一、概述
北京首都国际机场制冷站是机场航站区扩建工程的重要配套项目。制冷站位于首都机场境内，北接机场滑行道，西邻老候机楼，东靠机务办公楼和维修机库，位置显要。其占地面积2898平方米；建筑面积6672平方米，由主厂房和附楼组成。主厂房跨度33米，总长度81米，地上高度23米。地下一层为水泵间和配电间，地上一层为主机房，顶层安装了组合式冷却塔。附楼为四层建筑，地上三层，地下一层。分别设置了车库，食堂，办公用房以及维修间，金属零备件库等。
制冷站设计的总产冷量为68250KW(5250KW机组13台)，供应新老候机楼，新老食品公司，宾馆，华北局空调系统之冷冻水。蒸汽总消耗量为85.8t/h(P=0.8MPa)，总安装电功率：3302KW之多。冷却水量17500t/h(进水32℃；出水38℃)。这个制冷站规模之大在国内乃至亚洲都是前所未有的，它又处于特定的地理位置，要求在总体设计，设备选型，设备选型，自动控制，工艺布置，环境保护等方面秘须达到国内先进水平，争取赶上国际先进水平。
二、制冷方式确定
人工制冷方式的种类繁多，形式各异。制冷所用的能源也各有不同，有以电能为能源制冷的，如用氨，氟及其它工质实现制冷循环的压缩式制冷机；有以蒸汽为能源制冷的如蒸汽型溴化锂吸收式制冷机等；还有以其它热能为能源制冷的，如热水型溴化锂制冷机，直接燃烧油或天然气的溴化锂制冷机以及太阳能吸收式制冷机等。目前我国广泛使用的制冷方式，为压缩式制冷机，有活塞式，离心式，螺杆式制冷机；吸收式制冷机有溴化锂吸收式制冷机。
空调工程常用的压缩式制冷机，无论是活塞式、离心式还是螺杆式冷水机组，制冷原理均为制冷压缩机将蒸发器内的低压，低温的气工质(氨或氟里昂)吸入压缩机本内，经过压缩机的压缩作功，使之成为压力和温度都较高的气体排入冷凝器。在冷凝器内，高压高温的制冷剂气体与冷却水或空气进行热交换，把热量传给冷却水(水冷方式)或空气(风冷方式)，结果气态工质凝结为液体。高压淮体再经节流阀降压后进入蒸发器。在蒸发器内，低压制冷剂液体汽体，而汽化时必须吸取周围介质(如冷媒水)的热量，从而使冷媒水降低了温度，这就是所需制取的低温冷水。蒸发器中汽化形成的低压低温的气体又被制冷压缩机吸入压缩，这样周而复始，不断循环，连续制出冷水。
溴化锂吸收式制冷，同蒸气压缩制冷原理相同，也是利用液态制冷剂在低温，低压条件下，蒸发，汽化吸收载冷剂的热负荷，产生制冷效应。不同的是，溴化锂吸收式制冷是利用“溴化锂——水”组成二元溶液为工质，来完成制冷循环的。其中水为制冷剂，溴化锂为吸收剂，具体过程分为二部分：第一部分，溴化锂水溶液在发生器被热源加热沸腾，产生出制冷剂蒸汽在冷凝器中被被冷凝为冷剂水。冷剂水经U形管节流进入蒸发器，经蒸发器泵在低压条件下喷淋，冷剂水蒸发，吸收载冷剂的热量，产生制冷效应。冷凝过程产生的凝结热被冷却水携带到制冷系统外。第二部分，发生器流出的浓溶液。中间浓度溶液被吸收器泵输送并喷淋，吸收在蒸发器内由冷剂水蒸发出来的冷剂蒸汽变为稀溶液。稀溶液由发生器泵输送至发生器，重新被热源加热产生冷剂蒸汽再次形成浓溶液，进入下一个循环期。
制冷剂氨，对人体有刺激，并且易爆，在机场这个特定环境中是不可能使用的。而氟里昂11，12无毒，无味没有爆炸危险，而且热稳定性好；但氯氟烃物质中氯离子破坏大气臭氧层，使太阳部分有害紫外线直接照射在地球上，对人体的影响：将造成皮肤癌的增加；人眼睛易生白内障，减弱人的免疫力。对地球表面的影响：整体地球温室效应增强，气温升高，南北极冰的熔化，将造成海平面上升陆地减少，大雾增多。对生物的影响：300种农作物中的2/3将造成危害，特别是对薯类作物影响更大，臭氧层下降25%土豆产量下降20%；对海洋生物也有影响，如在20m内水深活动的鱼虾等将有所减少。于是产生了世界性的禁氟活动——即蒙物利尔协定书。1990年6月又在英国伦敦把确定的CFC限制使用时间表提前，发达国家2000年前不许使用，发展中国家可再延长10年。近年来，随着保护地球、保护人类的呼声无CFC替代品的研究已经有了很大的发展，新型无公害的替代品已得到应用。
