冷水机组配置及运行策略探讨

李 超 刘 东

(1.中国核电工程有限公司，北京 100840； 2.同济大学，上海 200092)



冷水机组配置及运行策略探讨

李 超1刘 东2

(1.中国核电工程有限公司，北京 100840； 2.同济大学，上海 200092)

以某品牌某系列离心式冷水机组的运行测试数据为基础，从配置台数、配置方式及运行策略三方面，分析了影响冷水机组运行能耗的主要因素，对实际工程中冷水机组的运行调节有一定的参考价值。

冷水机组，机组配置，运行策略，负荷率

0 引言

冷水机组是空调系统的关键部件，实现冷水机组的节能对降低空调系统能耗具有十分重要的意义。在空调系统设计过程中，相同冷量需求下，不同的机组台数、容量的配置都会影响冷水机组的运行能耗，而在相同机组配置条件下，不同的运行策略也会导致冷水机组的能耗不同[1]。

1 冷水机组的台数及配置方式

查阅文献[2]发现公共建筑中离心式冷水机组应用最为广泛，因此本文以某品牌的某个系列的离心式冷水机组(400 RT～2 000 RT)的运行测试数据为基础，进行相应分析。冷水机组的配置台数选取2台～4台，配置方式分为“对称设计”和“非对称设计”，“非对称设计”又分为“N大配一小”和“N小配一大”。“对称设计”即将设计容量按照冷机台数进行平均分配，选用相同型号机组；“非对称设计”即采用不同容量的主机大小搭配。

多台机组选型配置方案见表1。

表1 多台机组选型配置方案

2 冷水机组的运行控制策略

根据调查及查阅文献[3]，共拟定4种运行方案：

方案一：逐台启动，相同负荷率运行。

以2台冷水机组为例，先开启1台冷水机组来满足冷量需求；当系统冷负荷大于1台冷水机组最大制冷量时，由两台机组按相同的负荷率承担系统负荷。

方案二：台阶式运行。

将冷水机组的所有搭配形式按照制冷量大小排序，运行时选取恰好能满足当下冷量需求的配置形式。以(800×3+400)RT的配置为例，将4台冷水机组进行如下编号：400 RT机组为A1，3台800 RT机组依次为A2,A3和A4，这4台冷水机组的制冷量共有7种组合，如表2所示，按照台阶式运行的控制策略见表3。

表2 方案二冷水机组的组合方式 RT

表3 台阶式运行方案的控制策略 RT

方案三：最优的相同负荷率运行方案。

计算出冷机所有配置形式在不同冷负荷需求下的综合运行效率，运行过程中根据建筑实时冷负荷选用效率最高的配置方式运行，开启的机组均以相同负荷率运行。仍以800×3+400的配置为例，计算7种配置方式在不同冷负荷需求下的综合COP。

理想的运行方式即在每个负荷率区间采用综合COP值最高的机组配置。

最优的相同负荷率运行方案控制策略见表4。

表4 最优的相同负荷率运行方案控制策略

方案四：基于负荷分配的优化方案。

1)冷水机组基于负荷分配的优化策略控制逻辑。

该方案指的是将各型号的冷水机组的功率—负荷率进行公式拟合，对给定的冷量需求，以机组群总能耗最小为目标函数，进行最优化求解，求得的各机组负荷率可使机组群的综合COP最高。

图1中，Q为空调系统总负荷;Ni为各冷水机组的耗功率N与负荷率PLR的函数关系,Ni=f(PLRi)；Xi为求解出的每台冷水机组的最优运行负荷率；Qi为每台冷水机组应承担的冷负荷，即制冷量。

2)冷水机组耗功率N与机组负荷率PLR之间的关系。

机组的耗功率N与部分负荷率PLR可以近似表述为n次多项式的关系：

(1)

其中，ai，bi，ci,…,fi均为待拟合的系数。

根据冷水机组厂商提供的数据，拟合获得该系列的冷水机组耗功率N与负荷率PLR的函数关系,见表5。

表5 冷水机组功率—负荷率拟合公式

目标方程及约束条件：

目标方程：

(2)

约束条件：

(3)

