民用机场航站楼末端配电的负载特性与节能方案分析

一、引言

随着民航业的快速发展，民用机场航站楼的规模与功能持续升级，其能耗问题日益严峻。末端配电系统作为电能供应的终端环节，直接影响各类用电设备的运行效率与能耗水平。据统计，大型机场航站楼年耗电量可达数亿千瓦时，传统配电设计与管理模式已难以满足绿色机场建设需求。深入研究末端配电负载特性并制定针对性节能方案，对降低机场运营成本、实现“双碳”目标具有重要意义。

二、航站楼末端配电系统的负载构成与运行特性

2.1 多源性负载的能耗分布特性

航站楼末端配电系统负载可划分为阻性、感性与非线性负载三大类。照明系统作为典型阻性负载，传统T8荧光灯区域单位面积功率密度达25W/㎡，超出 GB50034-2013 标准限值 127% ，其光效仅 55lm/W ，且镇流器损耗占总功率 12% 。相比之下，LED 照明区域采用 140lm/W 高光效芯片与PWM 调光驱动，功率密度降至 12W/m² ，节能率达 52% 。实测数据显示，照明系统能耗占比 22.6% ，其中传统照明贡献 63.8% 的能耗。

中央空调系统作为感性负载集群，冷水机组满负荷 COP 为 4.2，但受压缩机容积效率（ηv）与卸载特性影响，部分负荷下 COP 降至 3.1。依据ASHRAE90.1 标准，采用 IPLV 指标评估，螺杆式冷水机组 IPLV 计算公式为：

IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D

式中 A、B、C、D 分别为 10% 、 25% 、 50% 、 75% 负荷率下的 COP 值。该系统全年能耗占比 47.3% ，研究表明 IPLV 每提升 0.1，系统年能耗降低3.2% 。此外，新风机组与风机盘管的运行能效受风机效率（ηf）、风道阻力（ΔP）等因素影响，优化变频控制策略可使系统能效提升 15%-20% 。

电梯及自动扶梯系统采用 VVVF 技术后，启动电流峰值从 8In 降至2.5In ，但单台电梯待机功耗达 。大型航站楼 30-50 部电梯频繁启停，导致电机铁损（PFe）与机械磨损增加。实测该系统能耗占比 13.8% ，采用模糊逻辑群控算法，通过实时采集轿厢位置（S）、呼叫信号（C）与客流量（Q）数据，可使电梯运行效率提升 18% ，能耗降低 12.5% 。

2.2 负载运行的时间规律与峰谷特征分析

运用离散小波变换（DWT）对某机场全年负荷曲线进行多尺度分解，发现其具有显著周期性。日周期中，早高峰（6:00-9:00）负荷波动率 38.2% ，晚高峰（18:00-21:00）达 42.7% ，主要因旅客集中进出港导致照明、空调、电梯负荷叠加。采用灰色预测模型 GM(1,1)进行短期负荷预测。经 1-7 天预测验证，平均绝对误差（MAE）控制在 ±4.8% 以内。

周周期中，周末商业区域负荷较工作日增加 17.6% ，源于免税店、餐饮店等设备集中运行。季节周期方面，夏季制冷负荷峰值 8500kW 比冬季供热负荷 5100kW 高 66.7% ，与室外湿球温度（twb）及室内人员密度（ρ）强相关。结合傅里叶变换（FFT）分析，确定负荷波动主导频率 0.000116Hz （对应 24 小时周期），为分时控制策略提供依据。

2.3 功率因数、不平衡度与谐波特性研究

依据 IEC61000-4-7 标准检测，航站楼低压配电系统三相电压不平衡度8.2% ，登机桥区域部分馈线达 12.3% 。基于对称分量法分析，负序电流使中性线电流达相线电流 1.3 倍，导致线路损耗（ΔPline）增加 18% ，变压器铁损（PFe）增大 22% 。

非线性负载导致系统 THD 达 18.7% ，5 次谐波占比 65.2% 。谐波电流使变压器铜损（ PCu ）增加 13.8% ，电缆介质损耗角正切值（tanδ）增大23% 。实测功率因数日间高峰 0.78、夜间低谷 0.65，致使视在功率需求增加 28‰ 。根据 IEEEStd519 标准，需将 THD 控制在 8% 以内以保障设备正常运行。

