江 浩

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司 上海市智能電網(wǎng)需求響應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200063]

0 引 言

隨著民用運(yùn)輸機(jī)場的數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大,機(jī)場能耗總量也在持續(xù)增長,綠色、低碳、節(jié)能是民航業(yè)實(shí)施“雙碳”目標(biāo)的必然途經(jīng)。自進(jìn)入21世紀(jì)以來,我國民用運(yùn)輸機(jī)場建設(shè)規(guī)模和數(shù)量持續(xù)快速增長。據(jù)民航局《2021年全國民用運(yùn)輸機(jī)場生產(chǎn)統(tǒng)計公報》發(fā)布的數(shù)據(jù)來看,2021年我國境內(nèi)運(yùn)輸機(jī)場共有248個,完成旅客吞吐量超9億人次、貨郵吞吐量1 782.8萬噸、飛機(jī)起降977.7萬架次,較上年分別增長5.9%、10.9%、8.0%,基本恢復(fù)到2019年疫情前的水平,且保持較高的增長勢頭。根據(jù)中國民航局發(fā)布的《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》,預(yù)計到2025年,我國民用運(yùn)輸機(jī)場數(shù)量將達(dá)到270個以上,比“十三五”末期增加30個以上,旅客運(yùn)輸量達(dá)9.3億人次以上。

2019年,民航局發(fā)布《民用機(jī)場智慧能源管理系統(tǒng)建設(shè)指南》[1]。該指南明確了機(jī)場智慧能源管理系統(tǒng)的定義、構(gòu)成、總體架構(gòu)、各子系統(tǒng)的功能劃分、功能設(shè)計、要求等,并結(jié)合安全、管理、評價等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。對此本文在上述背景下開展了相關(guān)的架構(gòu)設(shè)計和功能設(shè)計。

1 機(jī)場能源管理系統(tǒng)的發(fā)展過程

國內(nèi)民用運(yùn)輸機(jī)場從十年前就已經(jīng)開始進(jìn)行能源管理系統(tǒng)的設(shè)計探索,隨著智能化硬件工具的不斷完善,其功能架構(gòu)也逐漸豐富,主要經(jīng)歷了四代發(fā)展形式:

(1) 能耗采集系統(tǒng)。系統(tǒng)針對用能側(cè)末端能耗進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、報表生成。對機(jī)場水、電、氣進(jìn)行遠(yuǎn)程集抄及數(shù)據(jù)展示,進(jìn)而直觀地展示設(shè)備、系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。系統(tǒng)力求大部分能耗數(shù)據(jù)應(yīng)收盡收,稱為第一代能源管理系統(tǒng)。

(2) 能耗管理系統(tǒng)。系統(tǒng)針對用能側(cè)在采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值分析,參照數(shù)據(jù)的變化趨勢針對建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)給出節(jié)能建議。同時對各種能源的使用情況、系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行集中監(jiān)視、控制和管理,為管理提供依據(jù),稱為第二代能源管理系統(tǒng)。

(3) 能源管理系統(tǒng)。在能耗管理的基礎(chǔ)上,增加源、網(wǎng)、儲的數(shù)據(jù)采集,將所有能源監(jiān)測工具集中納入到一個整體的管理范圍內(nèi),稱為第三代能源管理系統(tǒng)。

(4) 智慧能源管理系統(tǒng)。在能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用信息化、智能化、算法技術(shù)對機(jī)場能源系統(tǒng)的供能和用能進(jìn)行多種能源匹配和智慧調(diào)控,以提升機(jī)場能源系統(tǒng)運(yùn)行水平、控制水平和管理水平,降低機(jī)場能源系統(tǒng)運(yùn)行成本的管理系統(tǒng),稱為第四代能源管理系統(tǒng)。

2 機(jī)場智慧能源管理系統(tǒng)的功能組成架構(gòu)

近幾年來,國內(nèi)一些樞紐民用運(yùn)輸機(jī)場開始建設(shè)機(jī)場智慧能源管理系統(tǒng)。對此本文以華東地區(qū)某樞紐國際機(jī)場為例,從2021年起建設(shè)智慧能源管控平臺。機(jī)場智慧能源管控平臺總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 機(jī)場智慧能源管控平臺總體架構(gòu)圖

由圖1當(dāng)中,機(jī)場智慧能源管控平臺分為邊緣層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和展示層。

邊緣層通過供能側(cè)和用能側(cè)子系統(tǒng)的傳感器硬件實(shí)時地獲取設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù),并將其接入至管控平臺作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

