浦东机场能源中心水蓄冷运行方式改进方案

张 敏，王晨晓

（上海上电电力运营有限公司，上海 200245）

1 浦东机场2号能源中心水蓄冷系统简述

浦东机场2号能源中心主要服务对象为二期航站楼区域，面积近期为49万m2的航站楼东厅（T2）及3万m2交通中心，远期考虑10万m2的航站楼南厅（T3）。根据相关专业提供的设计冷负荷数据如下：东厅+交通中心的冷负荷为24 740RT（87 000kW），考虑1.2安全系数；南厅的冷负荷为4 980RT（17 500kW）。

经过多种制冷方案设计和详细的技术方案比较，水蓄冷系统与冰蓄冷系统和常规电制冷系统相比，在初投资和运行费用上都有明显优势。故设计优先采用了水蓄冷。

1.1 水蓄冷系统的组成

浦东机场2号能源中心水蓄冷系统是由制冷机组、蓄冷水灌、蓄冷水泵（冷冻泵）、放冷水泵（供冷泵）组成。单蓄冷循环图如图1所示。

图1 单蓄冷循环图

1.2 水蓄冷系统主要设备配置

浦东机场2号能源中心水蓄冷系统运行图如图2所示，机房主要设备配置如表1所示。总蓄冷量按满负荷的34%设计。

图2 水蓄冷系统运行图

表1 水蓄冷机房主设备配置与技术参数表

配套的冷冻机房内设置10台制冷能力为2 000RT的离心式冷水机组及冷却水泵、冷冻水一次泵和冷冻水二次变频泵等。

冷冻机房内的管道为双管制，采用同程式（阻力大致相同，流量分配较均衡）系统，并附设在同一高度，下设托架梁以求整齐划一，室外部分采用直埋管。通往航站楼的冷冻水供回水温度为4～12℃。为节能运行，并且考虑气候变化，冷冻水供回水温度允许进行适当的调整。通至末端用户的供回水管系统，由于远近不同而易产生水力失调，在每个用户入口设差压控制阀，最不利环路设差压传感器，其压差变化传输至二次变频泵进行相应调节，以稳定最不利环路的水量，从而保证所有用户的水量分配达到设计要求。

2 水蓄冷系统调试时出现的问题及原因

2.1 出现的问题

浦东机场2号能源中心的蓄冷罐不能按照蓄冷设计要求进行充冷。在对蓄冷罐进行充冷调试时，发现当蓄冷罐出水温度下降至充冷终结温度时，此时蓄冷罐内的水层温度分布为，底部水温为4℃，顶部水温为12℃，斜温层厚度为9.5m，并且蓄冷罐内的蓄水温度分布未按照自然分层过渡，出现水层温度分布交错跳跃。显然，蓄冷低温水的水量和斜温层的厚度均未能达到设计要求。

2.2 原因分析

根据蓄冷罐内温度分布情况分析，充冷终结时斜温层太厚，并且斜温层的温度分布不正常。主要原因是在安装调试初期，蓄冷罐进行过多次充放冷，每次充放冷时均未将斜温层全部移至蓄冷罐外，就进行下一轮充放冷调试，造成蓄冷罐内的分层水温非常混乱。蓄冷罐在充冷前罐内温度分层不正常，当充冷时上部出水温度已满足低于12℃的终结条件时，罐内还留存很多温度高低交错的斜温层，造成储存的低温水水量严重不足，蓄冷能力大为下降，不能按要求满足蓄冷计划。

由于充冷时的水温更替是由下往上逐步上移的，如果充冷前蓄冷罐内温度分层混乱，当出水温度达到充冷终结条件时，斜温层的水层并未能全部更替。因此，充冷前蓄冷罐内温度分层混乱是造成斜温层破坏，导致蓄冷失败的主要原因。

3 解决方案

3.1 方案1

通过改变原有的充冷时“蓄冷罐出水温度下降至12℃”停止充冷的充冷终结条件，将充冷的终结条件改为，“当蓄冷罐内原有的斜温层全部移至罐外时”停止充冷，此时蓄冷罐内储存的全为新充入的低温冷水。

