史 杰，郭恒超，常 晟，董正峰，邵雙全，鄭竺凌

（1.上海國(guó)際機(jī)場(chǎng)股份有限公司，上海 200000；2.同方泰德智能科技（上海）有限公司，上海 200023；3.同方股份有限 公司，北京 100083；4.華中科技大學(xué)，武漢 430074；5.上海市建筑科學(xué)研究院，上海 200032）

0 引言

上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)年旅客吞吐量快速增長(zhǎng)，已經(jīng)超過(guò)7 000 萬(wàn)人次，其制冷空調(diào)系統(tǒng)能耗也快速增長(zhǎng)，對(duì)上海地區(qū)的電網(wǎng)負(fù)荷供需平衡也造成了一定的沖擊。作為典型的大型公共建筑，機(jī)場(chǎng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)能耗已經(jīng)成為關(guān)注的焦點(diǎn)［1-3］。當(dāng)前主要集中在對(duì)其能耗構(gòu)成要素進(jìn)行分析［4-6］和多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)措施的推廣應(yīng)用［7-9］。

蓄冷系統(tǒng)利用電力需求低谷時(shí)段進(jìn)行蓄冷并在電力需求高峰時(shí)段釋冷供應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)需求，可有效降低制冷空調(diào)系統(tǒng)的高峰用電負(fù)荷，起到“削峰填谷”的作用［10-15］。水的比熱大、相變潛熱大，在顯熱蓄冷和相變蓄冷中都是優(yōu)良的天然環(huán)保工質(zhì)，在機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院等大型公共建筑的蓄冷系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［16-18］。并且可以采用靜態(tài)冰（如冰盤(pán)管、冰球等）、流態(tài)冰（如冰漿等）和水等多種蓄冷形式以適應(yīng)不同場(chǎng)景的需求［19-23］。

因此，本文基于上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)1 號(hào)能源中心制冷系統(tǒng)的負(fù)荷特性，對(duì)其蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能分析。

1 制冷系統(tǒng)

該制冷系統(tǒng)采用制冷機(jī)組、水泵和冷卻塔全并聯(lián)、互為備用的形式，簡(jiǎn)化后的原理如圖1 所示。

圖1 1 號(hào)能源中心制冷系統(tǒng)示意

其中有制冷機(jī)組7 臺(tái)，總制冷量為71 726 kW（20 400RT），總功率為14 994 kW；冷凍水泵10 臺(tái)，總流量為14 142 m3/h，總功率為4 130 kW；冷卻水泵12 臺(tái)，總冷卻水流量為26 264 m3/h，總功率為3 070 kW；冷卻塔16 臺(tái)，總處理水量為 17 600 m3/h，總功率為720 kW。上述制冷機(jī)組主要滿足機(jī)場(chǎng)航站樓4 月至11 月的供冷負(fù)荷需求。為用戶側(cè)提供的冷凍水供回水溫度為5～12 ℃。根據(jù)運(yùn)行記錄，其歷史最大瞬時(shí)負(fù)荷為冷凍水流量5 850 m3/h。

2 蓄冷方案分析與設(shè)計(jì)

2.1 可行性及必要性分析

該制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間見(jiàn)表1，當(dāng)?shù)氐姆謺r(shí)電價(jià)政策見(jiàn)表2。制冷系統(tǒng)在夜間供冷需求較小，而夜間為電力低谷時(shí)段，電價(jià)較低。圖2 中給出了典型負(fù)荷日（2018 年8 月1 日）的制冷負(fù)荷與電價(jià)的對(duì)比情況，可以發(fā)現(xiàn)該制冷系統(tǒng)主要在電力高峰時(shí)段（高電價(jià)0.916 元/kW·h）進(jìn)行供冷，而在電力低谷時(shí)段（低電價(jià)0.213 元/kW·h）幾乎不供冷。峰（時(shí)）谷（時(shí)）電價(jià)比達(dá)到了4.30，平（時(shí)）谷（時(shí)）電價(jià)比也達(dá)到了2.66。因此，該系統(tǒng)如果進(jìn)行蓄冷改造，采用電力低谷時(shí)段制冷并進(jìn)行蓄冷，而在電力高峰時(shí)段釋冷供空調(diào)用戶的制冷需求，不僅避免了對(duì)電網(wǎng)供需平衡的沖擊，電費(fèi)也將會(huì)大幅度降低，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