傳輸層通過機(jī)場內(nèi)各無線局域網(wǎng)、無線傳輸硬件等數(shù)據(jù)交互硬件進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)同步,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時共享。

數(shù)據(jù)層即應(yīng)用數(shù)據(jù)庫,用來存儲各種數(shù)據(jù)和設(shè)備臺帳信息、用戶信息等。還可以通過作業(yè)的形式定時對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)表計小時用量、日用量和月用量的后臺自動運(yùn)算,為應(yīng)用層和展示層提供數(shù)據(jù)源。

應(yīng)用層通過支撐工具實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的信息監(jiān)控、性能分析、計量結(jié)算、負(fù)荷預(yù)測、能源優(yōu)化等功能,是智慧能源管控平臺的核心。

展示層為機(jī)場能源保障部門提供整體數(shù)據(jù)展示,并且在應(yīng)用層的數(shù)據(jù)分析后,依據(jù)實(shí)際情況為用戶管理決策提供決策依據(jù)。

3 機(jī)場智慧能源管理系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)

航站樓的能耗主要包括橋載、照明、暖通空調(diào)能耗。其中,暖通空調(diào)系統(tǒng)大約占機(jī)場總能耗的40%～60%,占航站樓總電量的35%左右[2]。根據(jù)華東地區(qū)某樞紐國際機(jī)場智慧能源管理系統(tǒng)2021年整年度的統(tǒng)計,其T1+T2兩個航站樓,暖通空調(diào)系統(tǒng)電耗占比為24.01%。因此針對航站樓暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能研究,對降低能耗,減少溫室氣體排放有著非常重要的作用。因此本文在智慧能源管控平臺各項數(shù)據(jù)和功能的基礎(chǔ)上,探討了基于物理模型的空調(diào)末端優(yōu)化方案和基于負(fù)荷預(yù)測的冷熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控方案。

3.1 基于物理模型的空調(diào)末端優(yōu)化方案

在航站樓建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)針對空調(diào)末端風(fēng)機(jī)、水閥的設(shè)計要求中,一般的控制方式為:當(dāng)風(fēng)量>50%時,根據(jù)回風(fēng)溫度控制風(fēng)機(jī)頻率,同時根據(jù)送風(fēng)溫度控制水閥開度;當(dāng)風(fēng)量<50%時,依據(jù)回風(fēng)溫度控制水閥開度,同時根據(jù)送風(fēng)靜壓設(shè)定值調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率[3],這是控制設(shè)計的基礎(chǔ)原則。

由于智慧能源管控平臺能夠周期性地同步建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的各項現(xiàn)場數(shù)據(jù),通過應(yīng)用層機(jī)理建模和優(yōu)化計算運(yùn)行目標(biāo)參數(shù),將計算結(jié)果送回建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng),進(jìn)而對風(fēng)機(jī)和水泵進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)能耗最小。設(shè)計方案控制周期的基本過程如下:

(1) 根據(jù)建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)收集系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù);

(2) 基于上述數(shù)據(jù)獲得下一時刻各備注區(qū)域空調(diào)負(fù)荷預(yù)測值;

(3) 根據(jù)空調(diào)負(fù)荷預(yù)測值,利用平臺建立的空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)水聯(lián)動優(yōu)化模型,得到各空調(diào)系統(tǒng)(AHU)送風(fēng)溫度優(yōu)化值;

(4) 將這些變頻AHU送風(fēng)溫度優(yōu)化值建立新的優(yōu)化數(shù)據(jù)表,建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)AHU送風(fēng)溫度優(yōu)化值以及回風(fēng)值對風(fēng)機(jī)及水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,實(shí)現(xiàn)一個控制周期內(nèi)的系統(tǒng)全局優(yōu)化節(jié)能[4]。

一個周期一般為20～30 min,節(jié)能優(yōu)化方案流程示意圖如圖2所示。

圖2 節(jié)能優(yōu)化方案流程示意圖

管控平臺從建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中可以獲得如下參數(shù):① AHU風(fēng)機(jī)頻率;② AHU新風(fēng)閥開度;③ AHU回風(fēng)閥開度;④ AHU水閥開度;⑤ 環(huán)境溫度;⑥ 環(huán)境濕度;⑦ AHU回風(fēng)溫度;⑧ 室內(nèi)溫度;⑨ 室內(nèi)濕度;⑩ AHU送風(fēng)溫度;風(fēng)管靜壓。

