某机场卫星厅水蓄冷空调的冷源群控系统设计

黄日带

(广东省建筑设计研究院有限公司,广州510010)

0 引言

随着我国城市化进程的不断加速,电网峰谷差正逐年增大,电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾日益突出,各大电网的峰谷差均已超过最大负荷的30%,平衡电网的用电负荷是十分必要的。 1995 年起,我国各地根据国家电力部门相关要求逐步推行了分时电价制度,并出台了一系列鼓励用户移峰填谷的优惠政策,从而让空调蓄冷技术的推广有了政策基础。 水蓄冷空调系统利用夜间低谷电力制冷,将冷量以冷冻水的形式蓄存起来,在用电高峰或空调负荷高峰时段向用户释冷。 相关资料表明,水蓄冷的储能转换效率高达90%,比其他几种储能技术转换效率高10%～25%,既可节省用电,又能削峰填谷,平衡电网负荷,提高制冷机组运行效率,节约运行费用。

1 项目概况

深圳机场在国家“十三五”规划纲要中定位为“国际航空枢纽”,目标是建设成为粤港澳大湾区的世界级机场。 深圳机场卫星厅项目位于深圳机场现有T3 航站楼北侧,总面积23.5 万m2(含B1 层管沟),呈“X”型,空调面积为16.03 万m2。 卫星厅与能源中心通过室外2.3km 的地下综合管廊进行连接,连接处靠近卫星厅的东南、东北指廊。 卫星厅旅客办票、交运行李及安检全部在T3 主楼内完成,T3 主楼和卫星厅通过APM 连接。 深圳机场一直秉承“绿色发展、循环发展、低碳”的生态文明建设宗旨,在建设过程中将水蓄冷技术用于空调项目, 是节省电能、合理利用电力的一项重要举指。

2 水蓄冷技术

水蓄冷空调技术是利用水温变化储存热量的蓄能技术之一。 水蓄冷以水作为空调系统的蓄冷介质,有着转移高峰用电负荷、减少制冷机组装机容量、利用峰谷电价差节省用电费用等优点。 水蓄冷空调是利用电网的峰谷电价差,夜间采用冷水机组在水池内蓄冷,白天水池放冷而主机避峰运行的节能空调方式。 当空调使用时间与非空调使用时间和电网高峰低谷同步时,就可以将电网高峰时间的空调用电量转移至电网低谷时使用,达到节约电费的目的。 一般水蓄冷的蓄冷温度是4 ～6℃,蓄冷温差为6 ～10℃,本项目蓄冷温度确定为5℃,蓄冷温差为8℃。

3 水蓄冷群控系统设计

3.1 水蓄冷运行控制策略

根据建筑图纸,卫星厅主体建筑面积约23.5 万m2,经过初步估算,本项目峰值总冷负荷约为12 800RT。 参考深圳机场T3 主楼水蓄冷系统实际运行情况,并结合本项目的峰值冷负荷,可大致得出本项目设计日的逐时负荷柱状图如图1 所示。 根据全日负荷计算的数值与逐时负荷系数及各建筑物的使用功能进行综合分析,再结合空调逐时冷负荷分布图1 及该地区水蓄冷空调分时电价政策,可制定出设计日的水蓄冷空调的运行策略。

图1 设计日空调逐时冷负荷分布图

以系统全年运行费用最低为前提,用软件进行运行策略模拟,对本项目在100%、75%、50%及25%负荷下的能源中心设备运行情况进行分析,如图2～5 所示。

图2 100%设计日负荷运行分布图

图3 75%设计日负荷运行分布图

图2 所示在100%负荷率下,23 ∶00-7 ∶00 为蓄冷主机蓄冷模式,这期间为电力低谷时段,制冷主机开启进行蓄冷,部分直接供冷给用户,大部分冷量进入蓄冷水罐,储存在蓄冷水罐内;7 ∶00-9 ∶00 与21 ∶00-23 ∶00 为制冷主机单独供冷模式,此时处于电力平均时段,不启用蓄冷水罐的冷量;9 ∶00-21 ∶00 为制冷主机与蓄冷水罐联合供冷模式。 图3所示在75%负荷率下,9 ∶00-11 ∶00、14 ∶00-16 ∶00和19 ∶00-21 ∶00 是蓄冷水罐单独供冷模式;7 ∶00-9 ∶00、12 ∶00-13 ∶00 和17 ∶00-19 ∶00 为制冷主机单独供冷模式,此时处于电力平均时段。 图4 所示在50%负荷率下,9 ∶00-16 ∶00 和19 ∶00-21 ∶00 是蓄冷水罐单独供冷模式;将大部分的蓄冷量用于电网高峰时段,降低运行费用。 图5 所示在25%负荷率下,7 ∶00-23 ∶00,冷负荷很小,无需开启主机,只要将夜间蓄存的冷量用于供冷即可满足用户需求。

