大兴机场规划了4条跑道,年旅客量预计7 200万人次。一期工程可满足4 500万人次的使用要求,航站楼总建筑面积约70万m²,综合换乘中心总建筑面积约8万m²,停车楼总建筑面积约25万m²,是重要的国内、国际交通枢纽。

　　 作为超大规模的项目,大兴机场的能源消耗量巨大,因此在建设前期规划、论证、设计阶段应充分考虑其经济性、节能性。而作为大兴机场航站楼能源消耗占比最大的制冷系统,在规划、设计与技术应用中,更应体现绿色环保、经济节能的理念。

　　 制冷站设置于航站楼主体东北侧总输送距离大于3 km的单体建筑,制冷水系统形式与首都机场T3航站楼制冷系统相仿,采用三级泵系统。大兴机场航站楼有6个指廊、1个停车楼。建设方在可行性研究方案的基础上进行了制冷管网水力计算,并根据水力计算结果对供冷管网循环泵的能耗进行了分析。

　　 $\begin{array}{l}{\rm N}{}_0=\frac{\rho Q{\rm H}}{3600\times 102\eta }(1)\\ {\rm N}=\frac{{\rm K}\rho Q{\rm H}}{3600\times 102\eta \eta {}_{\text{m}}}(2)\end{array}$

　　 式(1),(2)中 N₀为水泵所需轴功率,kW;ρ为水在工作温度下的密度,kg/m³;Q为水泵流量,m³/h;H为水泵扬程,m;η为水泵的效率,取0.80;N为电动机功率,kW;K为电动机容量安全系数;η_m为水泵传动的机械效率,取0.98。

　　 根据式(1),(2),不同长度管网干线循环泵能耗计算结果见表1。

　　 由表1可知,供冷管网干线每减少100 m,循环泵小时耗电量约减少115 kW,能耗约减少3%。以首都机场T3航站楼运行数据为基础,全年累计满载等效供冷时间约为1 130 h,冷源位置到负荷中心的距离每增加100 m,年运行费用至少增加13万元。故制冷站应尽量设置在负荷中心区域,以缩短供冷管网最不利干线长度,减少能耗。

　　 在确定制冷系统冷源位置时,建设方明确要求需要综合考虑整体设计的外观、冷源功能性、节能性,因此在前期规划、论证中,确定制冷站位置的原则如下:

　　 1) 靠近负荷中心。有利于减少初投资,降低输送能耗,提高系统效率。

　　 2) 对于有地下空间的建筑,充分利用地下室房间,不影响整体设计美观。

　　 3) 考虑冷却塔设备换热条件及制冷主要设备吊装、维护检修条件。

　　 综合以上原则,利用停车楼东、西两侧不规则区域,在航站楼北侧停车楼东、西侧地下室分两处设置集中制冷站,不仅可以利用行车道作为平时运行维护的运输通道,而且最大限度减少了冷媒输送距离(按照规范要求供冷半径不宜大于1 500 m,大兴机场制冷站位置距最远端中央指廊距离约1 200 m)。制冷站位置靠近负荷中心,较可行性研究报告冷源位置(距航站楼最远端约2.5 km),年节约运行费用约230万元。相应冷却塔紧邻制冷站放置在室外地面开阔区域,冷却水管路由便捷,且引入新风排除热湿气流通畅,同时利用室外空间设置设备吊装孔,便于设备的安装维护。冷源位置如图1所示。

　　 尽管在制冷站位置选择时冷源位置已经靠近负荷中心,但制冷站输送半径已达到1 200 m,整个冷水系统环路总长约2 800 m,如果将服务于各末端区域的多级泵站的输送范围计算在内,输送距离会更长。为了降低系统输送能耗,在设计时考虑降低冷水系统的设计流量,加大冷水系统供回水温差。与常规冷水系统设计供/回水温度为7 ℃/12 ℃的制冷系统不同,大兴机场制冷系统的冷水设计采用4.5 ℃/13.5 ℃大温差运行,降低系统运行流量。由热量计算公式Q=cmΔt(其中Q为吸收或放出的热量,J;c为比热容,J/(kg·℃);m为物体的质量,kg;Δt为吸热或放热后温度的变化量,℃)可知,比热容不变,在冷量一定的条件下,液体质量与温差成反比,而液体质量与流量又呈正比关系,因此,计算可知9 ℃大温差系统较常规5 ℃温差的系统流量更小,可降低输送能耗。

　　 20世纪90年代以来,冰蓄冷、水蓄冷等蓄能技术作为电力需求侧管理的重要手段,已被应用到国内多个制冷工程项目中。由于采用蓄能技术可以较好地平衡电网、移峰填谷、节约运行成本,因此大兴机场制冷工程在设计时考虑采用蓄能技术。为了确定蓄能技术在大兴机场制冷工程项目中是否适用,及哪一种蓄能技术更合理、更经济,需对大兴机场航站楼的负荷特性、蓄能技术的应用条件与经济性作进一步分析。

　　 航站楼冷负荷主要由围护结构负荷、新风负荷、内扰负荷组成。其中,影响围护结构负荷的主要因素与当地室外气象参数、围护结构本身的热工性能等相关;影响新风负荷的主要因素为当地室外气象参数、客流量等;影响内扰负荷的主要因素为客流量等 ^[1]。

