机场制冷站制冷系统设计方案研究

刁磊，吕访桐

（1.沈阳联勤保障中心；2.北京华源热力管网有限公司）

1 工程概述

新航站区制冷站主要供应航站楼、交通指挥中心、商业楼、行政信息楼等空调用冷水。制冷站设计遵循当地的气候特征、机场的负荷特点、运营特点、管理特点，自然环境和条件，采取有效措施保证冷量供应及时、稳定。其突出特点为：先进可靠、能源节约、管理高效。

1.1 制冷站规模

总供冷能力为125MW，释冷/蓄冷能力为50.8万kW·h。

1.2 系统配置

制冷采用电制冷+水蓄冷方式。电制冷采用12台电动离心式冷水机组，装机冷量为84.4MW。水蓄冷系统配置钢制水罐4台，设置于制冷站室外北侧，单台水罐水容积为13800m3，单台蓄冷量为12.7万kW·h，总蓄冷规模达到50.8万kW·h。

1.3 系统划分

制冷站划分为两个规模相同，各自独立的制冷系统（系统A，系统B），系统A供应航站楼用冷（含CIP），冷负荷为62500kW；系统B又分为B1和B2两部分，其中系统B1供冷建筑包括：交通中心及其东、西侧商业，运营管理区（Ⅰ区）、运营管理区（Ⅱ区），冷负荷合计35906kW；系统B2可供应冷负荷26594kW，供冷建筑尚未规划。

考虑到机场供冷的核心是航站楼，下文将针对系统A（航站楼供冷系统）进行说明。

2 机场冷站设计要点

2.1 制冷系统方案

工程制冷方式采用电制冷+水蓄冷，在方案阶段，与常规电制冷系统进行了经济、技术方案对比，该比对已经非常常见，不在文中赘述，仅出具结论如下：

①水蓄冷系统年运行费用为1963万元，常规系统年运行费用为2638万元。因此，采用水蓄冷系统每年可节约运行费用675万元。

②采用水蓄冷系统时，最大功率消耗为0.9万kW，采用常规系统时，最大功率消耗为1.25万kW。因此，采用水蓄冷系统可降低配电安装容量0.35万kW。由此可节省一部分投资。

③采用水蓄冷系统时，使用6台2000Rt机组。采用常规系统时，使用9台1900Rt机组，并搭配1台700Rt机组作为低负荷运行时调节使用。可见，采用水蓄冷系统机组安装容量大大降低，同时冷却塔安装容量也大大降低，节省投资。

2.2 输配系统方案

机场冷站相当于区域供冷中心，其服务对象主要为航站楼，航站楼空调水系统具有系统规模庞大、分区较多且各空调水系统分区环路压力损失相差较大等特点。根据上述特点并结合《公共建筑节能设计标准》的要求，航站楼空调水系统宜采用大温差、小流量“三级泵”系统。优点如下：

①采用大温差可有效降低冷冻水流量，当空调冷冻水供、回水温差为9.5℃时，比常规空调水系统（5℃温差）流量减少接近50%，不仅降低在输送设备及管材方面的投资，而且可有效降低输送系统的输送能效比（ER），达到输送系统节能的要求。而冷站内冷源采用水蓄冷系统，能够制备5.0℃的低温冷冻水。为实现空调水系统的大温差小流量运行提供了必要的前提条件。

②在制冷站内部设置“一级泵”定流量系统，完成冷冻水在制冷站内部的循环。在“一级泵”附近设置平衡一、二级水系统水量的平衡管（盈亏管）。③按制冷站服务的建筑分别设置“二级泵”系统，变流量运行。满足不同建筑在使用时间、负荷变化特性、系统阻力等方面的特殊要求，同时完成从冷站到各栋建筑的循环。“二级泵”设置在冷站内。④在航站楼内按空调系统分区（AE、AF、AC区）分别设置 “三级泵”系统。“三级泵”根据输送管路最不利环路的压差信号，变频运行，适应各分区空调负荷特性和管路阻力的变化。

