1、公共建筑風(fēng)冷冷水機組的節(jié)能策略研究摘要變冷凝溫度控制和冷凝器變速風(fēng)扇對風(fēng)冷式冷水機組性能系數(shù)（COP） 的改善和節(jié)能潛力進行了研究；通過增大實際運行機組的傳熱面積來提高冷水機組部分負(fù)荷運行時的COP 值以實現(xiàn)節(jié)能；通過兩個制冷系統(tǒng)對于環(huán)境溫度進行切換已達節(jié)能效果；通過變頻對離心式冷水機組的節(jié)能效果。關(guān)鍵詞: 風(fēng)冷冷水機組 仿真 節(jié)能 模擬分析引言隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展, 集中空調(diào)在賓館、辦公大樓、商業(yè)中心、學(xué)校、醫(yī)院及其他建筑中得到廣泛使用, 其中, 風(fēng)冷冷水機組的應(yīng)用更是日趨廣泛。在整個建筑物的能耗中, 空調(diào)系統(tǒng)的耗電量約占30%以上, 而在空調(diào)系統(tǒng)中, 冷水機組的能耗又是最大的。因此, 如何

2、降低冷水機組的能耗便成為空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵問題。1 節(jié)能的方式1.1 通過變冷凝溫度和風(fēng)扇速率進行節(jié)能為了具有典型性，將對某典型的辦公建筑應(yīng)用優(yōu)化控制后風(fēng)冷冷水機組性能的改善作出評估。該建筑的年冷負(fù)荷由能耗模擬程序EnergyPlus 模擬。該典型建筑年供冷時數(shù)為2968 小時，峰值負(fù)荷為7338kW。冷水機組在66.7%的供冷時間部分負(fù)荷率（PLR）小于0.5，PLR 大于0.9 的時間占總供冷時數(shù)的1.08%。為了滿足該建筑的峰值負(fù)荷，這個典型的辦公建筑的冷水機組設(shè)計為7 臺，每臺的額定制冷量為1116kW，即冷水機組采用前面所測試的機組。對于風(fēng)冷式冷水機組，在任意給定的運行工況下可以

3、有多種不同的運行控制策略，從而機組的性能不同，能耗也不同，因各運行策略對冷凝溫度的設(shè)定不同。因此冷水機組的運行控制策略對機組性能影響至關(guān)重要。給出了所研究機組在四種不同控制策略下的部分負(fù)荷性能曲線：傳統(tǒng)的高位壓力控制（HPC）、傳統(tǒng)的高位壓力控制+冷凝器變速風(fēng)扇（HPC+VSF）、變冷凝器溫度控制（CTC）和變冷凝器溫度控制+冷凝器變速風(fēng)扇（CTC+VSF），其中室外氣溫從15變化到35，間隔為5。從圖中可看出，冷水機組的 COP 隨著機組的兩個制冷劑回路切換及每個制冷劑回路中壓縮機的運行變化而變化。當(dāng)另一壓縮機投入運行或多運行一制冷劑回路時，冷水機組的COP 下降顯著，因壓縮機在部分負(fù)荷下性

4、能下降顯著，從而使機組COP 隨機組部分負(fù)荷率出現(xiàn)波動。對每一種運行控制策略，在機組部分負(fù)荷率為0.25，0.5 和1 時，機組能效最高，因此投入運行的壓縮機均處于滿負(fù)荷的最高效率狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)冷冷水機組運行在變冷凝溫度控制下，機組性能在任何工況下均能得到改善，機組COP 能提高達35.4%。當(dāng)采用變冷凝溫度控制同時應(yīng)用冷凝器變速風(fēng)扇時，機組COP 將進一步提高，能提高達51.8%。采用變冷凝溫度控制相對于傳統(tǒng)的高位壓力控制時，冷凝器風(fēng)扇能耗大大增加，這是因為變冷凝溫度控制下冷凝溫度設(shè)定值較低，為了達到所設(shè)定冷凝溫度，冷凝器變速風(fēng)扇大部分時間處于滿負(fù)荷狀態(tài)。 根據(jù)本文所研究的某典型辦公建筑年度冷負(fù)

