一体式冷水机组运行能效分析

严 琨，曾贺湛，王 升

（1.珠海横琴能源发展有限公司，珠海519000；2.珠海格力电器股份有限公司，珠海519070）

1 引言

随着我国城市的迅速发展，城市中公共建筑占比逐年提高，而在公共建筑能耗中，空调系统能耗占30%～50%，其中制冷主机、水泵和冷却塔能耗 （统称为冷站能耗）占70%以上［1］。目前全球能源紧缺，在全国节能减排的大背景下，降低空调系统能耗已经势在必行。因此，提升冷站的运行能效水平对公共建筑节能具有重大意义。

近年来随着商用空调领域人力成本的提升、现场施工环境的不断提高和完善，新型的一体式冷水机组应运而生，它具有厂内标准化生产和现场零施工调试等优势。目前主机为永磁同步变频离心机、水冷螺杆机、定频离心机、风冷螺杆机的一体式冷水机组构成了主力空调机型［2，3］。研究不同主机类型一体式冷水机组的全年运行能耗，对提升冷站节能效果具有重要意义。

2 一体式冷水机组的概况

一体式冷水机组将冷冻机房、冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、膨胀水箱及冷站系统管道设备和测控装置集成一体化装置［4］，使中央空调系统的设计和安装调试变得简单可靠。一体式冷水机组内部各部件的装配图如图1所示，它不需要额外设置空调机房，直接放置在空地上连接好主电源及空调系统冷冻水进／出水管，即可投入运行使用［5］。一体式冷水机组的内部结构原理如图2所示，一体式冷水机组内部主要分为冷水机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统。

图1 一体式冷水机组集成式装配图

3 一体式冷水机组运行能效分析

本节基于DeST软件和一体式冷水机组全工况性能曲线进行能耗仿真。其中，DeST软件是由清华大学开发的建筑环境及HVAC系统模拟软件平台。该平台能够进行建筑环境模拟预测以及性能评估［6］。本文通过全年逐时能耗仿真，对各类型一体式冷水机组的运行能效进行对比分析。

图2 一体式冷水机组内部结构原理图

3.1 建筑负荷模拟

本文研究的建筑对象为珠海地区建筑面积为9373m2的办公建筑。根据建筑负荷模拟结果，确定全年冷负荷最高日为8月7日。图3展示了8月7日的冷负荷和湿球温度逐时变化趋势图。

图3 8月7日冷负荷和湿球温度变化趋势

图4 展示出了从3月到11月的逐月单位面积制冷量，其中4月的单位面积制冷量最低，制冷量为19.6kWh／m2；7月份的单位面积制冷量最高，制冷量为37.0kWh／m2。全年单位面积累计制冷量为 254.3 kWh／m2。

3.2 方案设计

一体式冷水机组主机分别采用变频离心机、定频离心机、水冷螺杆机、以及风冷螺杆机。为了研究不同一体式冷水机组类型的全年运行能效，本文采用四种额定制冷量同为400RT的一体式冷水机组各一台进行仿真模拟。表1是模拟计算时所采用的各类型一体式冷水机组的主要参数。

图5（a）和 （b）分别是在冷冻水出水温度为7℃、冷却水进水温度分别为 15℃、19℃、23℃、26℃和30℃的工况下永磁同步变频离心机和定频离心机的全工况性能曲线图。可以看出，在冷却水温度较低 （26℃以下）时，永磁同步变频离心机的机组能效比提升显著，现对于定频离心机能效优势明显。

图4 系统逐月单位面积制冷量

表1 一体式冷水机组系统主要参数

3.3 能耗仿真结果

本文通过典型日、逐月和全年等三个维度对一体式冷水机组的全年运行能效进行分析。

一体式冷水机组系统能效的评估，需要计算统计冷水机组运行效率 （COP），系统耗电量以及系统综合能效比 （EERs）等参数。其中，COP是指冷水机组制备的冷量与冷水机组能耗之比。EERs是空调系统制备的总冷量与空调系统总能耗之比。系统耗电量包含主机、冷冻水泵系统、冷却水泵系统和冷却塔风机系统的耗电量［7］。

（1）负荷最高日情况

图6（a）和 （b）分别对比了典型日8月7日主机为永磁同步变频式离心机、水冷螺杆机、定频离心机、风冷螺杆机的一体式冷水机组的系统逐时综合能效比以及系统逐时单位耗电量。根据图6（a），永磁同步变频式离心机的系统逐时综合能效比最高，其次是水冷式螺杆机组和定频离心式机组，最低的是风冷式冷水机组。根据图6（b），风冷式螺杆机组的日系统耗电量最高，然后是定频离心机、水冷螺杆机，永磁同步变频式离心机的系统耗电量最小。其中，在12点能耗出现拐点的原因是，中午时分工作场所人员休息导致负荷偏低，使得耗电量降低。可以看出，永磁同步变频式离心机在8月7日运行期间的系统综合能效比相对于其它3种机组类型具有明显优势。