“三级泵“与“二级泵”的连接方式分为：直接串联和设置板式换热器的间接连接两种方式。与间接连接方式比较，采用“三级泵”直接串联系统的优点在于：①“三级泵”直接串联系统对于输送距离较远、各单体建筑分散且规模差异较大的项目有独特的优势。也是目前国内、外超大规模公共建筑常用的系统型式。②项目所在地区的气候特点，对空调系统的除湿能力要求较高，而较低的冷冻水温度具有较强的除湿能力。

依据“简化控制、安全运行”的原则，“三级泵直接串联系统”简化为“扩大二级泵系统”：一次泵设置于制冷站，与冷冻机一一对应，定流量运行；二次泵设置于航站楼泵房内，二次泵承担室外管网及航站楼末端阻力，采用变频控制。

项目所在机场航站楼常年最大冷负荷为4000kW，占制冷最大负荷的6.6%，负荷率较低，若采用航站楼供冷管道输送常年冷负荷，将导致水泵运行效率低，管网输送效率低，输送时间长等问题。因此，常年冷负荷系统设计采用专用水泵及独立室外冷冻水输送管路。

2.3 定压方案

一般来讲，闭式空调循环水系统的定压方式，在条件允许时，尤其是当系统静水压力接近冷热源设备所能承受的工作压力时，宜采用高位膨胀水箱定压，当设置高位膨胀水箱有困难时，可设置补水泵和气压罐定压[1]。本项目设置的蓄冷水罐除了具有蓄冷、释冷的基本功能外，罐体上部设置通气管，罐内储水与大气联通，具备了定压能力，可考虑采用蓄水罐作为系统的膨胀水罐，定压兼具系统补水。由于制冷站与航站楼水系统为多级水泵串联式，定压方案需满足航站楼水系统定压高度要求。

由于机场内建筑物会对飞机起飞和着落造成严重的影响，轻则让飞机减载，重则影响飞行安全，因此机场在建设初期，会设置一个虚拟的障碍物控制面，对附近建筑物进行高度限制。根据民航中南局批复：对项目所在机场现有跑道及规划跑道两侧各6km、跑道端外各15km范围内所有建设项目必须进行航空限高审核。上述规定直接限制了航站楼的建设高度，根据审核结果， 航站楼水系统定压水位绝对标高为29.9m。蓄水罐容积大，设计罐内水体净高25.1m，相当于机场绝对标高30.4m。对比结论：水罐水位绝对标高30.4m＞系统定压高度29.9m，定压方案可行。

2.4 蓄冷水罐联合运行方案

航站楼水系统蓄冷及释冷运行中，室外两台蓄冷水罐同时工作，其蓄冷、释冷的均衡性是工程设计难点。工程设计阶段需考虑下述措施，依靠自动检测及控制手段保障蓄/释冷的正常运行。

①蓄冷水罐连接管路采用同程式，两个并联环路管路长度基本相等，阻力大致相同，流量分配较均衡，降低水力失衡风险。

②蓄冷水罐沿高度方向设置温度传感器，温度信号反馈至冷站集中控制中心，集中监测冷水罐温度分布及斜温层厚度，时时观测蓄冷、释冷运行情况，作出运行方案调整，以保障水罐蓄冷的同步性。

③蓄冷、释冷管路上设置可靠电动调节阀门，控制蓄冷及释冷运行速率。

3 结语

机场制冷站是能源动力中心，也是能源消耗大户，其制冷系统设计方案应在对现有能源供应条件调研的基础上，通过经济技术比较进行充分论证，优先可再生能源及废热废气利用。

制冷站设计应遵循“从大处着眼，从小处着手“的原则，注重细节设计，必要时进行多方案比对。比如进行冷冻水供回水温度及温差设定的方案比选，冷水机组连接方式的方案比选等等。在设备选用方面，尽量选择高效型，并避免过滤器等水系统增阻元件的重复设置；注重与自动控制系统的结合，采用自控手段及时切换运行方式，保障系统安全低耗运行。