摘要：针对浦东机场前年夏季部分空调区域出现较热的现象，对空调系统现状进行了调查，分析造成这一现象的原因。对发现的水力失调等问题进行了相应的整改。整改后的流量分配趋于合理，室内温度基本满足了要求。
Analysis and Improvement of Air Conditioning Systems Failure in Pudong International Airport
Yang Wei , Yu Lingyan and Liu Chuan-ju
（Department of Thermal Energy Engineering, Tongji University）
Abstract: The indoor air temperature of some region in Pudong International Airport is much higher in summer. The present situation of air conditioning systems was investigated, the existing problems were analyzed. Some problems like maladjustment were solved correspondingly. After regulation, the water distribution was improved and the indoor air temperature meets the demand.
Keywords: hydraulic balance, heat exchanger, by-pass, regulation
1 系统简介
上海浦东国际机场是我国最重要的交通枢纽之一。近年来随着客流量的逐渐增加，2004
年已经达到了设计客流量2000万人次。航站楼内的全部空调总冷、热源由能源中心提供，采用集中供热、供冷（DHC）的方式。其航站楼由三部分组成：主楼、长廊和连接廊。整个航站楼内部设9个热交换站。其中，主楼地下室设4个换热站，登机长廊设5个换热站。每个换热站内有2台循环板式换热器（简称循环板换）和2台新风板式换热器（简称新风板换）。
图1 换热站系统图
整个系统由换热器分为两个环路：一次侧（一次环路冷源侧）和二次侧（二次环路输配侧）。供冷季节冷源侧由能源中心提供设计温度为5℃的空调冷冻水，设计回水温度12℃。输配侧新风板换的设计二次供回水温度分别为7℃、13℃，循环板换的设计二次供回水温度为8℃、14℃。
2 空调水系统现状调查
浦东国际机场自1999年投入使用以来，客流量逐年增加并逐步接近设计客流量。在2004
年高温季节主楼室内温度基本满足要求，但长廊部分空调区域的室内温度过高，达到了28℃以上,超过了设计值25℃。
针对长廊部分空调区域的室内温度过高的现象，对空调的水系统进行了初步调查，水量分配和水温情况见下表[1,2]：
表1 航站楼一次水流量
| 总干管 | 主楼干管 | 长廊干管 | |
| 实测流量(m3/h) | 6250 | 3533.1 | 2716.9 |
| 设计流量(m3/h) | 6998 | 3112 | 3886 |
| 实测值/设计值 | 0.89 | 1.14 | 0.7 |
表2 长廊换热站一次水流量
| 设计流量(m3/h) | 实测流量(m3/h) | 实测值/设计值 | |
| 1号换热站 | 796 | 346 | 0.43 |
| 2号换热站 | 560 | － | － |
| 3号换热站 | 1158 | 563 | 0.49 |
| 4号换热站 | 630 | 281 | 0.45 |
| 5号换热站 | 742 | 280 | 0.38 |
表3 长廊换热站二次水流量
| 设计流量(m3/h) | 实测流量(m3/h) | 实测值/设计值 | |
| 1号换热站 | 940 | 816 | 0.87 |
| 2号换热站 | 660 | － | － |
| 3号换热站 | 1360 | 1736 | 1.28 |
| 4号换热站 | 740 | 1142 | 1.54 |
| 5号换热站 | 880 | 1038 | 1.18 |
表4 3号换热站水温
| 新风板换1 | 新风板换2 | 循环板换1 | 循环板换2 | 平均值 | |
| 一次水进水温度(℃) | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 |
| 一次水出水温度(℃) | 10.5 | 10.4 | 10.0 | 9.9 | 10.2 |
| 二次水进水温度(℃) | 11.4 | 11.5 | 10.5 | 11 | 11.1 |
| 二次水出水温度(℃) | 7.8 | 7.7 | 7.9 | 8.1 | 7.9 |
注：①表1是三台水泵全开的运行工况。