溴化锂吸收式制冷机自二十世纪三十年代问世以来，历经半个多世纪，在机组结构，性能和型式各方面都有很大的变化和发展，而生产数量和应用范围更是突飞猛进的扩展。溴化锂水溶液是由固体的溴化锂溶质溶解在水溶剂中而成。它是理想的吸收式制冷机的工质，因为在常压下，水的沸点是100℃，而溴化锂的沸点为1265℃，两者相差甚大，因此，溶液沸腾时产生的蒸汽几乎都是水的成分，很少带有溴化锂的成分，这样就勿须进行蒸馏就可以得到纯冷剂蒸汽。水作为制冷剂有许多优点：价格低廉，取之方便，汽化潜热大，无毒，无味，不燃烧，不爆炸等。
综上所述两种制冷方式各有优缺点，虽然吸收式制冷机体积较大，但压缩制冷机单台制冷量小，选用的台数就要多于吸收机，就所占站房面积相差不多；况且近年来吸收机的发展使其体积已综小了许多；吸收机机体内无运动部件，只由几个换热器和泵组成，其噪音低，维修量也大大低于压缩机。另外虽然一次性投资吸收式制冷机的费用大一些，而其运行费比压缩机少很多，两者之和，吸收机费用小于压缩机。
又因首都国际机场航站区集中供热中心内，共有燃油燃气蒸汽锅炉(75t/h)九台。冬季用蒸汽换热水送往各用户。而夏季蒸汽供应很少，大部分设备闲置在那里。就机场制冷站特殊地理位置，以整体站房及现有蒸汽原的具体情况，采用蒸汽型双效溴化锂吸收式制冷方式。此方案除了制冷机，制冷剂本身优点之外，还有利用环境保护，充分发挥锅炉的使用效率。
三、工艺布置设计
首都国际机场制冷站工艺布置图见附录(一)。采用这样的工艺布置理由如下：依照常规首都国际机场制冷站需占地一方平方米以上，而机场所能提供的建设用地只有8100平方米。为不影响指挥塔视线建筑物限高24米。同时布置机房，泵房，冷却塔及管道困难很大，施工中困难也很多。于是站房设计采取了多层布置，并附带一个辅助楼，供办公及生活之用。主机房地上一层为制冷机房，地下一层即半地下室为水泵房。这样水泵噪音被控制在制冷站厂区内。顶层布置冷却塔，最高点距离地面23米。总占地面积2898平方米。
在工艺布置设计中最为困难的是管道的布置，站内流程中最粗的管道直径有1200mm，多数管道直径在350-1000mm之间。并且错综复地排列与联接在一起，如果采用单独支吊架形式安装，那么泵房和主机房内纵横的管道与参差不齐的支架交织在一起，必然杂乱无章，很不美观。采取统一整体布置管道势在必行，管道排列有序，站房整齐美观设计中在主机房水泵房之间增设了一管道夹层，这是本设计中很有特色的地方，为不增加建筑面积夹层高度定为2.2米。大管道在管道层内落地支承，支点距离根据管道的直径来决定，如ф800的管道支点距离在900-1000mm之间。使整个管道的重量均匀地分布于夹层地面上，也节约了大量支架用钢材。由于夹层内空间狭小，使得管道保温施工困难，而管道保温是制冷站保证送水温度关键的一个环节，阻燃型聚氨脂发泡保温材料是目前国际，国内较好的保温材料，施工中采用了专用模具发泡保温，局部施工困难地方采用聚氨脂保温瓦，外包镀锌钢板。在夹地板上，墙上开有通风孔，窗。使得整个管道夹层紧密而不乱，密布又有微风流动，银白色的镀锌板反射着从窗外透入的光线，增加了夹层内的照度。由于管道夹层的设置，使得水泵房，主机房内设备排列井井有条，管道林立整齐，为设备的安装，维修提供了方便。
四、空调冷水系统
首都国际机场制冷站为大型制冷站，它为航站区主要几大建筑物提供冷源。本站房空调水系统的输配用电，约占站房动力用电的30%。因此，降低空调水系统的输配用电量是节约用电的一个重要环节。各建筑物的用冷系数不同，而且冷负荷变化多样，具体情况如下：
