中央空调系统冷水机组选型技术应用研究——以上海丰树闵行商业园项目为例

于春辉

上海璞科机电有限公司 上海 202150

1 冷水机组的性能简述

目前，在中央空调制冷行业中将冷水机组分为两类，一类是以周边空气作为冷源和热源的风冷式制冷机组，其在工作时将热风直接排到户外并通过制冷冷却水循环实现制冷的功效。另一种为以水媒介作为冷热源的水冷式制冷机组，其冷凝侧是水水换热器，所以为了实现制冷功能需要通过冷却水循环水泵工作，因此工作时必须配合冷却塔使用。

无论是哪种冷水机组，结构上包括四个主要组成部分：压缩机，蒸发器，冷凝器，膨胀阀，各组成部分的协调工作从而实现机组制冷效果。制冷剂在冷水机组的蒸发器部件内进行吸收热量并且汽化成蒸汽，压缩机在工作中将产生的蒸汽从蒸发器中抽出，并进行压缩，蒸汽经过压缩后形成高温、高压的蒸汽，被送到冷凝器内向冷却物质（如水、空气等）进行放热过程，并在冷凝过程中形成高压液体，而且经过节流机构降压后进入蒸发器内，二次汽化，同时吸收被冷却物体的热量，如此周而复始循环。压缩机是整个空高制冷环节中的核心部件[1]。

对中央空调系统能耗分析，冷水机组是中空调系统的核心设备，是占比最大的的耗能设备，耗能通常占到整个空调系统能耗的50%左右，因此，中央空调制冷机组的能效水平是建筑节能设计的重要指标之一[1]。目前的中央空调冷源输出主要采用电制冷，在冷水机组主机选型时，多数只关冷水机组主要性能参数COP（Coefficient of Performance，COP）和综合部分负荷能耗参数（Integrated Part LoadValue，NPLV）。

COP指单位功耗所能获得的冷量，是制冷系统的一项重要技术指标，其公式[6]为：

其中，Q为中央空调制冷量之和，W为消耗的功率之和。由公式1可以得出当中央空调COP值的大小越大时，单位输入功率得到的制冷量越大，该中央空调的效率也就越高，系统的节能效果越好[2]。

科学的评估中央空调制冷机组的能源效率即要考虑满负荷运行的效率，更要考虑部分负荷的运行效率。事实上，制冷机组在实际运行满负荷的条件下的时间不到2%，98%的时间在部分负荷条件下运行。美国制冷空调学会（ARI）经过大量研究，提出一种广泛的科学评估方法，即综合部分负荷性能指标（NPLV）来全面评估一台冷水机组的综合效率。NPLV最早由美国空调供热制冷协会ARI550/590-1992标准中提出[3]。

美国AHRI提出NPLV后，各个品牌制造商大多采用NPLV来测试部分负荷性能并对机组认证NPLV指标。如今NPLV指标不再仅仅原始性的建议，而是一个实际的评价冷水机组部分负荷特性的指标[4]。

NPLV计算公式为：

其中A，B，C，D分别代表机组在100%，75%，50%和25%四个点的COP值。

由公式2可以看到NPLV值是加权平均值，并不是冷水机组的实际能效，而是一个综合的指标，是评价单台冷水机组在部分负荷条件下的性能指标。其中1%、42%、45%、12%为加权权重。

2 COP 与NPLV 在冷水机组选型计算应用

现以上海市丰树闵行商业园办公楼项目为例，详细介绍COP与NPLV的技术应用。该项目为五A级办公楼，由A-H共八栋建筑组成，总建筑面积为31万平方米，每座建筑高度60-80米不等，地下两层，冷源机房设置在地下一层。

原设计：空调计算总冷负荷为21100kW，单位空调面积冷负荷指标为139W/m2，单位建筑面积热负荷指标为68W/m2。原设计采用6台离心式冷水机组(单台制冷量为2989kW)和2台螺杆式冷水机组(制冷量为1583kW)，所提供的冷冻水供/回水温度为7/13℃，所要求的冷却水进/出水温度为32/37℃，设备COP不小于6.0。

现对原设计进行COP分析，COP按照6.2计算，得：

图1 离心式冷水机组3516kW 选型参数

此项目对办公环境的温度和湿度要求高，台数过少或过多都会对整个中央空调系统的可靠性、稳定性、整体COP都会产生较为明显的影响。综合这些条件，采用同等容量的机组，大小机组相配合的方式，进行冷水机组的选型，并根据选型对COP和NPLV值进行计算和分析。拟选定冷水机组配置方案：5台离心式冷水机组（单台制冷量为3516kW，具体选型参数详见图1）和2台螺杆式冷水机组（制冷量为2107kW，具体选型参数详见图2），所提供的冷冻水供/回水温度为6/15℃，所要求的冷却水进/出水温度为31/38℃。总计制冷量21794kW，满足计算总冷负荷需求。