3.2 水蓄冷空调系统的主要设备构成

对于夜间负荷较小的项目,适合采用削减主机的蓄冷方案,可有效减少年运行基本电费和初投资,缩短回收周期。 根据上述水蓄冷系统运行控制策略进行设备选型,本水蓄冷空调系统主要由五台1 800RT 离心式水冷机组、六台160kW 变频冷却泵(五用一备)、十台22kW 变频冷却塔(两两一组)、六台75kW 变频冷冻一次泵(五用一备)、六台250kW 变频冷冻二次泵(五用一备)、三台75kW 变频冷冻二次泵(两用一备)、两个有效容积均为11 439m3的常压蓄冷水罐及其所需配件组成。

3.3 冷源群控系统设计

3.3.1 冷源群控系统构成与设计思路

建筑设备冷源群控系统是运用自动化仪表、计算机过程控制和网络通讯技术,以实现冷源系统内各设备集中监视、控制为目的,达到优化控制及管理而构成的综合系统。

基于冷源群控系统的组成特点,关于冷源群控系统的设计重点是冷源群控系统监控原理图和冷源群控系统图。 一般遵循以下设计思路:(1)明确冷源群控系统的控制策略,然后根据该策略进行监控原理设计,绘制监控原理图。 (2)进行冷源群控系统图设计,从而实现冷源群控系统的整体控制设计。

3.3.2 冷源群控系统控制策略

冷源群控系统控制策略包括以下方面。

(1)冷负荷需求计算

根据冷冻水供回水温度和供水流量测量值,自动计算建筑空调实际所需冷负荷量。

(2)冷水机组启停控制

启动:冷却水泵→冷却塔风机→冷冻水泵→冷却塔电动阀→冷水机组。

停止:顺序与启动相反。 冷冻水泵、冷却水泵亦可单独手动投入运转。

(3)冷水机组联锁控制

本项目水蓄冷系统共有5 种模式,分别为:主机单独供冷、主机单独蓄冷、蓄冷水罐单独供冷、主机供冷+蓄冷水罐蓄冷、主机+蓄冷水罐联合供冷。 这5 种运行模式对应的阀门和设备开关状态如表1 所示。

能源中心水蓄冷空调系统运行工况表 表1

1)在夜间电费谷段,卫星厅还有一部分空调负荷,此时5 台主机全开,采用边蓄边供的模式,直至蓄冷罐蓄满或电费谷段时间结束时则停止蓄冷。

2)在电费平段,主要采用主机单独供冷模式,若制冷主机全开仍不能满足该时段室内负荷时,再采取蓄冷罐和制冷主机联合供冷模式,此时应以主机供冷为主,蓄冷罐供冷为辅。

3)在电费峰段,尽量开启蓄冷罐单独供冷,当蓄冷罐蓄冷量无法满足峰段负荷时再采取蓄冷罐和制冷主机联合供冷模式,此时应以蓄冷罐供冷为主,主机供冷为辅,主机单独蓄冷模式一般情况下不会出现。

(4)制冷主机、一次冷冻泵、冷却水泵台数控制

1)单台机组:根据本机组冷冻水进/出水温度及水量计算供冷量,进行加载或卸载。

2)机组群控:根据冷冻水进/出水温度及水量计算系统总供冷量,同时根据每台机组的效率曲线(由空调厂家提供)自动总体计算系统每一个负荷点的总效率,以总体最高效率为原则决定单机的负荷率及开启台数,且一次冷冻水泵和冷却水泵的运行台数应与主机保持一致,运行台数做到总体最高效运行。

此外根据业主要求,冷却水泵配有变频器,水泵流量比计算值适当加大,平时根据管路特性曲线可调至45～50Hz 的某固定频率定频运行,当夜间室外气候条件较好、冷却水温降低、主机供冷能力增加时,再调高水泵频率到50Hz,以加大主机的供冷量。

(5)冷却塔控制

当冷却塔出水温度＞15℃(暂定值,具体值按到货制冷主机要求定)时,冷水机组相应的冷却塔风机全部开启;当冷却塔出水温度＜15℃时,逐步减少对应的冷却塔组里的风机开启台数;当冷却塔风机全部关闭,冷却塔出水温度仍＜15℃,且还需开启冷冻机组制冷时,开启阀DVT-5,调节阀体开度,使冷却水温保持在15℃及以上。

(6)冷冻水泵变频调节

1)根据末端最不利点压力,变频调节冷冻水泵,流量最大变化率每分钟≤30%。 本系统末端最不利点分别位于卫星厅西南和西北指廊的首层、二层,通过光纤及光电转换把实时压力数据传输回本系统。

