中央空调冷水机组能源效率与负荷率动态匹配节能技术

2012-07-30李玉街王琪玮贵州汇通华城股份有限公司贵州贵阳550018

智能建筑电气技术 2012年4期

李玉街 / 王琪玮（贵州汇通华城股份有限公司，贵州贵阳 550018）

1 引言

在各种中央空调系统中，冷水机组的能耗都是最大的，因此，有效降低冷水机组的能耗尤为重要。

由于空调系统的负荷总是随着室外气象条件和室内人流量的改变而变化的，据统计，冷水机组满负荷的运行时间不到总运行时间的3%，其余绝大部分时间都是在部分负荷下运行，由此可见，冷水机组的能耗其实主要是在部分负荷工况下运行的能耗。因此，如何降低部分负荷工况下冷水机组的能耗，就成为中央空调节能的关键所在。

2 冷水机组的部分负荷性能

冷水机组的运行能耗与其性能有关，而冷水机组的性能包括全负荷性能和部分负荷性能。

评价冷水机组的性能参数很多，但衡量冷水机组的动力经济性指标通常采用制冷性能系数COP（Coefficient of Performance），也称制冷系数。它是指在规定的工况下冷水机组的制冷量与所消耗的功率之比，即消耗单位功率所获得的制冷量。因此，COP表示了冷水机组的能源利用效率。

冷水机组的COP越大，表示冷水机组能源利用效率越高，冷水机组的性能就越好，反之就越差。但冷水机组的COP并不是固定不变的，它不仅随运行工况的不同而不同，而且随空调负荷的变化而变化。

冷水机组在部分负荷工况下的运行性能称为冷水机组的部分负荷性能。冷水机组部分负荷性能的优劣对其运行能耗的影响是很大的。

目前，评价冷水机组部分负荷性能的指标一般都采用“综合部分负荷性能系数” IPLV（Integrate Partial Load Value）。美国空调与制冷学会在ARI 550/590 98标准中规定的IPLV计算公式见式（1）：

IPLV = 0.01A + 0.42B + 0.45C + 0.12D（1）

式中 A、B、C、D分别是冷水机组在100%、75%、50%和25%负荷下的EER，式中的系数是冷水机组在评价负荷点运行时的权重系数。

我国国家标准《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2005)中规定的IPLV计算公式和检测条件见式（2）：

IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D （2）

式中 A—100%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度30℃；

B—75%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度26℃；

C—50%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度23℃；

D—25%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度19℃。

可见，无论是美国标准中，还是我国标准中，IPLV都是在部分负荷时的权重系数高，以强化冷水机组的部分负荷性能。

随着冷水机组技术的不断进步，先进的冷水机组都有较完善的自动控制装置，能够根据负荷变化自动调节机组内制冷剂的循环流量，使制冷量的输出跟随负荷的变化而改变，从而大大改善了机组的部分负荷性能。

3 负荷率对冷水机组COP的影响

冷水机组的性能特别是能源利用效率COP，与众多因素有关，如运行工况—使用侧的冷冻水温度和放热侧的冷却水温度，以及部分负荷率（Part Load Rate 简称PLR）。

运行工况直接反映了冷水机组外部因素对机组性能的影响；而部分负荷率PLR指的是冷水机组实际制冷量与额定制冷量的比值，它反映了冷水机组内部因素对机组性能的影响。

工程上，通常将COP表示成PLR的函数，见式（3）。

函数f的形式一般为多项式，可通过现场试验曲线拟合得到。不同类型冷水机组的COP与PLR的函数关系也不同。

例如，某制冷量650 RT/h离心式冷水机组，其制冷量、耗电量与负荷率PLR的关系，如表1所示。

表1 某离心式冷水机组制冷量、电量与负荷率PLR的关系

可见，当负荷率在60%时，该冷水机组制冷效率最高，单位冷量的耗电最少，其单位冷量的耗电比100%负荷时低17.27%。

又如，某螺杆式冷水机组的部分负荷性能参数如表2所示：

表2 某螺杆式冷水机组的部分负荷性能参数

从表2中数据可以看出，在负荷率为60%时，COP最高，比100%负荷时高83.8%。

对于吸收式冷水机组，其COP最大点亦在部分负荷区域内。如某直燃机COP与负荷率的关系，见表3。

表3 某直燃机COP与负荷率的关系

PLR在50%时，该直燃机COP最高，比额定负荷时高19.05%。

可见，不论何种类型的冷水机组，当其负荷率PLR改变时，冷水机组的能源效率COP都会变化，并在某一负荷率下具有最大值。

当冷水机组部分负荷性能优于全负荷性能时，若使冷水机组在其高效的部分负荷区域内运行，必将显著地提高其能源效率，这无疑是实现冷水机组节能的一种有效途径。

4 冷水机组制冷量与负荷需冷量的匹配

中央空调系统不可能总在满负荷下运行，随着建筑物内部和外部热量的变化，空调系统实际上就是一个动态的部分负荷率PLR随变系统。

当冷水机组的制冷量与空调负荷需冷量一致时，则制冷剂在蒸发器内吸收的热量正好等于空调负荷的热量，此时的冷水机组工作点称为平衡点。

冷水机组的制冷量是否与空调负荷平衡，不仅关系到建筑物内部空气环境的质量，也关系到空调系统的效率与能耗。当冷水机组制冷量大于负荷需冷量（即冷量过剩）时，必定存在冷量的浪费；当冷水机组制冷量小于负荷需冷量（即冷量不足）时，又会影响建筑物内的空调效果。

