机场航站楼空调输配管网水力平衡及控制集成系统应用研究

0引言

大型机场航站楼作为地上高大空间交通建筑的典型形式,其空调系统规模庞大,连续运行时间长,空调能耗占航站楼总能耗比重大。 如何保障空调系统正常稳定运行,同时减少运行能耗是航站楼空调系统精细化管理所面临的重要任务。 目前,空调水系统普遍存在大流量、小温差的运行问题,虽然能源站制冷主机的COP值、水泵的效率、末端设备的换热效率不断提高,但系统的整体能耗仍然没有改善,其主要原因是系统的输送能效过高。若能实现航站楼输配管网数据信息的透明化并实时优化输配系统运行,则可有效提高空调系统整体的可控性并更大程度地实现节能运行。

传统输配管网平衡及控制方案的典型布置如图1所示。该方案采用静态平衡阀、动态压差平衡阀(压差控制器)、电动调节阀的组合方式,在风机盘管环路设置动态压差平衡阀和静态平衡阀,在末端处设置电动调节阀、静态平衡阀和动态压差平衡阀。通过动态压差平衡阀控制环路压差并优化电动调节阀的阀权度,静态平衡阀辅助动态压差平衡阀进行环路压差设定,电动调节阀控制室内温度的舒适程度^[1]。

传统方案的不足表现在:

1)缺乏基准。输配系统的控制目标值确定困难,在本项目水系统中,节点、支路数量较多,对于合理的控制目标值计算困难,无法检验是否达到系统最佳状态。

2)粗放控制和管理。系统的理论设计值和实际运行值偏差大,没有有效措施消除偏差。由于缺乏管网系统的运行数据,运维管理人员无法直观了解和评估管网的运行状态,只能从设备的运行状态来侧面评判管网内是否存在水力失调、管网堵塞、工作异常等问题。

3)缺乏运行数据支撑。由于没有水系统的运行数据,无法进行问题诊断和分析,控制策略的优化无从谈起。

1 输配管网水力平衡及控制集成系统

某机场新建T3A航站楼总建筑面积530 000 m²,设计容量4500万人次。为了解决传统平衡及控制方式存在的不足和问题,本文提出了一种全新的输配管网水力平衡及控制集成系统,该系统通过在AHU、风机盘管环路安装智慧阀门^[2—3]并实现阀门联网,实时采集输配管网系统的运行参数,经平衡及控制集成系统优化分析后,结合变频水泵,实现泵阀一体化自适应变频调节,完成输配系统的水力平衡优化和变频节能控制,从而实现空调系统能源站、输配管网、空调末端整体数据链的连贯性和可控性。

为了验证输配管网水力平衡及控制集成系统相比传统方式的优越性,对该机场运行多年的T2航站楼某AHU空调末端进行了改造,并对改造前后的实测数据进行对比分析。

1.1 集成系统架构

集成系统架构如图2所示。智慧阀门设置于AHU 及风机盘管环路的回水管处,对末端进行流量平衡、压差平衡、负荷调节和数据采集。智慧阀门自带控制器,与BMS控制系统联网,完成数据采集及控制指令传输。BMS控制系统通过总线与平衡及控制管控平台构成完整的控制系统^[4]。平衡及控制管控平台的管 网数据(流量、压力、温度等)通过OPC接口与楼控管理工作站、能量监控工作站实现数据共享。

1.2 集成系统功能

1.2.1管网数据透明化

智慧阀门自带传感器对输配管网各项状态参数 (流量、温度、压力)、阀门参数(调节阀位、平衡阀位)、阀门工作状态进行实时监测;阀门上的智能控制器对数据进行运算和判断,并将参数通过网络总线上传至平衡及控制集成系统,如图3所示,管理人员能直观地了解所有末端设备和输配管网的水力实时运行状态。

1.2.2末端水力平衡及控制

由于空调末端盘管的换热特性,当调节阀为等百分比调节特性时,可实现热量输出的最佳控制效果^[5]。智慧阀门接收由上位平台发来的各种控制指令,经过智慧阀内部预设系统的运算,最终输出合适的控制命令,确保管网被控节点的运行参数能够精准地保持在指令所要求的控制期望值,实现在系统动态水力平衡基础上的最优室内温度控制。

1.2.3输送能效比优化

航站楼空调输配管网作用半径大,输送距离长,循环水泵的运行能耗高,通过联网智慧阀门并结合能源站变频水泵,可实现泵阀一体化控制,有效降低水泵的耗能,提高空调水系统的输送能效比。

