变频冷水机组在某实验楼空调系统的应用及节能分析

刘洋

（大连市建筑设计研究院有限公司，辽宁大连116021）

变频冷水机组在某实验楼空调系统的应用及节能分析

刘洋

（大连市建筑设计研究院有限公司，辽宁大连116021）

介绍了某实验楼中央空调及空气净化系统，分析了该项目的空调负荷特点。文章指出，针对负荷变化大、制冷周期长的空调项目，变频冷水机组具有较强的适用性。运行数据表明离心式冷水机组加装变频节能装置后具有较好的投资回报率和节能效益。

变频冷水机组；空气净化空调；IPLV；技术经济分析

0 引言

大连地区某实验综合楼建筑面积58665m2，地下二层，地上四层裙楼，五至二十七层为塔楼，建筑高度96.75m，主要是由营业大厅、办公室及各种实验室组成。大楼的舒适性空调及实验室净化空调均采用集中冷热源的中央空调系统，与寒冷地区常规舒适性空调相比，由于实验楼的空调系统对温湿度的设计精度要求较高，冷水机组运行时间较长，一般可持续至过渡季末期或初冬，所以冷源系统的运行节能显得尤为重要。

介绍了实验楼的舒适性空调、洁净实验室及恒温恒湿实验室通风空调的主要设计思路。针对该项目的实际情况，分析了变频冷水机组的技术特点及其对实验楼空调系统的适用性，分析离心式冷水机组加装变频节能装置后的技术经济性及运行效果。

1 空调系统概述

1.1 舒适性空调系统

工程大空间区域如营业大厅、会议室等均采用单风机全空气空调系统，过渡季可以使用全新风免费供冷，节省运行费用。小空间区域如办公室等采用风机盘管+新风的空调系统；楼内的末端空调设备均已纳入中央群控系统之中，可进行集中调控，主动节能措施运行较好。

1.2 洁净空调系统

工程具有19个用于检验检疫的生物实验洁净室，各实验室为避免回风交叉污染，影响实验结果，采用全新风空调系统或独立空调系统。设计采用净化空调机组，空调机组功能段设置有初效过滤、中效过滤、表冷（加热）段、再热（电加热）段、风机段、出风段。对于新风比大于30%的4台空调机组增加电极加湿器，以保证实验室温湿度满足规范要求。

每个洁净室一般设有万级实验洁净室并设置了十万级的缓冲间。万级洁净室的换气次数[1]在25-30次/h，十万级洁净区域的换气次数在15-20次/h。各级差洁净区域的设计压差值为20Pa。气流组织一般是从高精度的万级洁净室流向十万级洁净缓冲区域。气流组织为上送下回的形式。

1.3 恒温恒湿空调系统

纺织实验室及包装实验室对温湿度精度要求高，设计采用自带压缩机+风冷冷凝器的专用恒温恒湿精密空调机组。实验室专用精密空调应能按要求自动调节室内温、湿度，具有同时实现制冷、加热、加湿、除湿等功能的能力。气流组织为吊顶孔板送风+地板回风。送风采用双层吊顶形式，双层吊顶之间空间作为静压箱，专用空调加装管道送风进静压箱，气流再经孔板整体均匀向下送风。地面设300mm高的架空地板作为回风静压箱。

2 变频机组的设计应用

2.1 空调冷负荷的特点

和普通办公楼的空调系统相比较，本项目含有洁净室的空调系统具有单位面积冷指标较高、空调负荷昼夜变化大、制冷周期长等特点。

本项目的空调冷负荷主要分为二部分，其中舒适性空调系统的冷负荷与一般空调负荷的计算一致，主要由围护结构、人员、照明、新风、设备等负荷组成。洁净空调的冷负荷与舒适性空调差异较大，相关文献表明[2]，洁净室能耗较普通空调办公楼耗能多10-30倍。其主要特点是：换气次数高、空调风量大、风压较常规空调高300-400Pa高，风机能耗高；新风比例大，以本项目为例，动物饲养室要求全新风运行，PCR、细菌实验室等的新风量所占比例都在30%左右；工艺设备多，散热量大。

分析空调冷负荷的变化规律，本项目空调冷负荷除了随季节天气变化外，在某一相对稳定的时间段内也具有比较明显的运行变化特点：在常规的工作时间段，营业场所、普通办公室的舒适性空调系统和洁净区的空调系统均运行。在节假日或者夜间，营业场所、大部分办公区域的空调系统处于关闭状态，但少部分工作区及洁净区因实验工作的需求会连续工作，夜间及节假日会有一定的值班负荷，而且与正常负荷的差异量较大。

大连地区一般舒适性空调的运行周期是从6月初至10月初，120天左右。而洁净室空调系统的运行周期则长很多，主要原因是空调新风量较大，除湿要求高。为满足系统的送风温湿度的精度要求，制冷机组在5月份即开始要求制冷，制冷周期延续到10月底至11月初，运行周期约为6个月，180d左右，运行时间较普通舒适性空调增加50%。

有文献研究指出[3]，在中央空调系统能耗中，冷冻水泵能耗只占整个冷水机房内能耗的15%-20%，而冷水机组的能耗占冷水机房内能耗70%左右的比例。综合以上分析，提高冷水机组的效率，要求机组部分负荷条件下IPLV值高，减小冷水机组的能耗是影响整个中央空调系统能耗的关键因素。本工程采用离心式冷水机组变频技术作为机房节能的主要控制手段。其工作原理[4]是根据冷冻水实际温度、设计温度、蒸发/冷凝压力等参数，通过控制主轴转速和导流叶片开度控制压缩机的输出负荷，优化压缩机的做功能力，降低无用功的比例，从而使机组可以在较大的范围内运行，达到节能目的。冷水系统控制相对简单、安全可靠。