表1 能源中心制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間

表2 分時(shí)電價(jià) 元/（kW·h）

圖2 供冷負(fù)荷與電價(jià)對(duì)比

2.2 蓄冷方案比較

在大型公共建筑中，由于蓄冷容量巨大，蓄冷介質(zhì)的使用量很大。因此，水是最為常用的介質(zhì)，容易獲得且成本低廉，并具有較高的蓄冷密度。當(dāng)前利用水的常用蓄冷方式主要有靜態(tài)冰（如冰盤(pán)管、冰球等）、流態(tài)冰（如冰漿等）和水等幾種形式，各種形式的對(duì)比情況如表3 所示。

表3 各種蓄冷方式比較

從蓄冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，水蓄冷系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單，一般的制冷機(jī)組可以直接提供4～5 ℃的冷水用于直接供冷或者蓄冷；而靜態(tài)冰系統(tǒng)一般需要載冷劑（如乙二醇溶液）用于在制冰盤(pán)管外表面逐漸結(jié)冰并不斷變厚（以冰盤(pán)管為例）；而動(dòng)態(tài)冰系統(tǒng)一般也需要使用載冷劑（如乙二醇溶液）在專門(mén)的制冰機(jī)內(nèi)讓過(guò)冷水生成冰漿，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜。

從能效上看，水蓄冷時(shí)，制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度最高，動(dòng)態(tài)冰系統(tǒng)次之，而靜態(tài)冰系統(tǒng)最低（并且隨著冰層厚度增加而不斷降低），所以蓄冷能效上也是水蓄冷系統(tǒng)最高，靜態(tài)冰系統(tǒng)最低。

從蓄冷密度上看，水系統(tǒng)只是利用水的顯熱進(jìn)行蓄冷，一般只有7～8 ℃的蓄冷溫差，蓄冷密度最低。冰盤(pán)管蓄冷中，由于蓄冰盤(pán)管自身就占用了較大的體積，并且為了保證系統(tǒng)的能效，不宜使盤(pán)管外冰層太厚，因此，蓄冷密度較水蓄冷系統(tǒng)有較大提高。而動(dòng)態(tài)冰系統(tǒng)中，蓄冷罐內(nèi)全部為冰水混合物，含冰率可以達(dá)到50%左右，蓄冷密度最高。

從系統(tǒng)控制上看，水蓄冷系統(tǒng)的難點(diǎn)主要是保證水罐內(nèi)的水不發(fā)生摻混；冰盤(pán)管系統(tǒng)的難點(diǎn)在于釋冷過(guò)程冰的融化和釋冷速度的控制；而動(dòng)態(tài)冰系統(tǒng)則是要保證冰漿在貯存和管道內(nèi)輸運(yùn)過(guò)程中穩(wěn)定性及對(duì)相關(guān)設(shè)備的影響。

總體而言，水蓄冷和靜態(tài)冰蓄冷都出現(xiàn)的比較早，都有了很多的應(yīng)用案例，水蓄冷系統(tǒng)能效高但對(duì)空間要求比較高，靜態(tài)冰系統(tǒng)能效低但對(duì)空間要求也低；而動(dòng)態(tài)冰系統(tǒng)近年來(lái)也取得了快速發(fā)展。

基于以上分析，由于浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)1 號(hào)能源中心外有較大的空間可以用來(lái)安放蓄冷罐，另外，各個(gè)換熱站對(duì)能源中心提供冷凍水的要求是5～12 ℃。因此，水蓄冷系統(tǒng)更為適宜，可以提高蓄冷的能效水平和經(jīng)濟(jì)性。

3 水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與效果分析

3.1 水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 給出了在原制冷系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）上增加了水蓄冷部分，可運(yùn)行于以下模式：

（1）蓄冷工況：V1，V5 關(guān)閉；V2，V3，V4 打開(kāi)。蓄水罐里的高溫水，經(jīng)過(guò)V3，在冷凍水泵的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過(guò)制冷機(jī)組冷卻到蓄冷溫度后，再經(jīng)過(guò)V2和V4，存入蓄水罐。

（2）單獨(dú)釋冷供冷：V4 關(guān)閉，其余閥門(mén)打開(kāi)。蓄水罐里的冷水在釋冷泵的驅(qū)動(dòng)下經(jīng)過(guò)V5，V2，和V1 進(jìn)入分水器，在換熱站向用戶供冷后，通過(guò)集水器和V3 回到蓄水罐。

（3）冷機(jī)單獨(dú)供冷：V2，V3 關(guān)閉，V1 打開(kāi)。制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（4）冷機(jī)與釋冷同時(shí)供冷：V4 關(guān)閉，其余閥門(mén)打開(kāi)。冷機(jī)開(kāi)啟，冷凍水泵將經(jīng)過(guò)冷機(jī)的冷凍水與釋冷泵從蓄水罐取的冷水混合后向用戶供冷，再分別流回蓄水罐和冷機(jī)。