但由于受到制冷机组冷冻水回水最低温度保护的限制，当蓄冷罐出水温度下降至9℃，即制冷机组的冷冻水回水温度低于9℃时，制冷机组将卸载停机，停止制冷。此时制冷机的冷冻水出水温度上升，不能再对蓄冷罐进行充冷。显然，方案1受制于制冷机组的运行条件，无法将不正常的“斜温层”全部排至罐外。

3.2 方案2

由于正常的充冷条件为：充冷前蓄冷罐内的水温必须按自然的分层温度分布，且斜温层厚度必须正常。因此，在充冷前应对蓄冷罐的水温分层作一个检测，当罐内水温斜温层过厚，分层错乱时，必须将罐内这些温度分层错乱的“斜温层”的水全部排至罐外，以确保水温符合正常充冷条件。但是要将这些分层错乱的“斜温层”的水移至罐外，要消耗大量的时间和能源，既不能满足运行时间控制的要求，又不符合水蓄冷系统的节能原则。

如要杜绝这些分层错乱的“斜温层”，就必须保证在日常运行操作中将蓄冷罐内的水温控制在正常充冷条件下。因此，日常运行操作必须按照如下要求进行。

1）严格控制蓄冷罐内的充冷量 根据次日气温预测及用户热负荷预测，估算出较为精确的蓄冷罐内的充冷量，以使当晚充入的冷量，在次日既满足用户需要，又能全部用完。

2）对蓄冷量不足或蓄冷量富裕的调节 因估算不准或用户负荷变化造成蓄冷冷量不足时，应增开制冷机制冷作补充。如蓄冷冷量过多，也必须设法用完，以保证下一次充冷操作能够正常完成。

3）充放冷操作原则 充放冷操作以一次充入、一次放完为原则，避免在一个供冷运行日中进行多次充放冷操作，以防止蓄冷自然温度分层的破坏。

4）严格控制蓄冷罐放冷运行时的回水温度控制回水温度不低于9.5℃，以保证充冷运行时制冷机组能正常制冷。

根据方案2进行试运行操作，蓄冷罐的充放冷运行正常。运行操作平稳安全，基本符合原设计的充蓄冷温度要求。但需要注意，由于方案2必须准确估算蓄冷罐内的充冷量，这需要大量的原始数据及丰富经验，并且需要在实践中不断修正完善。由于水蓄冷系统是浦东机场2号能源中心工程的配套项目，没有原始数据。目前可以通过浦东机场2号能源中心用户单位的设计日负荷，制定蓄冷计划。

4 不同负荷下的运行方案

浦东机场为上海市的窗口行业，设计负荷的25%～100%都有供冷需求。在不同负荷运行情况下，回水温度会有明显变化，这对斜温层也有很大影响。通过结合以往气温变化情况、设计日的热负荷情况以及参考数据，得出如下运行方案。

4.1100 %设计负荷的运行方案

设计日是夏季最热时，结合空调逐时冷负荷分布图及上海市水蓄冷空调的电费政策，水蓄冷系统按以下3种工作模式运行。

1）主机供冷+主机蓄冷模式（22：00至6：00）。这期间为电力低谷时段，3～5台主机提供夜间冷负荷，5～7台主机全力蓄冷，至6：00时系统总蓄冷量达到116 000RTH。

2）主机与蓄冷罐联合供冷模式（8：00至11：00，18：00至21：00）。这期间3～4台主机在空调工况下运行，满足部分冷负荷的需求，其他冷负荷由蓄冷罐满足。

3）主机单独供冷模式（其余时间）。这期间8～10台主机在空调工况下运行，可以满足所有冷负荷需求。

4.2 非100%设计日负荷的运行方案

在天气发生变化、日负荷较小时，系统将依据实际的冷负荷需求，通过控制系统调节运行模式。自动调整每一时段内蓄冷罐供冷及主机供冷的相对应比例，以实现分量储冷模式逐步向全量储冷模式的运行转化，按照蓄冷罐优先供冷原则，最大限度地控制主机在电力高峰期间的运行，节省运行费用。