航站樓空調(diào)系統(tǒng)分為冷源子系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng),子系統(tǒng)之間以蓄冷水池作為中介。并且依據(jù)制冷原理進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),蓄冷水池之間的兩個系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,導(dǎo)致耦合性很低[5]。因此本方案對空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的制冷工況下的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化,首先擬合空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、水泵、換熱器模型,根據(jù)各擬合的模型建立整個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并通過優(yōu)化算法,對能耗模型尋優(yōu),求解出空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)最節(jié)能情況下,每個AHU對應(yīng)的優(yōu)化送風(fēng)溫度。然后將各AHU優(yōu)化送風(fēng)溫度送至建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)根據(jù)各AHU優(yōu)化送風(fēng)溫度對各AHU風(fēng)機(jī)和水閥進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。優(yōu)化后的運(yùn)行參數(shù)將使空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)能在保證航站樓熱舒適度不變的前提下,降低系統(tǒng)能耗。

AHU風(fēng)機(jī)能耗模型可以表示為風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率ffan和AHU送風(fēng)靜壓Ps,a的函數(shù),由于AHU新風(fēng)閥開度knew,a和回風(fēng)閥開度kreturn,a對風(fēng)管阻力特性也有一定影響,故函數(shù)可表示為

NAHU=F(ffan,Ps,a,knew,a,kreturn,a)

(1)

式中:NAHU——AHU風(fēng)機(jī)能耗模型。

冷凍水泵能耗模型可以表示為

Npump=F(Gw,P1,P2)

(2)

式中:Gw——水流量;

P1——水泵回水管壓力;

P2——水泵出水管壓力。

AHU表面換熱器模型輸入、輸出參數(shù)示意圖如圖3所示。

圖3 AHU表面換熱器模型輸入、輸出參數(shù)示意圖

物理結(jié)構(gòu)參數(shù)可根據(jù)設(shè)備供應(yīng)商提供的隨機(jī)資料獲得。風(fēng)側(cè)換熱系統(tǒng)取75 W/m2·℃,水側(cè)換熱系統(tǒng)取500 W/m2·℃。

進(jìn)風(fēng)溫度ta,E和進(jìn)風(fēng)濕度da,E由新風(fēng)溫度、新風(fēng)濕度、回風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度以及新風(fēng)閥門開度和回風(fēng)閥門開度計算得到;進(jìn)水溫度tw,E可根據(jù)供水溫度和管道熱損失產(chǎn)生的溫升得到。風(fēng)量Ga和水量Gw是優(yōu)化過程參數(shù),這兩個參數(shù)不僅和系統(tǒng)能耗直接關(guān)聯(lián),而且和優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)送風(fēng)溫度及空調(diào)負(fù)荷有直接的耦合關(guān)系。具體而言,水量Gw直接影響送風(fēng)溫度,而送風(fēng)溫度和空調(diào)負(fù)荷又直接決定風(fēng)量Ga。因此,各AHU風(fēng)量Ga和各AHU換熱器水量Gw是優(yōu)化過程參數(shù),在每一步優(yōu)化過程中都可以根據(jù)耦合關(guān)系計算得到。在每個周期過程中:

(1) 通過現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)獲得系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù),包括各AHU風(fēng)機(jī)頻率(用于估算風(fēng)機(jī)風(fēng)量)、送風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度和濕度、新風(fēng)溫度和濕度、新風(fēng)閥門開度、回風(fēng)閥門開度;

(2) 利用以上數(shù)據(jù)進(jìn)行各AHU空調(diào)負(fù)荷預(yù)測。采用備注模型預(yù)測下一時刻各AHU分區(qū)的空調(diào)負(fù)荷Q;

(3) 利用生物進(jìn)化優(yōu)化算法得到AHU送風(fēng)溫度優(yōu)化設(shè)定工況;

(4) 將各AHU送風(fēng)溫度的優(yōu)化設(shè)定值傳給建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能控制。

根據(jù)模擬分析,在60%額定負(fù)荷情況下,與固定送風(fēng)溫度18 ℃比較,本優(yōu)化方案的節(jié)能率在5%以上;而在80%額定負(fù)荷情況下,與固定送風(fēng)溫度18 ℃比較,本優(yōu)化方案的節(jié)能率在10%以上。