其中，Nch为机组群总能耗，kW；Qe,i为第i台冷水机组的额定制冷量，kW；Xi为冷水机组运行负荷率，范围0.1～1.0；Q为建筑的实时冷负荷需求。

优化问题即求解式(2)的最小值，故约束条件为负荷匹配约束：冷水机组的总制冷量应等于建筑物的实时冷负荷。

3 不同方案的运行结果分析

当空调系统冷负荷发生波动时，不同的负荷区段存在不同的开机组合策略，各方案的系统能耗也不同。本文对各运行策略在制冷季的综合性能系数COP综进行分析，进而寻找最节能的运行策略。

COP综=COP10·τ10+COP20·τ20+…+COP100·τ100

(4)

其中，COP综为冷水机组群在制冷季的综合COP；COPn为冷水机组群在系统负荷率为n%时的COP值；τn为冷水机组群在系统负荷率为n%时的时间频数。

结合实例建筑空调系统的部分负荷频数，得到冷水机组群制冷季的综合性能系数，见表6。

表6 不同方案的冷水机组整个制冷季的综合性能系数

3.1 相同机组配置不同运行策略的运行效率

以800×3+400的配置为例，图2为该配置在4种运行策略下的综合COP对比图。

从图2中可以看出，方案一运行效率最低，方案二运行策略效率稍高一些，方案三的效率是三种常规策略中最高的，运行效率最高的是优化方案四。经分析，其余7种机组配置方式也遵循相似规律，此处不再赘述。

对于优化方案四，由于各负荷率下的机组负荷分配方式均是经最优化求解得到，故对于本文中固定配置的机组群，无论在何种气候条件下，空调负荷时间频数如何变化，该方案的制冷季综合COP值都为最高。

3.2 相同运行策略机组不同配置的运行效率

现对不同配置的冷水机组在相同的运行策略下的运行效率进行对比分析，运行策略选取常规运行策略中能效比最高的方案三与优化方案四(见表7)。

表7 不同机组配置方式下冷水机组的制冷季综合COP

从表7可以看出对于对称设计，优化方案四与方案三综合COP相同，即对于N台相同容量的冷水机组配置，开启机组始终按照相同负荷率运行是最节能的。随着配置冷水机组台数增多，机组整个制冷季的运行效率也升高。

对于非对称设计，优化方案四比方案三效率更高。从表7中可以看出：1)在N大配一小或者N小配一大的同类配置形式中，随着配置冷水机组台数增多，机组制冷季的运行效率升高；2)N大配一小的配置形式比N小配一大的配置形式运行效率高。

对比对称设计与非对称设计，方案三的对称设计效率高于非对称设计，而优化方案非对称设计高于对称设计。这是因为机组以相同负荷率运行有利于型号相同的机组配置，而优化后的方案充分发挥了机组大小搭配的灵活性与可调节性，所以非对称设计效率更高。

实际工程中采用对称设计较多，这是因为选用同型号同冷量的主机使得机房布置、零部件的互换和检修非常方便，机组间可互为备用，且实际应用中常与相同负荷率的运行策略相结合，运行效率确实较高，故对称设计应用比较广泛。由本文分析可见，单一冷源形式条件下，采用非对称设计在最优的负荷分配条件下运行效率更高，可以进行推广应用。

4 结语

通过对不同配置方式及运行策略的对比分析，得到以下结论：1)基于最优化负荷分配的运行策略效率最高。2)随着配置冷水机组台数增多，机组制冷季的运行效率升高。3)常规运行策略下，对称设计的效率高于非对称设计；优化运行策略下，非对称设计的效率高于对称设计。4)多台冷水机组配置的非对称设计中，N大配一小的配置形式比N小配一大的配置形式运行效率高。

[1] 吴祥生,刘兆勇.重庆市既有建筑能耗调查分析[A].全国暖通空调制冷2008年学术年会论文集[C].2008.

[2] 范存养,杨国荣,叶大法.高层建筑空调设计及工程实录[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[3] Braun J E.Applications of optimal control to chilled water systems without storage[J].ASHRAE Transactions,1989,95(PartⅠ):663-675.

Inquiry on cold water chiller configuration and operation strategies

Li Chao1Liu Dong2

(1.ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd,Beijing100840,China; 2.TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Taking the centrifugal cold water chiller operation testing data of the famous brand as the base, starting from three aspects of allocation number, allocation methods and operation strategies, the paper analyzes major factors influencing cold water chiller operation and energy dissipation, which has certain guiding value for cold water chiller operation and adjustment in actual engineering.

cold water chiller, chiller configuration, operation strategy, load rate

1009-6825(2016)32-0136-03

2016-09-04

李 超(1989- )，女，助理工程师

TU831

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