(diào)主要有以下4 個方面的特點。

1.1 具有高大空間特點

室內(nèi)空氣溫度場存在很大梯度，傳統(tǒng)概念上的全室均勻混合氣流組織已不適用，為了保證人員活動區(qū)域滿足設(shè)計條件，須采用高效節(jié)能的氣流組織方式。

1.2 在空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)負荷中

室內(nèi)人員、設(shè)備和照明形成的空調(diào)冷負荷占主要份額的70%左右，透過玻璃幕墻形成的冷負荷對空調(diào)系統(tǒng)冷負荷的貢獻也達到了30%左右，也是一個不可忽視的冷負荷來源。

1.3 空調(diào)負荷大

空調(diào)負荷大導(dǎo)致了冷源系統(tǒng)裝機容量較普通公共建筑大，冷凍水輸送管網(wǎng)過長，容易導(dǎo)致水力不平衡的現(xiàn)象，致使局部區(qū)域空調(diào)效果不好。

1.4 中央空調(diào)系統(tǒng)是一個時變性的動態(tài)系統(tǒng)

其運行工況受季節(jié)變化、天氣變化、環(huán)境條件、人流量增減等諸多因素的綜合影響，是隨時變化的，且始終處于波動之中。據(jù)資料統(tǒng)計，機場空調(diào)區(qū)域年最大負荷的出現(xiàn)時間只有幾十小時，而絕大部分時間中央空調(diào)系統(tǒng)都是在部分負荷條件下運行。

針對上述特點，除了采用綠色節(jié)能的空調(diào)設(shè)備外，先進的中央空調(diào)冷源群控系統(tǒng)的應(yīng)用是更高效的節(jié)能手段。

2 冷源群控系統(tǒng)在該項目的應(yīng)用

廣州白云國際機場T2航站樓總裝機冷量為125 000 kW，共設(shè)置東、西2 個制冷機房，其中包括4 個空調(diào)系統(tǒng)。K1、K2、K3 和K4 系統(tǒng)，分別負責(zé)主樓東區(qū)域、主樓西區(qū)域、東指廊區(qū)域和西、北指廊區(qū)域的空調(diào)負荷，見表1。該項目冷源群控系統(tǒng)包括CMS 集中管理平臺、針對K1、K2、K3 和K4 系統(tǒng)的BKS600 中央空調(diào)能源管理系統(tǒng)，以及主機、水泵、冷卻塔、閥門等現(xiàn)場控制箱。CMS 集中管理平臺是管理層，BKS600 中央空調(diào)能源管理系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的控制層。冷源群控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)控制界面如圖1、圖2 所示。

表1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

圖1 冷源群控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2 快速簡捷的系統(tǒng)界面

3 冷源群控系統(tǒng)的控制原理

3.1 基于負荷預(yù)測的冷凍水模糊控制策略

當(dāng)環(huán)境溫度、空調(diào)末端負荷發(fā)生變化時，各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量亦隨之變化，流量計、壓差傳感器和溫度傳感器將檢測到的這些參數(shù)送至模糊控制器，模糊控制器依據(jù)所采集的實時數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)，實時預(yù)測計算出末端空調(diào)負荷所需的制冷量，以及各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量的最佳值，并以此調(diào)節(jié)各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，改變其流量使冷凍水系統(tǒng)的供回水溫度、溫差、壓差和流量運行保持在模糊控制器給出的最優(yōu)值。實現(xiàn)了系統(tǒng)輸出冷量與末端負荷相匹配，既保證末端用戶的舒適性，又最大限度地節(jié)省了系統(tǒng)的能量消耗。

3.2 基于系統(tǒng)效率最優(yōu)的冷卻水自適應(yīng)優(yōu)化控制

當(dāng)蒸發(fā)溫度在某一點時，冷凝中點溫度與系統(tǒng)COP 成拋物線關(guān)系。當(dāng)冷凝中點溫度TS 降低時，冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機能耗上升，主機能耗下降。當(dāng)TS 上升時，冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機能耗下降，主機能耗上升。必然存在一個最佳的冷凝中點溫度，使主機和水泵塔風(fēng)機總能耗最低，該狀態(tài)下空調(diào)系統(tǒng)的整體效率最高。通過建立自適應(yīng)模糊優(yōu)化模型來查找最佳冷凝中點溫度，并以此為控制目標來控制冷卻水系統(tǒng)運行參數(shù)。