4.375 %设计日负荷的运行方案

结合上海市的电价政策，在75%设计日负荷时水蓄冷系统按以下4种工作模式运行。

1）主机供冷+主机蓄冷模式（22：00至6：00）。这期间为电力低谷时段，3～5台主机提供夜间冷负荷，5～7台主机全力蓄冷，至6：00时系统总蓄冷量达到116 000RTH。

2）主机与蓄冷罐联合供冷模式（8：00至11：00，18：00至20：00）。这期间1～2台主机在空调工况下运行，满足部分冷负荷的需求，其他冷负荷由蓄冷罐满足。

3）蓄冷罐单独供冷模式（20：00至21：00）。这期间由蓄冷罐满足全部冷负荷的需求。

4）主机单独供冷模式（其余时间）。这期间6～8台主机在空调工况下运行，满足所有冷负荷需求。

4.450 %设计日负荷的运行方案

结合上海市的电价政策，在50%设计日负荷时水蓄冷系统按以下4种工作模式运行。

1）主机供冷+主机蓄冷模式（22：00至6：00）。这期间为电力低谷时段，2～3台主机提供夜间冷负荷，7～8台主机全力蓄冷，至6：00时系统总蓄冷量达到116 000RTH。

2）主机与蓄冷罐联合供冷模式（12：00至13：00）。这期间5台主机在空调工况下运行，满足部分冷负荷的需求，其他冷负荷由蓄冷罐满足。

3）蓄冷罐单独供冷模式（8：00至11：00，18：00至22：00）。这期间由蓄冷罐满足全部冷负荷的需求。

4）主机单独供冷模式（其余时间）。这期间5台主机在空调工况下运行，满足所有冷负荷需求。

4.525 %设计日负荷的运行方案

结合上海市的电价政策，在25%设计日负荷时水蓄冷系统按以下3种工作模式运行。

1）主机供冷+主机蓄冷模式（22：00至6：00）。这期间为电力低谷时段，1～2台主机提供夜间冷负荷，7到8台主机全力蓄冷，至6：00时系统总蓄冷量达到116 000RTH。

2）主机与蓄冷罐联合供冷模式（15：00至18：00）。这期间1～2台主机在空调工况下运行，满足部分冷负荷的需求，其他冷负荷由蓄冷罐满足。

3）蓄冷罐单独供冷模式（7：00至15：00，18：00至22：00）。

55 种运行方案的耗电量与电费计算

当蓄冷率为34%时的常规制冷，水蓄冷在各种负荷下、不同时段的耗电量与电费计算结果见表2。通过水的显热储存冷量，将夜间电网多余的谷段电力（低电价时）与水的显热相结合来蓄冷，以低温冷冻水形式储存冷量，并在用电高峰时段（高电价时）使用储存的低温冷冻水来作为冷源的空调系统。通过利用峰电与谷电的差价节约1290万元电费。浦东机场2号能源中心投运至今，每年节约电费均为设计最大值的80%以上。

表2 采用116 000RTH蓄冷量的系统耗电量及电费计算结果

6 结语

通过以上一系列的运行方案的修正，运行操作平稳安全，基本符合了原设计的充蓄冷的温度要求，现蓄冷水罐内的斜温层已经能够很稳定地控制在0.3～1.0m。分布式能源与储能做为智能电网建设的关键部分，被政府纳入“十二五”规划。水蓄冷作为分布式能源的一部分，是高效、环保的能源利用方式，有利于调整能源结构。

［1］ 殷亮，刘道平.自然分层水蓄冷技术［J］.暖通空调HV＆AC，1997，27（1）：50-53.

［2］ 黄丽.温度分层型水蓄冷罐的模拟与理论研究［D］.武汉科技大学，2010.