（5）邊蓄邊供：V5 關(guān)閉，其余閥門(mén)打開(kāi)。冷機(jī)開(kāi)啟，在冷凍水泵的驅(qū)動(dòng)下，冷機(jī)制取的冷水一路經(jīng)過(guò)V1 和分水器向換熱站供冷，一路經(jīng)過(guò)V2和V4 向蓄水罐蓄冷，兩路高溫水匯合后再回到 冷機(jī)。

以上5 種運(yùn)行模式能夠保證末端用戶的負(fù)荷變化需求，并可優(yōu)化控制使得系統(tǒng)高效運(yùn)行。

圖3 水蓄冷系統(tǒng)

3.2 蓄冷量設(shè)計(jì)

為了保證水蓄冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，蓄冷用于滿足電力高峰時(shí)段的負(fù)荷需求，并適當(dāng)兼顧電力平時(shí)段的負(fù)荷。表4 給出了2018 年和2019 年各制冷月的典型日負(fù)荷情況。

表4 各月代表日負(fù)荷分布情況 萬(wàn)kW·h

其中2019 年8 月9 日是有記錄以來(lái)的最大負(fù)荷日，全天負(fù)荷為71.76 萬(wàn)kW·h，其中高峰負(fù)荷和平時(shí)負(fù)荷分別為25.52 萬(wàn)kW·h 時(shí)和24.75萬(wàn)kW·h。為滿足高峰時(shí)段的蓄冷負(fù)荷（約25.67 萬(wàn)kW·h），并且末端用戶預(yù)期有30%左右的增長(zhǎng)，因此選用35.17 萬(wàn)kW·h 的蓄冷量，需要約 4.5 萬(wàn)m3的有效蓄水量。

3.3 典型日運(yùn)行分析

針對(duì)表4 中給出的典型工作日的負(fù)荷情況，分別選取最大負(fù)荷日、部分負(fù)荷日和小負(fù)荷日，對(duì)水蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

（1）制冷機(jī)組運(yùn)行性能

冷水機(jī)組在蓄冷工況（冷凍水出水溫度4 ℃）和直接供冷工況制冷工況（冷凍水出水5 ℃）下COP 隨冷卻水溫度和負(fù)荷率的變化如圖4 所示。

圖4 制冷機(jī)組運(yùn)行性能

（2）最大負(fù)荷日分析

在最大負(fù)荷日（2019 年8 月9 日）電力高峰時(shí)段總冷負(fù)荷為25.52 萬(wàn)kW·h，系統(tǒng)的最大蓄冷量為35.17 萬(wàn)kW·h，采用蓄冷量?jī)?yōu)先滿足電力高峰時(shí)段負(fù)荷，其次滿足外溫高時(shí)（主要是午后）電力平時(shí)段的負(fù)荷，其他電力平時(shí)段的負(fù)荷用制冷機(jī)組直接供冷，而電力低谷時(shí)段，制冷機(jī)組一方面直接滿足相應(yīng)的冷負(fù)荷，并同時(shí)進(jìn)行蓄冷。最大負(fù)荷日逐時(shí)運(yùn)行情況如圖5 所示。從圖可以看出，由于夜間供冷的同時(shí)進(jìn)行蓄冷，冷量和能耗都比較大，但是由于峰谷電價(jià)，因此運(yùn)行費(fèi)用比原系統(tǒng)有較大幅度的降低。當(dāng)日原系統(tǒng)耗電量為 19.02 萬(wàn)kW·h，電費(fèi)為11.13 萬(wàn)元；而水蓄冷系統(tǒng)耗電量為17.86 萬(wàn)kW·h，電費(fèi)為6.64 萬(wàn)元，分別降低了6.1%和40.4%。耗電量降低主要是由于在夜間進(jìn)行蓄冷時(shí)，室外溫度較白天降低，制冷機(jī)組效率提升所引起，而電費(fèi)的降低主要得益于夜間低谷電價(jià)遠(yuǎn)低于白天高峰電價(jià)。

圖5 最大負(fù)荷日（2019 年8 月9 日）運(yùn)行分析

（3）部分負(fù)荷日分析

在部分負(fù)荷日（如2018 年8 月1 日）的逐時(shí)運(yùn)行情況如圖6 所示。該日電力高峰時(shí)段總冷負(fù)荷為18.00 kW·h，電力平時(shí)段的總冷負(fù)荷為18.69 萬(wàn)kW·h，全天負(fù)荷為42.01 萬(wàn)kW·h。電力高峰時(shí)段與平時(shí)段的總冷負(fù)荷大于總需冷量，因此釋冷供冷仍優(yōu)先滿足電力高峰時(shí)段負(fù)荷，再盡量滿足外溫高時(shí)（主要是午后）電力平時(shí)段的負(fù)荷；而電力低谷時(shí)段的負(fù)荷采用制冷機(jī)組直接供冷，減少蓄冷釋冷過(guò)程的能量損失。