因此，在变负荷工况下，如何实现冷水机组制冷量与负荷的匹配，同时又使冷水机组运行在高效的负荷率区域，这就是冷水机组节能需要研究的重要技术课题。

目前，中央空调系统运行时，往往通过冷水机组运行台数组合来适应建筑物对冷量的需求。但由于缺乏必要的技术手段和装备，不少中央空调系统的运行管理人员并不了解自己所操控的冷水机组的性能，也不知道冷水机组COP的高效负荷区域，还以为冷水机组在满负荷甚至超负荷运行时最节能。殊不知，正是这种盲目地让冷水机组总是工作于满负荷甚至超负荷的低COP状态，才造成了中央空调系统能源效率的低下。

近年来，为了降低冷水机组的能耗，人们研制了冷水机组的群控技术，即根据空调负荷的大小，对多台冷水机组的运行台数进行调控，但绝大多数都是根据冷冻水的供回水温度或温差来控制机组的运行台数。

而在《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）中第5.5.4条，要求“冷水机组优先采用由冷量优化控制运行台数的方式”。因为冷水机组COP的最高点通常位于该机组的某一部分负荷区域，所以，采用冷量控制的方式比采用温度或温差控制的方式更有利于冷水机组在高效率区域运行而实现节能。

采用冷量优化控制方式，就是根据空调负荷所需的冷量多少来确定机组运行的台数组合，以实现冷量的供需平衡，确保空调的服务质量。同时使冷水机组工作于高效的部分负荷区域，最大限度地降低机组的运行能耗。

5 基于能源效率与负荷率动态匹配的冷水机组节能控制技术

在多台冷水机组联合运行时，应用了计算机技术、自动控制技术等先进的技术手段，根据空调负荷变化和各台冷水机组的部分负荷效率（COP－PLR）特性，择优选择机组运行台数组合并动态分配其负荷，使每台机组都能在高COP负荷区域内运行，从而实现冷水机组效率与负荷的匹配，在保证空调效果的前提下使冷水机组总能耗最低。这就是基于能源效率COP与负荷率PLR动态匹配的冷水机组节能控制技术，它是一种采用由冷量优化控制运行台数的方式。

实现冷水机组能源效率COP与负荷率PLR动态匹配，需要注意以下几个环节：

1）建立冷水机组运行特性分析模型

不同类型的冷水机组其部分负荷性能各不相同，相同类型的冷水机组其部分负荷性能也有差异。因此，只有准确掌握了各台冷水机组的性能（即能源效率COP与负荷率PLR的关系），才可能实现其效率与负荷率的匹配。

实际工程中，被普遍忽视的一个问题是：当同一型号的冷水机组在相同工作环境中运行时，其实际性能（COP）也往往存在较大的差异。因此，需要应用信息采集技术获取冷水机组在各种负荷率下运行的制冷量和能耗数据，再应用计算机技术建立起冷水机组运行特性分析模型，从而获得各台冷水机组能源效率COP与PLR的关系曲线。即各台冷水机组实际的部分负荷性能特性，充分掌握每台冷水机组高效运行的负荷率范围，为机组效率与负荷率的最佳匹配提供依据。

2）建立空调负荷预测分析模型

中央空调负荷的时变性为冷水机组的能源效率与负荷率匹配增加了难度，盲目的调控往往难以获得预期的效果。只有准确地知道了空调负荷的大小及其变化规律，才能为其选择合适的机组运行台数组合，在保障其负荷需求的情况下实现机组的经济运行。为此，需要对空调系统的负荷进行动态预测。

通过空调负荷预测，可获得建筑物当日的逐时负荷信息，建立起反映建筑物空调负荷变化规律的负荷曲线，进而得到当日各个时段的负荷工况，为冷水机组的运行调控提供科学的依据，以防止盲目或频繁地启停机组。

3）建立冷水机组效率与负荷动态匹配模型

当多台冷水机组联合运行时，冷水机组总能耗不仅与运行机组的性能有关，而且与运行机组间的负荷分配有关。因此，应根据建筑物空调负荷的变化和各台机组的部分负荷性能，动态分配每台机组所承担的负荷，使每台机组都运行在自己的高效负荷区域内，从而实现机组效率与负荷动态匹配。

为此，需要建立冷水机组效率与负荷动态匹配模型，根据不同空调季节、不同负荷时段所处的不同负荷工况，以及所配置的冷水机组台数及每台机组的COP－PLR特性，择优选择机组的运行台数组合。

当空调负荷和机组运行组合确定后，各台运行机组之间的负荷分配方案不同，机组效率与负荷率的匹配优劣不同，则运行机组总能耗也会不同。因此，运行机组间的负荷分配是影响机组效率与负荷率匹配优劣的又一关键所在。显然，这种负荷分配既要动态分配，又要优化分配，才能使每台机组都能高效运行，实现机组总能耗最低。

4）建立基于运行机组总效率最佳的群控策略

在同一个空调日内的不同负荷时段，往往会采用不同的机组运行组合，各种机组运行组合之间的交叉和衔接好坏（比如加机、减机、停机条件和时间的控制），同样会对机组的总能耗产生影响。为此，需要建立基于运行机组总效率最佳的群控策略。

所谓的群控策略，就是冷水机组的控制逻辑，即在什么条件下开机或加机，什么条件下减机或停机。虽然通过冷水机组效率与负荷动态匹配模型可以获得优化的运行组合方案，但运行组合方案并不是控制逻辑，只有建立了相应的群控策略，优化的运行组合方案才有可能实现。

根据空调负荷变化情况、机组运行组合方案和群控策略，实时推测和判断开机、加机、减机或停机的条件及最佳时刻；预测开机、加机、减机后各台机组的负荷率、COP及运行机组总的COPs，并与实际检测值进行比较、验证；若有偏差，分析其原因并采取针对性措施，动态调节各台机组之间的负荷分配，以实现机组效率与负荷率的最佳匹配，使运行机组的总能耗最低。