　　 由于大兴机场一期建设设计吞吐量为4 500万人次,与首都机场T3航站楼相当,因此根据T3航站楼负荷规模、负荷特性及相关数据进行分析并作为参考。分析首都机场T3航站楼单位空调面积的冷负荷指标构成,其中新风负荷(80.6 W/m²)与室内负荷(51.8 W/m²)所占比例很大,因此,客流量的变化对逐时冷负荷影响较大,如图2所示。

　　 由于客流量的变化对新风负荷、室内负荷的影响显著,调研分析首都机场T3航站楼某年8月逐时旅客吞吐量的统计值。首都机场T3航站楼不同日的客流量系数逐时值分布较为集中,数据代表性较高,根据8月份日均值计算客流量逐时系数,如图3所示。

　　 围护结构负荷采用DeST软件建模计算,得到航站楼围护结构负荷的全年逐时值,如图4所示。

　　 根据新风负荷峰值指标(80.6 W/m²)、室内负荷峰值指标(51.8 W/m²)、典型日气象参数及客流量逐时系数,得到大兴机场航站楼典型日逐时负荷及典型日逐时负荷系数,如图5,6所示。计算得到单位建筑面积的设计冷负荷约为117 W/m²。

　　 根据大兴机场航站楼面积(78万m²)和以上计算数据,综合考虑大兴机场航站楼负荷数据、制冷站位置等因素,可得航站楼典型日逐时冷负荷(见图7)。由图7可知,典型日尖峰冷负荷可达到109 931 kW。

　　 根据航站楼逐时负荷分布、峰谷负荷特性及北京市实行的分时电价政策(见表2,北京市1～10 kV电价峰谷比为3.6∶1,尖峰时段达到4∶1),采用蓄能技术可以平衡电网负荷,同时节省运行成本。

　　 从上述负荷特性、输送距离来看,冰蓄冷、水蓄冷系统都可以满足使用要求。冰蓄冷系统分为内融冰系统和外融冰系统两类,其中内融冰系统较外融冰系统控制相对简单。蓄冰系统蓄冰、融冰的重点在于精细化控制,因此冰蓄冷系统优先选择控制系统相对简单的内融冰系统。

　　 为了进一步选出适合该项目的系统方案,从占地面积、经济性等方面对内融冰系统和水蓄冷系统作进一步分析。

　　 同等蓄能率工况下内融冰系统和水蓄冷系统机房、蓄能设施占地面积如表3所示。

　　 由表3可知,在同等蓄能率工况下,内融冰系统、水蓄冷系统的制冷站、变配电间+控制室占地面积差距不大,但蓄能槽占用的面积相差较大,蓄水池的面积是蓄冰槽的3.5倍。从建筑专业考虑,水蓄冷不仅占用了大量面积,而且体量巨大的蓄水池不宜设置在停车楼。

　　 从系统初投资(设备投资、电力负荷装机投资、土建投资)、运行费用2个方面对内融冰系统、水蓄冷系统、常规制冷系统进行对比分析,表4～6给出了3种系统的主要设备信息。

　　 3种系统的初投资对比如表7所示。

　　 分别计算100%,75%,50%,25%负荷工况下的耗电量及电费,3种系统制冷季的运行费用如表8所示。由表8可知,内融冰系统和水蓄冷系统较常规系统年运行费用分别减少484.78万元和883.32万元。

　　 表9显示了3种系统经济性比较。综上,内融冰系统、水蓄冷系统的占地面积、经济性分析,内融冰蓄冷系统优于水蓄冷系统,从末端需要的供水温度(4.5～5.0 ℃)来看,内融冰蓄冷系统较水蓄冷系统更适用于大温差制冷系统。制冷站设计选择采用内融冰蓄冷系统,较常规电制冷系统不仅减少了制冷及电气设备的装机容量,也可以节约年运行费用480余万元,体现了绿色经济的设计理念。

　　 在制冷站冷却水汇流管路中设置换热器,利用冷凝热对位于停车楼制冷站之间的综合服务楼酒店的生活热水进行预热,降低酒店生活热水的能耗。

　　 大兴机场努力打造海绵机场,在建设中将水资源收集、处理、利用作了统一规划,航站楼设置雨水收集系统,将夏季的雨水收集并输送至制冷站;制冷站设置相应的中水处理装置,对于经过大兴机场净化站污水处理后的中水、航站楼屋面收集的雨水回收利用,作为冷却循环水系统的补水,实现水资源充分利用。

　　 基于冷却水开式系统钢制管材易锈蚀、冷却水系统运行压力小等特性,建设方提出制冷站公称直径DN600以下的冷却水管路选用钢丝网骨架聚乙烯复合管材质,避免管材锈蚀,无需防腐处理,降低了运行维护成本。

　　 大兴机场制冷系统的设计充分体现了其经济性与节能性。在建筑建设前期规划阶段的充分论证是非常必要的,建设方能够前瞻性地将绿色理念融入设计和应用,对于促进节能减排工作的推进及节能技术的应用与发展有着重要的意义。