图2 离心式冷水机组2107kW 选型参数

选型计算的耗总电功率W=5*558.3KW+2*353KW=3498KW，即所有冷冻机组满负荷运行一小时，所消耗的电功率为3498KW。整体COP：21100kw/3498KW=6.0。由此看出，原设计与选型计算对比，所有冷水机组的整体COP水平相当。列出冷冻机组在部分负荷条件下的COP性能统计，详见表1：

表1 离心式冷水机组部分负荷下的COP 统计表

根据冷水机组的加载性能参数，得出COP负荷曲线（1Kw/ton=3.517/COP），如下图3、图4：

经计算，离心式冷水机组3516kW，NPLV=0.469；离心式冷水机组2107kW，NPLV=0.368。由图3、图4中，可以看出，离心式冷水机组3516kW在40%-80%区间的能效最好，离心式冷水机组2107kW在30-60%区间的能效最好。与原设计对比，满足总空调负荷且在同等当量COP条件下，减少两台机组，总体初投资相对减少，给客户提供更优的优选方案。

对于冷水机组，当末端负荷发生变化时，对于定频离心式冷水机组形式的压缩机，压缩机工作原理主要是通过改变进气叶片的角度来调节输出制冷量，当冷水机组的输送负荷从100%至90%卸载时，由于进口导流片的预导流作用，实现提升冷水机组的综合效率，当负荷的继续下降，导流叶片继续收紧并降低压缩机的转速[4]。对于变频离心式冷水机组则是调节压缩机的叶轮转速和导流叶片的角度，通过将这两种方式相结合，但是此种机组在部分负荷条件下，容易发生喘震，具体要根据系统流量、主机的喘震特性曲线来确定期喘震区间，因此变频离心机组与定频离心机组在系统搭配选用时，应考虑喘震对整个系统的影响[5]。

图3 离心式冷水机组3516kW，COP 性能曲线

图4 离心式冷水机组2107kW，COP 性能曲线

NPLV指标为冷水机组在部分负荷特性下的评价提供了一个全面的基准平台，冷水机组生产厂商一般都相对重视机组在部分负荷条件下的性能改善，从而实现有效提高冷水机组实际性能水平[6]。冷水机组在部分负荷下的性能曲线，直接反应冷水机组在部分负荷下运行效率，对设备的选型有重要的参考价值。

COP是反应设备在满负荷运行条件下的能耗系数，并非越大就越好，而冷水机组绝大部分都是在部分负荷条件下运行，单一看COP值无法实现最优节能。NPLV值，反应冷水机组在部分负荷条件下的实际运行工况，参照项目的空调计算负荷和运行数据，NPLV值接近于空调负荷运行区间，从而更近于最佳节能工况点，达到最优节能。

3 冷水机组的台数配置

一般来说，冷水机组的设计和选择需要在考虑全年负荷的情况后才能确定，我国对于工程中冷水机组的选择也出台了相关的文件进行规范，明确规定冷水机组要在满足使用安全和需求的情况下，尽量使得冷水机台数较少，应与末端需求相结合。在考虑制冷机组的选型和配置时，除了法律法规中的规定以外，还应避免以下情况的发生：

（1）台数过少。过少影响负荷的可靠性、系统稳定性，无法确保系统的适应能力。

（2）台数过多。过多造成单台机组的总容量偏低，机组COP值较差，从而增加系统的其它设备如水泵、冷却塔的并联和和系统的故障率。

（3）多机头的机组的不合理。主要是有模块化集成化冷水机组、多机头风冷热泵、模块化风冷热泵组成，使用不合适的多机头冷水机组会增加系统绝对故障，同时还会增大启动电流，影响系统的稳定性和安全性。

（4）采用同等容量机组。一般情况下，采用同等容量冷水机组可以使机房表面上看起来整洁，而且会减少备品件。但是，在小区域范围的建筑，采用同等容量机组，容易出现负荷适应性和系统稳定的问题。

4 结语

本文主要从中央空调系统冷水机组的结构和配置进行分析，对设备的COP和NPLV分析研究，对冷水机组在满负荷和部分负荷情况下运行的能耗进行分析，从而给出最优的冷水机组配置方案。

COP和NPLV，是反应冷水机组的直观性能参数，对于单台机组的中央空调系统而言，COP和NPLV是可以反应空调系统节能的重要参数指标。但是对于多台冷水机组的系统，分析整个空调系统是否节能，不能单一从冷水机组的COP和NPLV值下定论，应根据实际项目中冷水机组全年运行方案，结合实际的外部气象参数、分时电价、机组台数、机组运行时间和负荷、建筑负荷特性等，通过系统应用软件系统模拟或专业能耗计算方法，计算出冷水机组的全年能耗。而且，中央空调系统制冷机组在实际运行中，末端的空调负荷是动态变化的，根据末端的需求负荷来综合调节冷水机组的运行台数和运行负荷，使用系统总体运行能耗更低，更趋近最佳节能工况点。