夏热冬暖地区冷水(热泵)机组群选型要点

陈震宇

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

随着时代进步和科技发展，作为公共建筑能耗大户——空调系统，其能效受到越来越多的关注。在集中空调系统设计过程中，冷水(热泵)机组的满负荷性能系数(COP)以及综合部分负荷性能系数(IPLV)，作为评价单台冷水(热泵)机组性能的2个重要指标，被广泛引用于能耗预评估、设计选型。在实际工程应用中，除了少数小型工程仅设1台冷水(热泵)机组，其余项目均采用多台机组搭配组合的型式。显见，用单台机组的指标不能准确衡量整个冷水(热泵)机组群的整体性能。

基此，笔者以福州(夏热冬暖地区)的海峡青年交流营地-会展中心项目为例，结合当地气象资料、建筑物负荷特性、冷水(热泵)机组配置及运行策略，阐述冷水(热泵)机组选型过程中应注意的要点。

1 项目概况

海峡青年交流营地，位于福州市马尾区琅岐镇，作为海峡青年节的永久性营地和福州承载两岸青年活动的重要基地，项目包括会展中心、活动中心等多个单体建筑。其中，会展中心总建筑面积约为47 723.52m2，主要建筑功能，包括剧院、多功能厅、宴会厅、影厅、排练、办公等。设计完成于2016年4月，并于2017年12月竣工验收，项目实景如图1所示。

图1 海峡青年交流营地-会展中心实景图

2 气候特征

福州市地处夏热冬暖地区、属亚热带季风气候，年平均气温为20～25℃；最冷月1～2月，最热月7～8月。对《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[1]进行摘选、分析，福州地区典型年的室外干湿球温度分布如图2所示，夏季最高干湿球温度为38℃/29.1℃。

图3 夏季室外日平均干湿球温度分布图

如图3所示，在每年最热的7～8月，气候呈持续高温高湿，摘选8∶00～18∶00时段参数，其平均干球温度在32～35℃，平均湿球温度在25～28℃之间，考虑冷却塔出水温度与湿球温度的逼近度在4℃左右。可以认为：福州地区夏季冷水(热泵)机组群的冷却水进水温度普遍在29～32℃之间；在6、7、9月，平均湿球温度22℃左右，冷却水进水温度平均在26℃左右。

3 空调负荷及冷水(热泵)机组配置分析

3.1 空调负荷

该项目除排练、办公用房采用变冷媒流量空调外，其余区域空调系统采用集中空调系统(水系统)，冷负荷约为4582kW，热负荷约为1418kW，设计日逐时冷负荷如图4所示。

图4 夏季设计日逐时冷负荷分布图

3.2 冷水(热泵)机组群配置

空调冷热源采用2台水冷离心式冷水机组(单台额定制冷量1601kW)+2台螺杆式风冷热泵机组(单台额定制冷量/制热量为810kW/755.9kW)。冷水机组设置在地下一层冷冻机房内，风冷热泵设置在屋面，纳入BAS系统集中控制。

3.3 冷水(热泵)机组群运行策略

该项目BAS系统，通过测量空调供回水温差及流量计算实际空调冷/热负荷，确定冷水(热泵)机组群的启停台数，夏季随着空调冷负荷增加，依次按：1台风冷热泵机组→1台冷水机组→1台风冷热泵机组+1台冷水机组→2台冷水机组→1台风冷热泵机组+2台冷水机组→2台风冷热泵机组+2台冷水机组的次序投入运行，每台机组按实际需求等比例调节机组负荷率。夏季各空调负荷率下的冷水(热泵)机组群运行情况如图5所示。

图5 夏季各空调负荷率下冷水(热泵)机组群运行情况

由图5可知，在30%～100%空调负荷率区间，每台机组的负荷率均在75%以上，在5%～25%负荷率区间才会出现机组负荷率低于75%的情况。

3.4 空调负荷率分析

通过对空调冷负荷按类别进行拆解分析，设计工况下各类空调冷负荷占比如表1所示。

表1 设计工况下各类空调冷负荷占比一览表

显然，该项目作为海峡两岸青年活动的重要基地，具有人流密度较大，与之相关的人员冷负荷及新风冷负荷占比高的会展类建筑显著特点。夏季在活动前期准备阶段的空调负荷率可能低于30%，开展活动期间的空调负荷率必然在30%以上。

3.5 冷水(热泵)机组的能效权重

综上所述，对冷水(热泵)机组群的配置、运行策略及空调负荷率的分析可知：

(1)在空调低负荷率(0～30%)范围内，由于冷负荷及其时间权重较小，对系统整体性能影响较小，冷水机组、风冷热泵宜有较宽的负荷调节范围。

(2)在空调中、高负荷率(30%～100%)范围内，由于冷负荷及其时间权重较大，对系统整体性能影响较大，且机组负荷率普遍在75%以上，冷水机组、热泵机组在高负荷率(如75%～100%)应有较高的能效。