为优化输送能效,采取如图4所示泵阀一体化控制优化策略,系统实时统计各环路智慧阀门的开度,定义当前最大开度的环路为最不利环路,若该环路上的智慧阀门处于非全开状态,则说明管网有降频节能空间。水泵频率降低过程中,最不利环路及各有利环路上的智慧阀门为了保证目标流量,会自适应地增大开度,直至最不利环路智慧阀门达到全开状态,水泵降频调节停止。

1.2.4平衡及控制管控平台

如图5所示,平衡及控制管控平台可实现航站楼输配管网水力运行数据实时监测、平衡调度及控制、 流量控制精度评估、泵阀一体化控制及能耗数据统计,确保空调输配管网系统节能、高效运行。

2不同平衡控制方式的对比

为了验证输配管网水力平衡及控制集成系统相比传统方式的优越性,对该机场T2航站楼某AHU空调末端进行了改造,并对改造前后的实测数据进行对比分析。

改造前,AHU采用传统平衡及控制方式,静态平衡阀安装于供水管,压差控制器、电动调节阀安装于回水管,利用专业平衡调试仪表测量环路流量值及监测点P1~P4的压力值。

改造后,用智慧阀门替换原压差控制器,同时将电动调节阀及其旁通阀全部打开,在测试过程中保持100%的开度,使原电动调节阀环路等效为一段管路,利用智慧阀门测量环路流量及P7、P8 的压力值,利用专业平衡调试仪表测量P5、P6的压力值。

改造前后的原理图如图6所示。

2.1 动态平衡功能对比

通过人为调节供水管处手动阀的开度,产生系统压差扰动,分别测量电动调节阀控制信号保持100%及60%开度不变条件下,扰动前后的环路流量值。测量数据如表1、表2所示。

由表1、表2可得出:改造前,当供水管手动阀门从40%开至100%,环路供水资用压力增大33%,压力扰动产生的环路流量偏差分别为20.4%和20.5%;改造后,同样工况下,压力扰动产生的环路流量偏差分 别为0.2%和2.3%。

2.2 等百分比调节特性对比

保持供回水手动阀全开,通过给定电动调节阀和智慧阀门不同的开度信号值,记录空调末端环路流量,拟合后的阀门调节特性曲线,如图7所示。

由图7可得出:改造前,控制信号从10%~100%变化过程中,流量变化的趋势不是等百分比特性,调节阀的阀权度变小,流量控制精度差,进而导致温度控制效果变差;改造后,流量变化的趋势符合等百分比特性,流量、温度控制精度高。

2.3输配能耗对比

智慧阀门的原理与传统机械式平衡阀有所不同,是压力无关型的,设有流量传感器,可将实时测得的流量与设定流量作比较,结果反馈给电动执行器,快速响应调节阀门的开度。当管网压力波动时,压力无关型阀门可以在更短的时间内更精确地调节流量。在满足末端流量分配的前提下,系统阻力越低,所需的水泵扬程越低,则系统的能耗越低。以管网所达到最大流量时所需要的最小资用压头作为对比依据,分别测量改造前、后最大流量下的末端输配管网的最小资用压头(P2—P4)和(P6—P8)。

根据表3对比测试数据可得出:集成方案所需的最小资用压头小,利用水泵变频等措施,单点输配节 能率达49.7%。

3结论

为了解决机场航站楼高大空间交通建筑空调管网系统实际运行中存在的问题和不足,可应用空调输配管网水力平衡及控制集成系统替代传统管网平衡及控制设备,应用联网型智慧阀门并结合平衡及控制集成系统,提供输配管网运行数据的实时监测与集中控制功能,实现空调系统从能源站、输配管网到空调末端设备整体数据链的完整性。针对某机场T2航站楼AHU的改造和实测数据对比分析,验证了该集成系统的有效性和优越性。应用空调输配管网水力平衡及控制集成系统,可提高管网系统的水力平衡度,进一步优化空调末端的控制效果,并有效降低管网系统的输配能耗和调试维护难度。

[参考文献]

[1]王晓松.变流量系统全面水力平衡的核心:关键点定压差技术[J].暖通空调,2007(7):120-124.

[2]方飞龙,杨笑梅,汤中彩,等.智慧阀门在石化企业循环冷却水节能中的应用 [J].工业仪表与 自动化装置,2014(3):106—109.

[3]沈新荣,郁辉球,石磊.智能流量平衡解决方案[J].智能建筑与城市信息,2007(8):111—115.

[4]魏立明.智能建筑系统集成与控制技术[M].北京:化学工业出版社,2011.

[5]黄奕法,张玲,陈光明.空调水系统末端水力平衡措施对电动调节阀工作特性的影响 [J].暖通空调,2008 (7): 58—62.

《机电信息》2024年第17期第10篇