运行工况对冷水机组性能的影响

2021-02-16江明旒

制冷技术 2021年5期

江明旒

（北京涵智博雅能源科技有限公司，北京 100025）

0 引言

压缩式冷水机组按其压缩形式可分为离心式、螺杆式、活塞式和涡旋式等，离心式冷水机组因其结构紧凑、单机制冷量大、占地面积少、可实现无级自动调节、效率高等诸多特点得到广泛应用[1-5]。研究运行工况的变化对离心冷水机组性能的影响，实现冷水机组的高效运行一直是空调制冷行业研究人员致力于突破的重点所在[6-10]。

冷水机组效率受到诸多因素的影响，除了通过冷水机组自身制造工艺提高效率外[11-13]，还应关注运行工况对其能效的影响。本文试通过对离心冷水机组多年的运行数据记录结合不同工况选型参数进行发掘分析，为实现冷水机房的高效运行提供指导。

1 冷水机组性能的影响因素

冷水机组性能系数（Coefficient of Performance，COP）是指制冷水机组在特定工况下的制冷量与输入功率之比。影响冷水机组实际运行性能的因素分为两大类[14]，即内部因素和外部因素。其中，压缩机形式、机组设计、制造工艺、制冷剂种类和充填量等为内部因素。除此之外，冷水机组在不同的运行工况下（外部因素），性能也存在明显差异。

运行工况对冷水机组COP影响包含以下因素：冷凝温度、蒸发温度和负荷率。其中，冷凝温度取决于冷凝器水流量、冷凝器进水温度以及冷凝器换热效率（水与制冷剂的换热温差）；蒸发温度取决于蒸发器换热效率、蒸发器出水温度、蒸发器水流量。污垢系数、不凝性气体含量以及换热器配置等因素会对换热效率产生一定影响。

通常冷水机组铭牌上所标示的COP为国标名义工况下的效率，依据该COP可在一定范围比较冷水机组运行性能。但实际冷水机组运行中，运行工况千差万别，名义工况下COP难以反映冷水机组实际运行能效[15]。本文通过某品牌的离心式冷水机组为例，分别分析不同因素与冷水机组效率之间的规律关系。

2 负载率对性能系数的影响

该离心式冷水机组名义工况下的COP为6.6。在冷却水和冷冻水定流量、冷冻水出水温度7 ℃、冷却水进水温度30 ℃的条件下，得到不同负荷率下的冷水机组性能特性，该工况下的部分负荷性能曲线如图1所示。

图1 冷水机组部分负荷曲线

由图1可知，离心式冷水机组部分负荷性能曲线从100%开始，随着负载率下降，COP缓缓升高，在75%～85%的部分负荷段，COP达到最高，随着负载率继续下降，COP快速下降。曲线最高处的COP约为满载工况COP的1.05倍。图1的部分负荷性能曲线展示了离心机组的普遍性能规律，即离心式冷水机组的COP峰值往往不出现在满负荷时。

定频离心式冷水机组在部分负荷运行时，通过导流叶片调节、进口节流调节等方式来实现制冷量调节。导流叶片略微关闭时，减少了制冷剂流量，同时由于部分负荷下换热器换热充分（相当于放大了换热器），因此往往部分负荷下机组效率最高（最高COP往往出现在70%～90%的负载段）。但是当导叶开度过小时，节流作用明显增加，效率大为下降。值得注意的是随着运行工况的不同，最高COP对应的负荷率（即最佳负荷率）也是动态变化的。

因此，现场运行人员发现并分析冷水机组的最佳运行负荷段，根据末端负荷需求变化，合理控制冷水机组开机台数，对提升整个机房能效和安全性都有重要意义。

3 冷冻水出水温度对性能系数的影响

在相同冷凝温度下，不同蒸发器出水温度也会对冷水机组COP产生影响。在冷却水和冷冻水定流量、冷凝器进水温度为30 ℃条件下，得到不同蒸发器出水温度下的冷水机组性能特性，如图2所示。

图2 冷冻水出水温度对冷水机组性能的影响

由图2可知，冷水机组性能COP随着蒸发器出水温度的提高而提高。通过分析比较，蒸发器出水温度每提升1 ℃，冷水机组COP提升1.5%～3%，具体提升效果与实际运行工况相关。3条冷水机组性能曲线COP峰值均出现在75%～85%负载率下。

提高蒸发器出水温度可以提高冷水机组COP值，因为蒸发温度的提高，意味着压缩机压缩比的降低。同时，制冷循环中的制冷剂容积制冷量随压缩机的吸气状态而变，制冷循环中的制冷剂蒸气比体积随蒸发温度的降低而加大。冷凝温度确定情况下，离心冷水机组的制冷量将随蒸发温度的提高而增大，冷水机组COP随着蒸发温度的提高而提升。

虽然提高冷冻水出水温度以提升冷水机组性能的效果显著，但是工厂工程中出于对工艺的要求，尤其半导体工厂洁净室车间对空调温湿度、换气次数有严格的要求，冷冻水出水温度调节范围比较窄。这就需要操作人员在保证工艺需求的前提下，尽量优化出水温度，使冷水机组在COP峰值点运行，进一步提升冷水机组性能。而在商业楼宇建筑中，冷冻水出水温度重置不失为有效提高空调冷水机房整体能效的重要途径，当春秋过渡季节或夜间低负荷时段，适当提高出水温度可实现冷水机组效率提升。

4 冷凝器进水温度对性能系数的影响

冷水机组的冷凝温度由冷水机组冷却侧的换热过程决定，热量从冷水机组排到室外环境中，依次经历三个换热过程：冷凝器中制冷剂冷凝热传给冷却水、冷却水将热量从冷水机组搬运至冷却塔、冷却塔中冷却水与外部空气换热。