5、荷，對文中提出的4 種控制策略的能耗進行比較分析。表1 列出了不同控制策略下的機組能耗情況。從表中可看出，傳統(tǒng)的高位壓力控制策略效果較差。當(dāng)采用變冷凝溫度控制時，冷水機圖1 冷水機組在4 種控制策略下性能曲線表1 不同控制策略下冷水機組能耗控制策略 cop均值 機組年耗電量 節(jié)能率 （KWh） （%）HPC(比較基準(zhǔn)) 2.83 3.52× HPC+VSF 2.81 3.51× 0.3CTC+CSF 3.13 3.26× 7.3CTC+VSF 3.16 3.25× 7.7組年度能耗下降了7.3%。當(dāng)采用變冷凝溫度控制同時應(yīng)用冷凝器變速風(fēng)扇時，冷水機組年度

6、能耗相對于傳統(tǒng)的高位壓力控制進一步降低，下降達7.7%，節(jié)能效果非常顯著。1.2 通過增大實際運行機組的傳熱面積來實現(xiàn)節(jié)能本文以1 套由4 臺相同壓縮機組成的冷水機組系統(tǒng)為研究對象。將4 臺單元機的冷凝器、蒸發(fā)器分別并聯(lián);將其中1 臺壓縮機改用變流量壓縮機并與其他3 臺并聯(lián);制冷劑流量由電子膨脹閥自動調(diào)節(jié)。當(dāng)然, 理論上也可以實現(xiàn)更多數(shù)量的壓縮機并聯(lián)。整個機組的能量調(diào)節(jié)由DDC 系統(tǒng)來控制, 可實現(xiàn)連續(xù)的能量調(diào)節(jié), 具體的開機方案見表2 。采用優(yōu)化方案的機組部分負(fù)荷下?lián)Q熱器面積相對增加值見表3 。該方案在初投資很小的情況下能實現(xiàn)連續(xù)的能量控制。而節(jié)能方面, 到底有多大的潛力, 下面將作進一步的

7、量化分析。表2 機組優(yōu)化運行壓縮機開?？刂品桨肛?fù)荷率/ % 025 2550 5075 75100變流量壓縮機開機數(shù) 1 1 1 1普通壓縮機開機數(shù) 0 1 2 3表3 換熱器面積相對增加值負(fù)荷率/ % 75100 5075 2550 025開機臺數(shù) 4 3 2 1換熱器面積與原面積的倍數(shù)關(guān)系 1 1.33 2 4圖2 優(yōu)化運行后部分負(fù)荷時機組的工況變化圖3 優(yōu)化后部分負(fù)荷時機組的COP 變化由圖2 ,圖3 可以看到對于采用并聯(lián)優(yōu)化運行方案的冷水機組, 其部分負(fù)荷率越低, 冷凝溫度降低值越大, 相應(yīng)的機組的COP 值增加也越大。模擬計算分析表明:在新的運行和控制模式下, 風(fēng)冷冷水機組的性能系數(shù)

8、COP 隨著負(fù)荷率的降低而升高。在不考慮環(huán)境溫度降低對機組性能的影響情況下, 機組的COP 最大可提高35 %?？梢姳緝?yōu)化方案具有廣闊的節(jié)能前景, 不失為一種簡單易行且節(jié)能效果顯著的方案。1.3 通過兩個制冷系統(tǒng)對于環(huán)境溫度進行切換進行節(jié)能機組包括2個系統(tǒng)：蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)和自然冷卻制冷系統(tǒng)。其中壓縮機、風(fēng)冷冷凝器、儲液器、干燥過濾器、熱力膨脹閥、套管式蒸發(fā)器等共同組成蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)；輔助制冷盤管、板式換熱器及與之相連的溶液泵和閥件構(gòu)成了自然冷卻制冷系統(tǒng)?？紤]到低溫防凍問題，這2個系統(tǒng)所使用的載冷劑為一定濃度的乙二醇水溶液。如圖所示，當(dāng)用戶側(cè)需要使用冷凍水時，須在機組與用戶水系統(tǒng)之間加一板式

9、換熱器；當(dāng)用戶系統(tǒng)內(nèi)允許使用乙二醇水溶液時可省去中間換熱器，同時機組內(nèi)不必單獨配置乙二醇水溶液泵，從而使機組的能效得到進一步提升。測試樣機在公司焓差試驗室室外測試臺完成樣機測試。該測試臺測試通過了合肥通用機械研究院的技術(shù)鑒定，屬于工藝性空調(diào)，具有大風(fēng)量小焓差的送風(fēng)特點，具有較強的負(fù)載調(diào)節(jié)能力和多工況的營造能力。其空氣環(huán)境的溫、濕度可控制范圍為：干球溫度1550，相對濕度1090，采用取樣裝置測量測試間內(nèi)干、濕球溫度，儀表精度±0.1。水路進出水溫儀表精度±0.1，測試臺精度再現(xiàn)性誤差2。圖4 機組能效比測試結(jié)果圖4所示為機組整體測試過程中能效比的變化趨勢。由圖可知，機組的能