3.3 泵組優(yōu)選

有2 臺以上變頻水泵并聯(lián)工作時，通過運行臺數(shù)及頻率來適應(yīng)水系統(tǒng)流量的變化，在滿足相同流量、相同揚程的輸送條件下，并聯(lián)泵組可以由多個組合運行方案來完成。系統(tǒng)調(diào)試及實際運行過程中，會自動建立各臺水泵及泵組在不同工況下的效率特性數(shù)據(jù)庫，在進行控制時，系統(tǒng)以輸送能耗最低為目標，根據(jù)所輸送流量的變化、泵組的具體構(gòu)成及其效率特性，通過系統(tǒng)所建立的水泵優(yōu)選配置模型并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫，尋找并確定滿足流量及揚程要求的水泵最佳運行臺數(shù)及頻率，使泵組所消耗的總功耗最低，實現(xiàn)泵組節(jié)能。

3.4 基于主機效率負荷特性的群控技術(shù)

針對2 臺以上并聯(lián)運行主機，系統(tǒng)依據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計出負荷率和主機COP 的關(guān)系，確認出主機最佳的COP 所對應(yīng)的負荷率。策略建立在歷史記錄的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)穩(wěn)定后，則進入群控選擇階段。根據(jù)當(dāng)前負荷、冷凝器中點溫度、當(dāng)前COP，通過查詢歷史記錄曲線選擇當(dāng)前負荷狀態(tài)下COP 最佳的主機組合。經(jīng)過系統(tǒng)一段時間的連續(xù)選擇最終確定主機組合，并進入策略執(zhí)行階段，運行選定的相關(guān)主機組合[2]。

4 冷源群控系統(tǒng)的運行分析

在空調(diào)系統(tǒng)運行的過程中，系統(tǒng)的制冷量、冷水主機、水泵及冷卻塔的用電量，可通過冷源群控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的采集，其中4 ～10 月的數(shù)據(jù)見表2 ～表4，分析如下。1）根據(jù)運行數(shù)據(jù)分析，6 ～9 月為T2 航站樓用冷負荷的高峰期，其制冷量及用電量為整個空調(diào)季的高峰。2）系統(tǒng)的運行能效COP 基本在4.1 以上，對照制冷機房系統(tǒng)能效最低要求表，達到了高效機房的二級能效，系統(tǒng)運行指標滿足設(shè)計要求。通過冷源群控系統(tǒng)，提升了空調(diào)系統(tǒng)的運行效率、降低了空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗。3）在用冷負荷較低的月份，系統(tǒng)的COP 與高負荷月份相比有所降低，因此在部分負荷運行時，該冷源系統(tǒng)仍有優(yōu)化和提升的空間。4）該設(shè)計采用定頻的冷卻水泵，其用電量占比19%（如圖3 所示），屬于耗電較大的設(shè)備。因考慮到造價問題，通常情況下都會采用定頻冷卻水泵，在以后的項目中，可以通過采用變頻水泵的措施進一步提高空調(diào)系統(tǒng)的COP，達到更好的節(jié)能效果。

表2 K1 系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)（采集時段：2018 年4 ～10 月）

表3 K2 系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)（采集時段：2018 年4 ～10 月）

表4 K3 系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)（采集時段：2018 年4 ～10 月）

圖3 空調(diào)設(shè)備用電量占比

5 結(jié)論

通過運行數(shù)據(jù)分析，廣州白云機場T2 航站樓中央空調(diào)冷源群控系統(tǒng)的運行能效在用冷負荷高峰期時，系統(tǒng)COP 基本在4.1 以上，對照制冷機房系統(tǒng)能效最低要求表，達到了高效機房的二級能效，系統(tǒng)運行指標滿足設(shè)計要求。廣州白云機場T2 航站中央空調(diào)冷源群控系統(tǒng)具有系統(tǒng)優(yōu)化運行、運行穩(wěn)定、功能先進、數(shù)據(jù)全面、便于維護的特點，使空調(diào)系統(tǒng)的運營管理更加科學(xué)有效。中央空調(diào)冷源群控系統(tǒng)采用的智能模糊控制技術(shù)，實現(xiàn)了中央空調(diào)控制技術(shù)的新突破，推動了中央空調(diào)節(jié)能事業(yè)的進步，為構(gòu)建環(huán)保綠色節(jié)能的機場提供了有效的解決方案。在用冷負荷較低的月份，系統(tǒng)的COP 與高負荷月份相比有所降低，因此在部分負荷運行中，該冷源系統(tǒng)仍有優(yōu)化和提升的空間。在以后的項目中，可以通過采用變頻水泵的措施，進一步提高空調(diào)系統(tǒng)的COP，達到更好的節(jié)能效果。