3.2 基于負(fù)荷預(yù)測的冷熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控方案

以華東地區(qū)某樞紐國際機(jī)場A航站樓冷源為例,其能源中心由5臺離心式冷水機(jī)組組成。其中3臺為1 100 RTh,另2臺為550 RTh。3臺1 100 RTh冷水機(jī)組對應(yīng)4臺一級泵(其中1臺備用),2臺550 RTh冷水機(jī)組對應(yīng)3臺一級泵(其中1臺備用)。在運(yùn)行中采取一機(jī)對一泵的起停策略,一級泵定頻運(yùn)行。

機(jī)場智慧能源管控平臺由于接入了能源中心冷熱源系統(tǒng),管控平臺可以實(shí)時讀取冷站供冷量、能耗、冷水機(jī)組供回水溫度、流量、氣象參數(shù)等監(jiān)測信息。對于冷負(fù)荷預(yù)測模型的建立,主要通過歷史負(fù)荷數(shù)據(jù),綜合考慮天氣、節(jié)日、重大活動等因素,利用基于氣象因子匹配及相似日校準(zhǔn)的負(fù)荷預(yù)測方法[6],確定未來1 h負(fù)荷,根據(jù)負(fù)荷預(yù)測情況,調(diào)整冷水機(jī)組的起停策略。負(fù)荷預(yù)測模型訓(xùn)練過程如圖4所示。

圖4 負(fù)荷預(yù)測模型訓(xùn)練過程

預(yù)測模型基于模擬退火支持向量機(jī)模型,在輸入樣本處理過程中,既引入了與預(yù)測日相似度較高的相似日數(shù)據(jù),又引入了包含負(fù)荷變化趨勢的最近歷史數(shù)據(jù)。在相似日數(shù)據(jù)的選取方面,利用氣象因子系數(shù)、類型日隸屬度修正的方法量化預(yù)測日與歷史日的相似度。量化后的相似度更加精確、直觀,更利于選取相似度高的歷史數(shù)據(jù)。在最近歷史數(shù)據(jù)方面,通過排除相似度差異過大的數(shù)據(jù),以及對波動變化大的負(fù)荷曲線進(jìn)行低通濾波等預(yù)處理,使負(fù)荷曲線更趨平滑。通過對支持向量機(jī)核函數(shù)參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)一步提升了模型的預(yù)測效果,且預(yù)測結(jié)果不受樣本點(diǎn)數(shù)變化的影響,取得較理想的效果。

由于冷水機(jī)組和一級泵一一對應(yīng),且一級泵定頻運(yùn)行,水流量確定,而回水溫度一般固定,因此可以根據(jù)冷負(fù)荷預(yù)測計算供水溫度的合理值。

在日常運(yùn)行過程中,若實(shí)際供水溫度低于計算值,且冷量需求大于當(dāng)前開機(jī)組合的最小容量,則維持當(dāng)前開機(jī)組合,提高各臺冷水機(jī)組供水溫度設(shè)定值。若冷量需求小于當(dāng)前開機(jī)組合的最小容量,則需要再判斷未來1 h負(fù)荷是否會有大幅度增長,若沒有則關(guān)閉一臺冷水機(jī)組或用一臺功率較小的冷水機(jī)組替代一臺功率較大的冷水機(jī)組。若會有大幅度增長,且超過關(guān)閉或替代冷水機(jī)組后冷水機(jī)組的容量上限,則維持當(dāng)前開機(jī)組合,提高各臺水機(jī)組供水溫度設(shè)定值。

若實(shí)際供水溫度高于計算值,且當(dāng)冷量需求大于當(dāng)時開機(jī)組合的最大容量,則增加1臺冷水機(jī)組或用一臺功率較大的冷水機(jī)組替代一臺功率較小的冷水機(jī)組。當(dāng)冷量需求小于最大容量,則維持當(dāng)前開機(jī)組合,降低各臺冷水機(jī)組供水溫度設(shè)定值[7]。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合《民用機(jī)場智慧能源管理系統(tǒng)建設(shè)指南》的要求,論述了節(jié)能設(shè)計方案的核心組成架構(gòu),探討了華東地區(qū)某樞紐國際機(jī)場建設(shè)的智慧能源管控平臺的架構(gòu)和功能,設(shè)計了基于物理模型的空調(diào)末端優(yōu)化方案和基于負(fù)荷預(yù)測的冷熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控方案,以實(shí)現(xiàn)提高效率、節(jié)能減排、綠色低碳的機(jī)場用能發(fā)展目標(biāo)。