10、效比隨著環(huán)境溫度的降低呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，尤其是制冷方式切換為自然冷卻制冷方式后，由于機組的壓縮機停止，工作機組的能效比得到大幅度提升。通過對機組全年能源消耗效率分析，經(jīng)計算，當(dāng)進/出水溫度為12/7時，機組的APF值為3.263；當(dāng)進/出水溫度為15/10 時，機組的APF值為3.675。為了便于比較，以所在公司常規(guī)蒸氣壓縮式全年供冷的風(fēng)冷冷水機組測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)相同的氣象資料對機組APF值進行計算。受測試數(shù)據(jù)限制，這里只對進/出水溫度為12/7時的情況進行比較，計算結(jié)果表明，當(dāng)常規(guī)機組不考慮泵功時，APF值為3.35。由于上述計算中考慮了水泵功耗，所以加入泵功后常規(guī)機組的APF值為2.

11、80?？梢娺M出水溫度為12/7工況，機組在-1時可以進行切換；對于進/出水溫度為15/10 工況，機組在2就具備了切換條件。機組在這2種制冷模式下的變頻器控制邏輯合理，通過環(huán)境溫度進行切換的控制方案可行且能夠?qū)崿F(xiàn)機組安全、穩(wěn)定、連續(xù)的運行要求。并在比較基礎(chǔ)相同的情況下，實現(xiàn)了節(jié)能。1.4 通過變頻對離心式冷水機組進行節(jié)能冷水機組壓縮機所做的功用于克服進排氣口的壓差, 把一定質(zhì)量的制冷劑從蒸發(fā)器輸送到冷凝器。其做功量可示意為進排氣口的壓差與輸送的制冷劑質(zhì)量相乘的矩形面積。進排氣口的壓差與冷卻水、冷水之間的溫差相關(guān), 輸送的制冷劑質(zhì)量與壓縮機制冷量相關(guān)。變頻離心式冷水機組的控制將導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)與變頻

12、控制有機地結(jié)合起來, 其控制邏輯是:一般在70 % 100 %負(fù)荷范圍內(nèi), 機組保持導(dǎo)流葉片全開, 通過變頻控制裝置降低壓縮機的電動機轉(zhuǎn)速來使機組卸載;當(dāng)負(fù)荷低于70 %時, 導(dǎo)流葉片開始關(guān)閉;當(dāng)負(fù)荷低于50 %時, 為了避免出現(xiàn)喘振, 適當(dāng)增加壓縮機的轉(zhuǎn)速。這樣可加大機組運行范圍。冷卻水溫度降低, 更有利于變頻機組節(jié)電。從圖6可看出, 若冷卻水進水溫度為29 .4 , 機組負(fù)荷率在20 % 100 %區(qū)間內(nèi), 變頻機組的輸入功率高于高效機組, 即變頻機組費電;若冷卻水進水溫度為15 .6 , 當(dāng)機組負(fù)荷率小于80 %時, 變頻機組的輸入功率低于高效機組, 即變頻機組省電。圖6 冷卻水溫度對不同類型機組能效的影響根據(jù)變頻離心式冷水機組工作原理, 在冷卻水溫度隨機組負(fù)荷減小而降低的情況下, 變頻機組在50 %及以下的負(fù)荷時的節(jié)能效果較好。2 結(jié)語風(fēng)冷式冷水機組的能效較低，為了提高機組性能，本文探討了4種節(jié)能的措施。隨著時代的發(fā)展，會出現(xiàn)越來越多的的節(jié)能方法，如能大量推廣應(yīng)用將降低建筑能耗，為我國的節(jié)能減排做出重大貢獻。參考文獻：1 潘毅群.殷榮欣.樓振飛.上海10 幢大型公共建筑節(jié)能情況調(diào)研J.暖通空調(diào).20 10,40(6):152-1562 丁云飛.部分負(fù)荷性能對冷水機組運行能耗的影響評價.節(jié)能, 2000(1):3-63 劉瑩. 鄭賢德.許新明.冷水機組部分負(fù)