2.2 冷水机组选型

工程选择二台变频离心式冷水机组(环保冷媒R134a)，单台机组额定工况制冷量为2110kW（600RT），额定输入功率N=396kW，标况COP=5.33。空调水系统夏季运行供回水温度为7℃/12℃，空调冷却水供回水温度为32℃/37℃。冷水机房内设全自动软水器，软化水箱和补水泵，冷冻水泵采用软化水，冷却水系统设自动加药装置。空调系统采用膨胀水箱定压，膨胀水箱设高低液压信号，控制冷水机房内补水泵启停，高液位时补水泵停，低液位时补水泵开始系统补水。本工程空调末端水系统采用分区二管制，舒适性空调与洁净空调分别为独立的干管系统，可以保证不同功能的空调系统分区域运行。

3 技术经济比较及运行分析

3.1 技术经济分析

为比较冷水机组加装变频器后的实际运行效果，本文针对项目实际选型，对制冷量相同配置的定频与变频离心冷水机组的耗能情况进行计算比较，图1是业主采购冷水机组生产商提供的选型机组在定频工况与变频工况下，在各种负荷下的性能系数COP值的比较。可以看出，制冷量在100%到90%时，变频机和定频机的COP值差别很小，因为这时变频机的转速和定频机的转速差异很小。从90%到10%时，COP值的差异很大，变频机的COP比定频机高很多，因此，在部分负荷时，变频机较定频机有明显的节能效果。

图1 600RT变频与定频离心式冷水机组部分负荷性能系数比较

项目采用综合部分负荷性能系数IPLV指标[5]计算方法来评估变频与定频冷水机组二种方案下的年运行费用，具体见下式：

式中A—100%负荷时的性能系数，W/W；

B—75%负荷时的性能系数，W/W；

C—50%负荷时的性能系数，W/W；

D—100%负荷时的性能系数，W/W。

表1 变频冷水机组与定频冷水机组的技术经济分析

表1列出了二种设计方案的能耗指标及年运行费用。其它相关设定参数如下：空调机组运行时间为夏季：5-10月份，10h/d，运行时间为10h/d×6个月× 30d/月=1800h；电费按0.842元/kWh计算。

从表中可看出，600TR空调系统其加装VSD变频驱动器后，优化了主机能耗指标，相比恒速离心机组，年运行费用可节省约13.4万（约27.8%）。如果按冷水机组能耗占比整个冷水机房70%考虑，则整个冷水机房大约可节能19.5%左右。600TR离心式冷水机组的VSD变频调速驱动装置需增加投资约30万，则收回VSD装置的期限为：30/13.4=2.3a，具有较好的投资回报率。

3.2 运行效果分析

该工程自2013年秋季投入使用后，通过业主反馈，目前系统运行状况良好，特别在过渡季及假日值班时，节能效果较明显。笔者在2014年10月上旬分别选择一个工作日及一个节假日对该制冷机组进行了运行数据收集，在该时段内气候凉爽，整个大楼仅开一台制冷机组即可空调制冷需求。通过对工作日及假日值班工况时的空调冷冻水供回水温度、运行电流等数据进行收集分析后，机组的COP值计算值如图2所示。分析可得，由于节假日仅有洁净空调系统运行，离心机组在部分负荷下的输入电流较工作日有较明显的降低，体现出较好的节能效果。本项目采用变频离心冷水机组的另一个明显优势是可以不必设置假日或夜间值班机组，减少机房建设费用和初投资。

图2 节假日与工作日600RT变频离心式冷水机组的计算COP值

4 结语

制冷主机变频系统具有控制简单、安全可靠，机组部分负荷条件下IPLV值高等特点。特别是对于制冷周期较长、负荷变化较大的项目，经技术经济分析具有较强的节能性。

[1] 冯树根.空气洁净技术与工程应用[M].1版.北京：机械工业出版社，2010．

[2] 许钟麟.洁净室及其受控环境设计[M].1版.北京：化学工业出版社，2008．

[3] 钱以明.高层建筑空调与节能[M].1版.上海：同济大学出版社，1993．

[4] 王锋，刘媛，段希希.离心冷水机组加装变频节能装置的经济性评估[J].中国科技信息（制造），2011，（9）:134-136.

[5] GB50189-2015，公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

修回日期：2016-12-12

Application and Energy Saving Analysis of Variable Frequency Refrigeration Unit in Air Conditioning System of an Laboratory Building

LIU Yang
（Dalian Institute of Architectural Design and Research，Dalian 116021，China）

This paper introduces an experimental building central air conditioning and air purification system, analyzes the characteristics of the air conditioning load of the project. For load change, long cycle refrigeration air conditioning project, the article points out that the inverter chiller has strong applicability. The operating data show that the centrifugal chiller with frequency conversion energy-saving device has better investment returns and energy efficiency.

variable frequency refrigeration unit；air purifying conditioning；IPLV；technical and economic analysis

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.023

TU831

B

2095-3429（2016）06-0092-03

刘洋（1978-），男，辽宁营口人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：建筑能耗分析。

2016-11-04