图5 永磁同步变频离心机和定频离心机的性能曲线图

（2）逐月情况

图7（a）和 （b）分别对比了主机为永磁同步变频离心机、水冷螺杆机、定频离心机、风冷螺杆机的一体式冷水机组逐月系统综合能效比以及逐月系统单位面积耗电量。根据图7（a），整个机组运行期间，相同月份永磁同步变频离心机的系统综合能效比最高，其次是水冷式螺杆机组和定频离心式机组，最低的是风冷螺杆机；根据图7（b），整个机组运行期间，相同月份风冷螺杆式冷水机组的系统耗电量最高，其次是定频离心机和水冷螺杆机，永磁同步变频离心机的系统耗电量最低。在3、4、10、11月等过渡季节下，主机为永磁同步变频离心机的一体式冷水机组的节能效果更突出。（3）全年情况

全年情况分冷水机组和一体式冷水机组系统两种情况讨论。

1）冷水机组情况

图8展示了冷水机组全年能效比COP和单位耗电量。根据图8（a），使用永磁同步变频离心机的全年机组能效比COP最高，达到8.63；其次是水冷螺杆机和定频离心机，分别为6.28和5.82；全年机组能效比COP最低的是风冷螺杆机，仅为3.33。永磁同步变频离心机机组能效比几乎是风冷螺杆机的3倍。根据图8（b），永磁同步变频离心机、水冷螺杆机、定频离心机和风冷螺杆机的全年机组单位面积总耗电量逐渐增加，分别为29.47 kW·h／m2、40.50 kW·h／m2、43.68kW·h／m2和76.46 kW·h／m2。永磁同步变频离心机相对于水 冷螺杆机、定频离心机和风冷螺杆机的机组节能率 分别为27.24%、32.54%和61.46%。可以看出在制取同样制冷量的前提下，永磁同步变频离心机的机组节能效果明显。

图6 典型日一体式冷水机组系统综合能效比和逐时耗电功率

图7 一体式冷水机组逐月系统综合能效比和单位面积耗电量

图8 冷水机组全年机组能效比和单位面积耗电量

2）一体式冷水机组系统情况

图9展示了全年一体式冷水机组和风冷螺杆式冷水机组系统综合能效比 （EERs）和单位耗电量。根据图9（a），使用永磁同步变频离心机的一体式冷水机组的全年系统综合能效比最高，为6.54；其次是水冷螺杆机和定频离心机，分别为5.09和4.78；全年系统综合能效比最低的是风冷螺杆机系统，仅为3.19，永磁同步变频离心机系统综合能效比是风冷螺杆机系统的2倍多。根据图9（b），永磁同步变频离心机、水冷螺杆机、定频离心机和风冷螺杆机的全年系统单位总耗电量逐渐增加，分别 为 38.89 kW · h／m2、49.97 kW · h／m2、53.17kW·h／m2和 79.80 kW·h／m2，全年系统综合能效比逐渐降低，分别为6.54、5.09、4.78和3.19。永磁同步变频离心机相对于水冷螺杆机、定频离心机和风冷螺杆机的系统节能率分别为22.17%、26.84%和51.26%。可以看出采用永磁同步变频离心机的一体式冷水机组系统节能效果显著。

图9 一体式冷水机组全年系统综合能效比和单位面积耗电量

4 结论

（1）在制取相同制冷量的情况下，主机为永磁同步变频离心机的一体式冷水机组全年系统综合能效比 （EERs）最高，达到了6.54，相对于主机为水冷螺杆机、定频离心机和风冷螺杆机的一体式冷水机组的全年系统节能率分别为22.17%、26.84%和51.26%。

（2）在只考虑冷水机组情况下，永磁同步变频离心机的运行能效 （COP）最高，达到了8.63，相对于主机为水冷螺杆机、定频离心机和风冷螺杆机的节能率分别为27.24%、32.54%和61.46%。可以得出，在不考虑冷冻水和冷却水系统功耗的情况下，永磁同步变频离心机的节能优势明显。

（3）在3、4、10、11月等过渡季节下，主机为永磁同步变频离心机的一体式冷水机组的节能效果更突出。