圖6 部分負(fù)荷日（2018 年8 月1 日）運(yùn)行分析

從圖6 中可以看出，與最大負(fù)荷日類(lèi)似，該日全天的大部分冷負(fù)荷都由水蓄冷提供，白天的電力消耗基本都轉(zhuǎn)移到了夜間電力低谷時(shí)段，因此電費(fèi)較原系統(tǒng)明顯降低。該日原系統(tǒng)耗電量為11.13 萬(wàn)kW·h，電費(fèi)為7.48 萬(wàn)元；而水蓄冷系統(tǒng)耗電量為10.08 萬(wàn)kW·h，電費(fèi)為3.71 萬(wàn)元，分別降低了9.4%和50.4%。

（4）最小負(fù)荷日分析

在小負(fù)荷日（如2019 年7 月1 日）的逐時(shí)運(yùn)行情況如圖7 所示。該日電力高峰時(shí)段總冷負(fù)荷為15.17 kW·h，電力平時(shí)段的總冷負(fù)荷為13.52 萬(wàn)kW·h，全 天 負(fù) 荷 為31.41 萬(wàn)kW·h。電力高峰時(shí)段與平時(shí)段的總冷負(fù)荷小于總蓄冷量，因此根據(jù)高峰時(shí)段和平時(shí)段的總冷負(fù)荷 （28.69 萬(wàn)kW·h）確定蓄冷量以滿足電力高峰時(shí)段和平時(shí)段的總負(fù)荷，而電力低谷時(shí)段的負(fù)荷采用制冷機(jī)組直接供冷，減少蓄冷釋冷過(guò)程的能量損失。

從圖7 中可以看出，與前面的分析類(lèi)似，全天的大部分冷負(fù)荷都由水蓄冷提供，白天的電力消耗基本都轉(zhuǎn)移到了夜間電力低谷時(shí)段，因此電費(fèi)較原系統(tǒng)明顯降低。該日原系統(tǒng)耗電量為 8.16 萬(wàn)kW·h，電費(fèi)為5.68 萬(wàn)元；而水蓄冷系統(tǒng)耗電量為7.24 萬(wàn)kW·h，電費(fèi)為2.52 萬(wàn)元，分別降低了11.3%和55.5%。

圖7 小負(fù)荷日（2019 年7 月1 日）運(yùn)行分析

3.4 全年運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)該能源中心的全年供冷需求，對(duì)原系統(tǒng)和水蓄冷系統(tǒng)的全年運(yùn)行情況進(jìn)行了分析，如圖8 所示。

圖8 全年經(jīng)濟(jì)性分析

原系統(tǒng)全年制冷耗電為1 039.8 萬(wàn)元，而改造后的水蓄冷系統(tǒng)供冷耗電僅為本文506.4 萬(wàn)元，電費(fèi)降低了533.4 萬(wàn)元（合51.3%）。以上分析都說(shuō)明通過(guò)水蓄冷系統(tǒng)的改造，可以達(dá)到較好的“削峰填谷”的效果，將白天電力高峰時(shí)段及平時(shí)段的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到夜間電力低谷時(shí)段，一是夜間溫度較白天低，制冷機(jī)組運(yùn)行效率有所提高，二是夜間的低谷電價(jià)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行費(fèi)用的大幅度降低。

4 結(jié)論

（1）由于該能源中心具有足夠的空間，而且用戶端所需供冷溫度與水蓄冷供冷溫度較為匹配，因此采用水蓄冷以獲得更高的制冷機(jī)組運(yùn)行效率。

（2）蓄冷系統(tǒng)可有助于實(shí)現(xiàn)白天電力高峰時(shí)段及平時(shí)段的冷負(fù)荷向夜間低谷時(shí)段轉(zhuǎn)移，夜間溫度低于白天也有助于提升制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率。

（3）從最大負(fù)荷日、部分負(fù)荷日和小負(fù)荷日的逐時(shí)運(yùn)行情況來(lái)看，水蓄冷系統(tǒng)有較好的保證各個(gè)時(shí)段的用冷需求，并具有良好的節(jié)能效果。全年供冷電費(fèi)從1 039.8 萬(wàn)元可降為506.4 萬(wàn)元，降低了51.3%。