②表2为正常情况下的两台水泵运行工况。
③表3中“－”是因为2号换热站没有合适的一次水流量测量位置。
④由于换热站较多，而各个换热站水温情况相似。故仅以较热区域所对应的3号换热站为例。
主楼和长廊以及各个换热站之间都存在水力失调的现象，主楼的一次侧水量偏大，长廊的一次侧水量偏小，见表1-4。同时，换热站的二次侧水量超过了设计流量，导致一次侧提供的冷量不足以满足二次侧的需求，造成二次侧的温差偏小。由表4可以看出，3号换热站的一、二次侧平均温差为4.7℃和3.2℃，低于设计值7℃和6℃。
3 系统诊断与分析
3.1 管网结构不合理
表5 长廊换热站新风板换和循环板换二次水量
| 换热站 | 新风板换(2台) | 循环板换(2台) | ||
| 设计流量(m3/h) | 实测流量(m3/h) | 设计流量(m3/h) | 实测流量(m3/h) | |
| 1号 | 400 | 396 | 540 | 420 |
| 2号 | 280 | 324 | 380 | 344 |
| 3号 | 640 | 1090 | 680 | 646 |
| 4号 | 340 | 768 | 400 | 374 |
| 5号 | 360 | 694 | 520 | 344 |
| 合计 | 2020 | 3272 | 2520 | 2128 |
| 实测/设计 | 3272/2020=1.62 | 2128/2520=0.84 | ||
| 总：实测/设计 | 5400/4540=1.20 | |||
由表5可知，新风板换的二次水实测流量为设计流量的162％，循环板换二次水实测流量为设计流量的84％。通过调查，新风板换和循环板换的二次供回水管是连通的。由于新风板换和循环板换二次供水管的连通，使得管网的阻力系数变小，导致二次侧流量偏大。如图2所示，原有的二次水供水管网的阻力系数为S1，对应二次侧的水流量为Q1。但由于旁通管的介入，管网的阻力系数减小为S2，水流量相应增加到Q2，加剧了二次侧供回水温差小的事实。同时，新风板换和循环板换之间由于旁通管的连通使得循环板换的二次水量不足，其所提供的冷量不能满足要求，造成部分区域较热。
图2 二次水流量增大原理图
新风板换和循环板换的二次供回水的连通管关闭后，温差有所加大，二次水的平均温差由2.8℃提高到5.5℃。
3.2 板式换热器传热量小于设计值
对于逆流换热而言，如果冷流体的热容效率
时，最大可能的供冷量为：
实际供冷量为：
式中：
—流体质量流量，kg/s;
—流体比热容，kJ/(kg·K);
—冷、热流体中热容效率较小者，kJ/(s·K);
、
—冷流体进、出口温度，K；
、
—热流体进、出口温度，K。
图3 换热器换热原理图
板换面积不足或一次侧流量较小导致二次侧得到的冷量少，这也可能是导致部分区域过热的一个原因。由于长廊较热区域对应的是3号换热站，这里仅以3号换热站为例进行板换供冷能力分析。
对3号换热站进行测试，测试过程中关闭两台新风板换一二次侧的进出水阀门，同时关闭1号循环板换的一次进出水阀门，对2号循环板换进行供冷能力分析。2号循环板换调试前后的水温情况见下表：
表6 调试前后2号循环板换水温
| 一次进水温度(℃) | 一次出水温度(℃) | 二次进水温度(℃) | 二次出水温度(℃) | 一次侧水量(m3/h) | 二次侧水量(m3/h) | |
| 调试前 | 5.5 | 9.9 | 11 | 8.1 | 218 | 323 |
| 调试后 | 7 | 10.8 | 12.5 | 9 | 284 | 295 |
需要说明的是，这里的“调试”是指切断了二次侧的旁通管，关闭1、2号新风板换和1号循环板换的一次进出水管阀门。由表6可知，调试前一次侧实际供冷量为1119.1 kW，二次侧得到的冷量为1092.8 kW。调试后一次侧实际供冷量为1259.1 kW，二次侧得到的冷量为1204.6 kW。调试后实际供冷能力提高了12.5％，二次侧实际得到的冷量增大了10.2％。
调试后增加了2号循环板换的一次侧水量，一次侧的实际供冷能力和二次侧得到的冷量都有所增加而且比例相近。所以板换的换热面积满足要求。由于调试前一次侧提供的冷量并不能满足二次侧对冷量的需求，所以导致了二次侧供回水温差偏小和对应区域室温偏高。调试后增加了一次侧水量，一次侧供冷能力增加，二次侧供回水温差加大，二次侧得到的冷量相应增加，满足了要求。同时这也说明，换热器换热效果是建立在一次侧流量满足要求的基础上的。因此一次侧流量的合理分配也显得格外重要。
3.3 水力失调问题
任何负荷下，一次环路可提供的冷量至少应等于所需冷量，可以用以下形式表达[3]:
可供（
）≥所需（
）