(3)同理可知，若机组群台数增加，单台冷水(热泵)机组在高负荷率区的运行时间还会继续增加，低负荷率区的运行时间继续减少[2]。

显而易见，为了达到冷水(热泵)机组群的整体节能高效，设计选型过程更应重点关注的是高负荷率区间的能效，兼顾单台机组的负荷调节范围。

4 IPLV适用性

《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2015)[3]规定IPLV按下式计算：

IPLV=1.2%×A+32.8%×B+39.7%×C+26.3%×D

式中：A——100%负荷时的性能系数，冷却水进水温度30℃/冷凝器进气干球温度35℃；

B——75%负荷时的性能系数，冷却水进水温度26℃/冷凝器进气干球温度31.5℃；

C——50%负荷时的性能系数，冷却水进水温度23℃/冷凝器进气干球温度28℃；

D——25%负荷时的性能系数，冷却水进水温度19℃/冷凝器进气干球温度24.5℃。

以该项目案例的实际运行工况而言，机组负荷率大都在75%～100%之间，冷却水进水温度在26%～32℃之间，而IPLV显然更侧重于中、低负荷率性能系数(既25%～75%负荷率的性能系数权重更大)，且其标定的冷却水进水温度与夏热冬暖地区高温高湿气候不相称(冷却水进水温度普遍在26～32℃)。由此可见，IPLV非但不适用于评价多台冷水(热泵)机组群的部分负荷性能及实际能耗水平，即使是小型项目(仅设1台机组的情况)也不能笼统地用IPLV直接衡量实际能耗水平。

5 设备选型及能效分析

5.1 设备选型

如上述分析，该项目设备选型应着重注意如下指标：

(1) 冷却水温度按定冷却水进水温度考虑，以最不利工况(32℃)校核满负荷冷量，以国标工况(30℃)参与冷水(热泵)机组群性能系数评价。

(2)冷凝器进气干球温度按定值考虑，以夏季室外计算干球温度(35.9℃)校核满负荷冷量，以国标工况(35℃)参与冷水(热泵)机组群性能系数评价。

(3) 选取75%～100%负荷率下COP较高的设备。

该项目具体选型结果如表2所示。

表2 水冷离心式冷水机组国标工况主要技术参数表(定频)

备注:冷冻水温度7/12℃，定冷却水进水温度30℃。

表3 风冷热泵机组国标制冷工况主要技术参数表

备注:冷冻水温度7/12℃，定冷凝器进气干球温度35℃。

5.2 冷水(热泵)机组群性能系数评价

按夏季各负荷率下的冷水(热泵)机组群的选型结果及运行策略，可以测算出该项目各空调负荷率下的系统性能系数，如图6所示。

图6 夏季各空调负荷率下冷水(热泵)机组群性能系数(冷水机组定频)

如表2、表3及图6所示，该项目配置的冷水(热泵)机组群在空调负荷率20%以上的性能系数均在4.5kW/kW以上，大部分维持在5.0kW/kW以上；空调负荷率20%以下时，考虑气温有利因素，风冷热泵COP普遍能达到3.5kW/kW以上。综上，该项目冷水(热泵)机组群性能系数在夏季各空调负荷率区间均保持较高的水平，可以灵活、高效地应对该会展建筑的空调负荷变化需求。

6 结论

(1)结合地处夏热冬暖地区的福州地区典型年气象条件分析，整个供冷季的冷却水进水温度普遍在26℃以上，夏季气温最热的7～8月呈持续高温高湿，冷却水进水温度普遍在29℃～32℃之间。

(2)会展建筑的人员、新风负荷占比较高，其冷水(热泵)机组群大部分处于中、高负荷率区间，单台冷水机组、热泵机组的机组负荷率普遍在75%以上，应着重关注其高负荷率(75%～100%)区间的能效。

(3)IPLV适用于单台机组综合部分负荷性能的评价，但与福州地区夏季冷却水温持续较高、冷水(热泵)机组群的运行情况俱不相称，不足以直接用于判断空调冷源的实际能耗水平。

(4)综上分析可知，片面追求单台机组的IPLV或COP，并不是解决空调冷源节能的万能钥匙。夏热冬暖地区大中型公共建筑的冷热源进行冷水(热泵)机组群选型时，应结合空调负荷特点及运行策略等因素进行综合考虑。以该项目为例，建议选用定冷却水温(30℃)条件下、高负荷率区间COP高的机组，不必过分强调IPLV。