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冷凝器进水温度受到冷却塔出力及湿球温度的影响。在冷却水和冷冻水定流量，蒸发器出水温度7 ℃的条件下，冷水机组性能随不同冷凝器进水温度的曲线如图3所示。图3可知，随着冷凝器进水温度降低，冷水机组COP逐渐提升，冷凝器进水温度每降低1 ℃，冷水机组COP提升2%～5%，冷水机组节能效果明显。

图3 冷凝器进水温度对冷水机组性能的影响

冷凝器进水温度对冷水机组性能影响密切，对冷凝器进水温度的控制是空调冷水机房传统节能措施，市场上已有许多自控厂家或节能公司通过对冷却水温的优化控制取得了一定的节能效果。其原理在于，当冷凝器进水温度降低时，冷凝压力下降，压缩机出口气体的焓值下降，输入的电能降低，进而提高冷水机组COP。

值得一提的是，降低冷却水温必须提高冷却塔的散热能力，但会增加冷却风机的能耗。因此，实际运行管理中，不能一味追求降低冷却水温，当冷却水温降低到一定范围时，若继续降低冷却水温度，冷水机组COP提升节省的能耗可能不足以抵消冷却水输配排热设备增加的能耗。实际操作控制中，还需要根据室外湿球温度以及冷却塔与冷水机组的实际配置情况，结合机组冷却水允许最低进水温度等条件，合理调配冷水机组与冷却水输配排热设备的能耗权重，以达到机房整体能效提升。

5 冷冻水变流量对性能系数的影响

文献[18]指出了冷冻水变流量控制中，常见的3种方式：1）供回水干管压差恒定的压差控制法；2）最不利末端环路压差保持恒定的末端压差控制法；3）定供回干管温差的定温差控制法。

3种变流量控制的差别在此不做讨论，下面以冷冻水采用定温差变流量控制进行分析。在冷却水定流量，冷凝器进水温度30 ℃，蒸发器出水温度7 ℃的条件下，蒸发器在不同进出水温差下的冷水机组特性如图4所示。

图4 冷冻水变流量对冷水机组性能的影响

由图4可知，冷水机组蒸发器变流量性能曲线在部分负荷大于80%时，三条变流量的性能曲线极为接近。相比定流量运行时，冷水机组COP下降仅在0.5%以内；在80%以下的部分负荷段，蒸发器侧变流量引起冷水机组COP的下降也在2%以内。上述结果表明当冷凝器条件一定时，冷冻水流量变化引起的冷水机组性能变化很小。

究其原因，一方面蒸发器侧水流量的降低导致蒸发器侧换热效率下降，使机组COP降低；另一方面，定温差的变流量控制下，由于蒸发器出水温度相同，蒸发器回水温度的不同会引起蒸发温度的变化，蒸发器侧进出水温度平均值在部分负荷下比定流量的蒸发器侧进出水温度平均值高，也就意味着冷水机组蒸发温度较高，从而机组COP提高。上述两个方面的综合影响使得机组在不同温差下的COP基本保持不变。

冷冻水泵变流量后，节省的能耗往往占到冷水机房运行能耗的3%～8%，当满足末端换热除湿需求时，通过水泵变频来调节冷冻水流量是流量调节的重要手段。

冷冻水泵变频，近年来已有许多成功案例，通过水泵变频来调节冷冻水流量，其水泵能耗明显降低，笔者在此不多赘述。文献[19]指出，水泵采用变频控制后，其能耗并非如厂商所宣传的那样，与流量的三次方成正，功率和流量的实际关系和水泵性能曲线、管网曲线以及控制方式都有关系。同时还应考虑控制精度和工艺要求，进而确定冷冻水泵变频采用定温差控制抑或压差控制法。此外，变流量时还应考虑机组允许的流量变化速率，以及机组允许的流量上下限。

6 冷却水变流量对COP的影响

当冷凝侧进水温度相同时，随着冷却水流量的减小，引起系统排热量的减小和冷凝器换热效率的下降。在冷冻水定流量、冷凝器进水温度30 ℃、蒸发器出水温度7 ℃的条件下，冷凝器在不同进出水温差下的冷水机组特性如图5所示。由图5可知，当蒸发器侧条件相同及冷凝器进水温度一定时，冷却水变流量对冷水机组性能影响较大。定温差变流量控制下，随着负载率的减少，冷水机组冷凝侧的冷却水流量逐渐减少，相对定流量运行而言，冷水机组COP下降在3%～8%。

图5 冷凝器变流量对冷水机组性能的影响

与冷冻水泵类似，冷却水泵变流量后，节省的能耗往往占到冷水机组运行能耗在3%～8%。具体节能率大小的变化方向与冷水机组COP下降的趋势方向一致，即负载率愈小，冷却水泵节省的能耗越多，而冷水机组COP下降得也越多。

综上所述，冷却水泵的变频控制对冷水机组性能影响较大，冷却水泵变频节省的电能是否抵消了冷水机组能耗的增加后仍有富余，这是决定采用这一技术的关键因素。

文献[20]给出了通过冷却水泵与冷机功率的占比来确定冷却水泵变频的可行性依据，提出当冷却水泵功率和冷机功率占比不低于10%，可适用冷却水泵变流量控制。但是该结论仅基于厂家提供的标准机样本中的部分负荷工况性能作出的计算，由此笔者认为冷水机组对冷却水流量比较敏感，冷却水变流量的控制工艺需更为细致谨慎，只有熟悉各设备的性能，尤其是冷水机组性能曲线，方能更好保证冷冻机房能动态地运行在最佳效率点上实现最佳节能目标。