超大型水蓄冷空调技术在机场项目中效果分析及其相对节能减排效益

苏文 周钟 柴井峰

摘 要：通过技术分析和经济性比较，在浦东机场二期能源中心采用了自然分层的水蓄冷方案。通过实际数据分析，得出水蓄冷方案非常适合占地面积限制较少、空调系统间歇运行、空调负荷大且峰谷差也较大的场所，提出了相比于冰蓄冷空调方案的节能减排效益。

关键词：水蓄冷；自然分层；运行效果；节能减排

1 项目概况

上海浦东国际机场是我国交通枢纽重要的门户机场之一。20世纪末建成的一期工程，旅客年吞吐量已逾2000万人次，已不能满足要求。随着我国国力的日益强盛，国民经济的飞速发展，二期航站楼工程49万m2二期航站楼东厅与3万㎡交通中心2004年开始筹建，于2008年建成。机场的供冷、供热设施也是配套工程重要的一环，必须重点保证。二期能源中心供冷供热的服务面积为62万m2，其中近期为航站楼东厅49万㎡，交通中心3万㎡，远期为航站楼南厅10万㎡。

2 水蓄冷方案的介绍

在太平洋能源公司的鼎力支持重点指导下，经过多次严格的评审本工程最终采纳了超大型水蓄冷的供冷方案。最终方案的主要设备性能参数见下表。

3 蓄冷水罐实际运行情况

图1为浦东机场二期能源中心3#蓄冷水罐2014年8月12日上午10点45分02秒时，能源站记录下来的3#蓄冷罐运行时沿高度方向的水温变化图。从罐底（0m）测温点到12m高处的测温点温度都在5℃左右，此部分为尚未释放出的冷量，从12m处的测温点温度开始升高，一直到13.5m处的测温点的温度逐步稳定在12℃左右，13.5m处的测温点往上的冷水温度稳定在12℃左右，12～13.5m测温点间的冷水温度过度层即为斜温层，厚度仅为1.5m。

浦东机场蓄冷水罐实际运行过程中相关数据如下：

（1）三重精细布水器参数：本项目中布水系统水流的费朗特数（Fr）和雷诺数（Re），Re≤900，Fr≤0.7。蓄冷水罐（单罐）进出水流量约1500m?，蓄冷罐内水流为层流，符合设计要求。

（2）斜温层厚度：斜温层最大数值在1～1.5m，占蓄水深度的7%，但在实际运行中通过与主机联合供冷可将斜温层的冷量释放出来，真正做到全部利用。

（3）罐体冷损：在蓄冷完成后放置3d，最大温升只有0.2℃，24h的冷损不到1%，整体发泡保温效果非常好。

（4）大温差供冷：目前本项目为了保证运行安全，采用蓄冷温度5℃，回水温度12℃，温差7℃。

（5）放冷率：蓄冷水罐从蓄冷完成到放冷结束，在给定条件运行时，充放冷的效率可达到93%。实际运行中斜温层的冷冻水与主机直接制作的冷冻水混合后送至末端全部得到了充分利用，水蓄冷的运行效率几乎接近100%。

4 实际运行效果

全年供冷量约22600000RTH，为设计全年供冷量30644600RTH的73.8%。而实际运行的最大小时负荷约17100RTH，相对设计的24400RTH也为70%，基本吻合，证实了设计过程的一系列的推算是合理的，同时表明了方案设计计算负荷留的余地偏大。

全年蓄冷量13085000RTH（供冷电耗为0.90kWH/RT）则蓄冷耗电量即移峰填谷的电量为11770000kW。根据一天之内小时负荷曲线的变化规律，夏季峰段与平段总负荷基本一致，也就是其用电量也基本一致。据此我们可推断出11770000kWH移至峰段的电量约为7620000kWH，移至平段的点4147000kWH，浦东机场的平谷峰电价分别为0.661、0.227、1.032元/kWH。最终可计算出每年节约直接运行费用为7934000元。

由于实际运行的冷负荷明显小于方案仅为设计的73.8%，且实际运行中蓄冷罐蓄冷温差由12～4℃降至12～5℃等原因，蓄冷量降至87.5%，修正后的理论年节约运行费为830万元，考虑到其他损耗后，实际节约运行费793万元是合理的。

5 节能减排效应

当能源系统决定采用移峰填谷的蓄冷空调方案后，采用水蓄冷相对冰蓄冷，能效有一个很大的提高，相对节电约30%～40%，所节约的电功率实质上也是一个节能减排的重要措施，以T2航站楼能源中心為例，移峰填谷电量为11770000kWh，扣除25%的辅助水泵、冷却塔的用电量，制冷主机用电为9416000kWh。以下针对两种系统中耗电最大的主机电量进行分析，水蓄冷主机与冰蓄冷主机能效的差异有3个方面的因素：

（1）冰蓄冷主机相对水蓄冷主机的蒸发温度大幅度降低，能效比要降低25.2%左右。

（2）同一机型的制冷主机，设计为双工况时，其空调工况效率明显低于仅设计为单工况的基载主机，双工况主机效率低7.2%，由于运行中双工况主机走空调工况的负荷及时间均超过制冰工况（一般情况下蓄冷供冷率通常在30%～40%），能效比较时按其等同于蓄冷总负荷是偏保守的，且造价比单工况主机高5%以上。

（3）冰蓄冷单独及与双工况主机联合供冷时，冷冻水的供水温度可比水蓄冷略低，如可由水蓄冷的5～12℃，优化成4～12℃。其提高的能效约相当3%。

综上因素，冰蓄冷主机比水蓄冷主机的能效要降低了（25.2%-3%+7.2%-3%）=26.4%，反之水蓄冷系统在运行时，其能效比要高于冰蓄冷35.8%。

按照水蓄冷系统主机相对于冰蓄冷系统主机其节电以35.8%计，则节电3370900kWh，按照每节约1kWh电量，将节约0.374kg标煤，减排0.997kg CO2、0.03kg SO2、0.015kg氮氧化物计算，水蓄冷系统相比冰蓄冷系统每年节约1260吨标煤，减排3360.8吨CO2、101吨SO2、50.6吨氮氧化物，其经济效益和社会效益相当可观。

6 结论

水蓄冷相对冰蓄冷有几大优势在条件（主要是占地面积空间）允许的情况下应优先采用水蓄冷：

（1）初投资低（通常比冰蓄冷低30%～40%）

（2）节约运行费效率显著，以二期能源中心为例，每年实际可节约运行费近800万元（相对常规制冷），冰蓄冷实际节约效果的文献罕见报道，若水蓄冷兼水蓄热，其效益更是倍增。

（3）水蓄冷尤其是温度自然分层型，运行极为方便可靠，温度分层及斜温层的控制均已成熟。

（4）节能减排效果显著，当能源系统须采用蓄冷空调时，水蓄冷方案代替冰蓄冷其效率提高可达35.8%，也就是节电35.8%，以二期能源中心测算，水蓄冷想对冰蓄冷可节电3370900kWh，相当于减排1260吨标煤，减CO2 3360.8吨。发电厂夜间负荷增加，可以提高发电机组的效率。

参考文献

[1]孙红.昌北国际机场冰蓄冷空调工程技术经济分析[J].建筑节能，2013，（1）：71-73.

（作者单位：1.深圳达实智能股份有限公司；2.华东建筑设计研究院有限公司；3.上海国际机场股份有限公司；4.中船第九设计研究院工程有限公司）