如果不考虑换热器的散热损失，一次侧冷量应等于二次侧的冷量。如果一次侧的水量不能提供足够的冷量给二次环路，二次环路的温降就会减小，室内温度也会因为冷量不足而偏高。然而，在实际运行过程中，由于管网中存在着水力失调的现象，靠近冷源的用户得到的冷水量较大，而远离冷源的用户得到的冷水量相对较少。这样由于水力失调的原因，末端用户一次侧水量就不能满足要求，提供的冷量偏小，造成二次侧及室内温度出现了问题。
由表1和表2可以看出，总干管流量为设计值的89％时，主楼的一次流量已经达到了设计值的114％。长廊各换热站实测流量和设计流量有很大差距，一次侧流量是设计流量的43％左右。而且各个换热站之间也存在不平衡的现象，1号、3号、4号和5号换热站一次水的设计流量比例为1：1.45：0.79：0.93（由于2号换热站没有合适的测量位置，所以未能测到其一次水流量），而实测流量的比例为1：1.63：0.81：0.81。同时，主楼总管和长廊总管一次水流量的设计值之比为1：1.25，实测值之比为1：0.77。由于主楼和长廊一次侧水流量的不平衡，导致长廊分配到的水流量较少，进入各个换热站的流量自然不能满足要求并且存在分配不均的现象，这也就导致了长廊部分区域较热。
考虑到阀门特性不一定是线性的，同时为了避免主楼发生事故顾此失彼，在主楼正常运行的情况下对长廊换热站及总干管进行调试。把冷水量多的转移到冷水量不足的地方，使之合理分配。对于需要调试处（如换热站一次供水管、主楼和长廊的总干管）的阀门先摸清总开度（开关的总圈数），然后逐步进行调试。第一次先开启或关闭较少的圈数(首次调整阀门总圈数的5％，以后每次视调试后的效果而定)，调试后观察一两天，在主楼室内温度不高于26℃的情况下，逐步调节使得各个换热站以及主楼和长廊总干管之间的流量分配更加接近设计要求。
表7 调试前后主楼、长廊流量分配比例
| 设计值 | 调试前 | 调试后 | ||||
| 流量(m3/h) | 百分比 | 流量(m3/h) | 百分比 | 流量(m3/h) | 百分比 | |
| 主楼 | 3112 | 44.5％ | 3533 | 56.5％ | 2426 | 47.5％ |
| 长廊 | 3886 | 55.5％ | 2716 | 43.5％ | 2676 | 52.5％ |
表8 航站楼一次水总管调试前后供回水温差
| 调试前 | 调试后 | ||||||
| 测量次数 | 1 2 | 1 2 3 4 5 | |||||
| 供水温度(℃) | 6.0 | 5.6 | 4.99 | 6.03 | 6.18 | 5.67 | 5.0 |
| 回水温度(℃) | 9.8 | 9.9 | 10.05 | 10.84 | 11.07 | 10.73 | 10.27 |
| 供回水温差(℃) | 3.8 | 4.3 | 5.06 | 4.81 | 4.89 | 5.06 | 5.27 |
由表8和表9可知，调试后主楼和长廊之间流量的分配更加接近设计比例更加合理，，一次侧供回水平均温差由4.05℃上升到5.02℃，提高了一次侧的供冷能力，能更好的满足二次侧对冷量的需求。同时回水温度的上升也有助于冷冻机的开启，可以充分发挥冷冻站的供冷能力。
3.4 调试前后长廊室内温度比较
浦东机场空调区域室内设计温度为25℃,调试前室内温度普遍较高,部分区域超过了28℃,造成过热现象。通过调试前后长廊12m层的室内温度的比较可以看出，调试后明显改善了室内温度状况，80％的区域温度都低于26℃，最高也不超过27℃，解决了系统原来存在的部分区域供冷量不足的问题。同时，主楼调试前后室内温度变化不大，低于温度26℃，满足室内条件的要求。
图4 调试前室内温度分布比例图 图5 调试后室内温度分布比例图
4 结束语
通过对浦东国际机场空调系统的现状调查，发现由于一、二次侧的水力失调导致了部分区域较热。通过调试使得主楼和长廊以及各个换热站之间的流量分配更加合理，一次侧供回水温差相应提高了1℃，这样更加有利于发挥一次侧的供冷能力，也更加有利于冷冻机的开启，为能源中心的合理运行提供了有利条件。
空调的水系统是一个动态的过程，管网中水力失调的现象不可避免，所以要加强对整个管网的监测，在关键位置要配置流量计、压力表、温度计以及调节阀等，必要的时候通过阀门的调节把距离冷源近的用户的冷量转移到远端。同时对关键部位的阀门特性要有一个清楚的认识，调节的时候不要盲目的执行，以免出现不必要的事故，调试要逐步进行，这样才不会顾此失彼。平时的运行记录要备案，及时发现问题及时解决，这样才有助于空调系统合理经济的运行。
参考文献
[1] 刘传聚.《航站楼空调系统评估与改善》项目研究成果报告（第一阶段）[R].2005
[2] 刘传聚，于凌燕，杨伟.上海浦东国际机场航站楼空调评估与改善[C].天津：首届中国制冷空调工程节能应用新技术研讨会论文集.2006,44-48
[3] Robert Petitjean等著，郎四维，冯铁栓译.水力管网全面平衡技术[M].北京：中国建筑工业出版社,1992
作者简介：杨伟(1982－)，男，在读硕士研究生
通风设备网：http://www.tfsb.net