2)多泵群控:变频运行时根据系统选定的压力点提供的冷冻水供回水压力变频调节水泵的输出频率,同时根据每台水泵的效率曲线总体计算系统每一个负荷点水泵的总效率,以总体最高效率为原则决定单台水泵的运转频率及开启台数,且水泵的运行台数还应与主机运行台数保持一致,做到总体最高效运行。

(7)冷冻水压差旁通阀控制

监测冷冻水供回水压差(大系统及24h 系统压力最不利点),自动调节电动旁通阀开度,保证供回水压差保持在恒定值。

(8)水泵保护控制

水泵启动后,压差感应或水流感应开关检测水压状态,如故障则自动停机。 水泵运行时如发生故障,备用泵自动投入运行,同时开启对应的电动阀。

(9)机组定时启停控制

根据事先排定的工作及节假日作息时间表,定时启停机组,并自动统计机组、水泵、冷却塔的累计工作时间,提示定时维修。

(10)机组运行参数

监测系统内各检测点的温度、压力、流量等参数,自动显示,定时打印并进行故障报警。

(11)自动补水装置、在线清洗装置、水处理器监测

自动监测自动补水装置、在线清洗装置、水处理器运行状态,提示定时检修;故障及时报警。

(12)蓄水池水位监控

自动检测冷却水蓄水池高低水位,低水位自动补水,超高水位及时报警(蓄水罐需要自带水位传感及其网关接口)。

(13)过滤器堵塞报警

水过滤器两端压差过大时报警,提示清洗。

(14)主机、水泵联合控制

主机群及水泵群各自计算出运行策略曲线后,再按实时负荷把主机及水泵的总功耗及总效率叠加,选出总体的效率最高、耗功最低点实施运行;并根据往年的数据,调整最优运行方式。

3.3.3 冷源群控系统监控原理图设计

为实现上述冷源群控系统控制策略,根据空调工种提供的冷源设备资料及供冷需求进行设计,得到本项目的水蓄冷空调系统的监控原理图,如图6所示。

3.3.4 冷源群控系统图设计

根据相关设计经验与案例,最终确定本系统由服务器、工作站、网络控制器、现场控制器、各类传感器及执行机构、控制层/管理层网络以及操作系统软件和应用软件等构成,与能源中心建筑设备管理系统进行集成,并利用综合管廊布线主大对数光缆作为通信传输介质与卫星厅集成网连接,实现数据信息交互。

图6 水蓄冷空调系统监控原理示意图

本系统主服务器设于能源中心设备监控分控室,服务器采用双机冗余技术,并在卫星厅设备监控总控制室内设置管理工作站。 系统网络控制器(NC)、现场控制器(DDC)设于能源中心现场或控制室内。 通信网络分为两级结构:管理层及控制层。 管理层网络即为设备管理网,采用千兆主干以太网,客户机/服务器数据处理模式,支持TCP/IP 通信协议;控制层网络要求采用BACnet、MODBUS 等总线连接各个网络控制器、现场控制器,控制器之间可通过控制层网络实现点对点通信,系统要求总线最大传输距离≥1 200m。 根据以往的设计经验,在设计过程当中比较容易遗漏末端最不利点压力的数据整合,以至于出来的制冷效果冷热不均,部分区域会出现过热。 本项目在设计过程中,最终确定了本系统四个最不利点,其中两个为大系统的最不利点,位于卫星厅西北和西南指廊的二层;两个均为24h 系统的最不利点,位于卫星厅西北和西南指廊的首层。

通过统计监控原理图的点位,得出本冷源群控系统共设置AI 点90 个,DI 点241 个,AO 点39 个,DO 点162 个,共设置2 台网络控制器,30 台现场控制器。 此外水冷机组、蓄冷水罐、旁流水处理器、在线加药装置、冷量计量表装置均由设备厂商配套提供数据接口、通信网络,各装置均通过网关与网络控制器双向通信,网络控制器读取装置内的各种运行参数。

4 结束语

本文结合项目所在地深圳市的电费阶梯价格差,以系统全年运行费用最低为目标,根据全日负荷计算的数值与逐时负荷系数,用软件模拟得到水蓄冷空调系统的运行策略,然后依据该策略进行水蓄冷空调系统选型,进行冷源群控系统设计,从而实现水蓄冷空调系统的智能化控制,达到最优节能的目标。 在冷源群控系统监控原理图和系统图设计中,整合系统最不利点,避免制冷效果冷热不均问题,让冷源群控系统更加合理,为今后相关电气设计提供案例及经验支持。 在实际操作中让项目运行一段时间后,该系统还可根据累积的数据,更精准地控制水蓄冷空调系统的运行,节能收益会更加显著。