三、末端配电系统节能潜力评估与关键问题分析

3.1 高能耗负载的能效诊断

采用数据包络分析（DEA）方法对各系统进行效率评估，空调水系统输送能效比 0.02kW⋅h/m³ ，低于行业基准值 0.015kW⋅h/m³ ；照明系统 LPD超标率 35% ；电梯群控系统平均候梯时间 45s，存在优化空间。经测算，空调系统节能改造潜力达 25%-30% ，照明系统为 20%-25% ，电梯系统为15%-20% 。

3.2 电能损耗的多维成因

系统损耗主要包括： ① 线路损耗因三相不平衡使中性线电流增大，实测某馈线 I²R 损耗增加 18% ； ② 变压器损耗，平均负载率 35% 导致铁损占比 60% ； ③ 设备损耗，变频空调 IGBT 开关损耗占整机功耗 15% 。此外，设备老化使空调机组制冷剂泄漏率年均增加 3% ，电梯控制系统故障导致空驶率达 25% 。

3.3 传统节能技术的应用瓶颈

既有节能措施存在局限性：静态无功补偿装置响应时间 >100ms ，无法跟踪快速变化的感性负载；LED 照明 PWM 调光产生 200-500Hz 谐波干扰；冰蓄冷系统融冰效率年均衰减 18% ；传统谐波治理装置对间谐波抑制效果不足。

四、航站楼末端配电节能优化策略

4.1 基于数字孪生的智能配电系统

构建航站楼末端配电数字孪生模型，通过 5G 物联网传感器（精度 ± 0.5% ）采集 3000+ 节点数据。基于数字孪生体实现： ① 采用 DDPG 算法的照明分区控制，根据人员密度（ρ）、自然光强度（E）动态调节 LED 亮度，节电率 28% ； ② 基于 MPC 的空调负荷调度，提前 30 分钟预测负荷需求，优化冷水机组台数与水泵频率，使 COP 提升 0.8。

4.2 柔性负荷调控技术体系

建立 V2G 与航站楼负荷互动模型，将电动登机桥、充电桩作为柔性负荷资源。通过需求响应机制，在高峰时段实现 2MW 负荷转移。采用 MMC拓扑的动态无功补偿装置，响应时间 <5ms ，将功率因数稳定在 0.98，降低线路损耗 12% 。同时，部署飞轮储能系统，在负荷波动时快速调节功率，平抑电网波动。

4.3 电能质量综合治理方案

采用混合有源滤波器（HAPF），结合 LCL 滤波与自适应谐波检测算法，将 THD 降至 7.8% 。部署三相不平衡自动调节装置，通过动态投切电容器组，将不平衡度控制在 3% 以内。基于 AI 的变压器经济运行策略，优化分接头调节与并联运行方式，使综合损耗降低 18% 。

五、工程应用效果验证

在某千万级机场实施节能改造后，关键指标显著改善：单位面积年耗电量从 185kW⋅h/m² 降至 146kW⋅h/m² ，节能率 21.3% ；变压器负载率标准差从 0.25 降至 0.18，提升供电可靠性；空调系统能耗降低 24.7% ，照明系统节能 31.2% ，电梯系统节电 16.8% 。项目投资回收期 3.5 年，具有显著经济效益与环境效益。

六、结语

民用机场航站楼末端配电系统节能需综合考虑负载特性、智能控制与电能质量治理。本文提出的基于数字孪生、柔性负荷调控的节能方案经工程验证效果显著。未来应深化 AI 算法应用，推进分布式能源与储能协同运行，构建智慧能源管理体系，助力机场实现低碳化发展。

参考文献：

[1]杨小琴.国际机场航站楼用电负荷调研与应用[J].现代建筑电气,2024,15(11):45-53.

[2]李旻宸,朱国平.机场航站楼智能配电系统的一体化设计研究[J].电气技术与经济,2024,(03):287-289+292.

[3]杨忱.机场航站楼低压配电系统谐波处理设计分析与研究[J].中国设备工程,2020,(09):116-117.