(一)甲方提供的冷负荷为最大负荷，设计水流量时要根据最大的冷负荷设计。而实际上出现最大冷负荷的时间，即按满负荷运动时间很短。绝大部分时间是在部分负荷条件下运行。
(二)本制冷站供冷面积为44万平方米，分为三个大系统，距离远则一、二千米；近则几百米。如果按照各系统构成制冷体系，那么每个系统都得设计制冷备用量，将造成冷机组台数多，占据主机房面积大，冷水泵扬程高，耗电量大等问题。
(三)在本站提供冷源的三大系统中，建筑是由不同的设计单位于不同的年代设计的，有的在设计中，有的在改造中。每个系统的冷负荷都以各建筑物特性变化着。如新倏机楼为现代建筑，有大面积的玻璃幕墙，保温效果不好，失冷量将随室外温度变化而产生很大变化。新老候机楼大厅内的人流变化也很大，随飞机起落架次多与少，人流则大与小，冷负荷是一个随机值。又如宾馆，饭店中的冷负荷则随客流量的大小，客流的活动而变化。这都给运行调试带来困难。
国家标准(GB50189-93)《旅游，旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准》中论述到：当遇到某个或几个与环路比其余环路压差相差悬殊(如阻力差10kPa以上者)，则这些环路就应增设二次循环水泵。采用变频调速装置对冷冻水泵进行交流量调节，会带来节电效果。例如在香山饭店选用变频调速装置，对水泵进行变流量调节，在两年内就全部回收投资。
为确保空调系统的参数，又节约能源，操作方便。本制冷站冷水系统采用闭式循环，双环路变流量系统。一环由初级泵和溴化锂制冷机组组成，为定流量系统；二环，由次级泵和冷冻水管网组成，为变流量系统，共三个。
定流量系统，制冷机组和水泵均为满负荷工作，充分发挥制冷机组的效率。各系统均有公共制冷备用量。根据制冷机组冷冻水出口温度和设在冷冻水送、回水路间的旁通阀的回水量来控制制冷机组的运行台数。当回水量达6.5℃时，可停止一台制冷机组及相应的初级泵和冷却水系统的运行。当冷冻水出口温度高于8℃时，启动一台制冷机组及其相应的初级泵和冷却水系统。
在三个变流量系统中采用了高效的变频调速装置，根据空调负荷的变化，通过设在各系统冷冻水送，回水管路间旁通流量信号来控制次级泵的运行台数。随着冷负荷的变化变频泵调节冷冻水流量的大小。当空调负荷变小时旁通回水量增加，变频调速装置下调频率，降低变频泵转速，减小冷冻水流量，变频高速装置上调频率，提高变频泵转速，增加冷冻水流量，当达到回流下限值时，启动一台该系统非变频泵。
整体空调水冷系统采用自动化控制，为了确保运行的正常进行，在冷冻水、冷却水、蒸汽等系统中的温度、压力、流量参数均由微机控制台进行远距离测量和显示，并能及时进行控制。补水系统、加药系统也采用了自动控制。
五、结论
综上所述，首都国际机场制冷站机组之多，系统之大在中国航空工业规划设计研究院的动力设计项目中尚属首次，本设计现已完成，施工也在收尾，于1998年单系统试运行成功，将于1999年夏季全系统调试运行。上述仅为设计过程中三个很重要问题的分析，通过分析，可以得到如下结论：
第一，采用蒸汽型双效溴化锂吸收式制冷机是正确的设备选型，噪声低，节电，维修量小，有利于环境保护，操作方便，自动化控制程度高。
第二，工艺布置合理，紧凑，有特色。由于采用了管道夹层，制冷机房，水泵房设备及管道布置整齐，美观，节约了支撑管道材料，为维修提供了必要的空间。
第三，冷水系统采用一，二次循环，二次循环采用变频调节是国内大型冷水系统设计首创，一次循环满负荷运行，二次循环变流量运行可节约能源，为降低运行成本奠定了基础。
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