冷水机组的节能方案探讨

冷水机组的节能方案探讨

夏志明

中电系统建设工程有限公司北京100141

摘要：中央空调系统的能耗在公共建筑能耗中占有很大比例。因此，冷水机组的能效极限是控制公共建筑能效的重要指标。分析了冷水机组效率与性能指标的关系，研究了冷水机组的最优控制策略，提出了冷水机组的启停控制方法。

关键词：建筑节能；空调；冷水机组

1冷水机组COP与负荷关系分析

按能效比的高低分类，制冷机组可分为离心式、螺杆式、活塞式、吸收式。按单机制冷量范围来选择制冷水机组，在制冷量大的工程中，离心式制冷机组具有无可比拟的优势。冷水机组性能指数（COP）是指制冷水机组在额定工况下的制冷量与输入功率之比。冷水机组最高的COP一般不出现在满负荷时，而是出现在部分负荷时。以500t离心式冷水机组为例进行的测试中，出水温度控制在30℃，冷冻水流量保持不变。负荷的变化是由冷冻水回水温度引起的，这便于进行测试比较，电机输入功率与负荷率基本呈线性关系，即这款离心式冷水机组的负荷从最高负荷向下减少时，可以看成是呈线性递减，其斜率约为0.14。在计算负荷点的输入功率时，将以其所在负荷段的线性斜率作为计算基础，较高的COP出现在额定负荷的50%-90%的负荷段。因此，要使冷水机组工作于较佳的COP，应使冷水机组分摊到的负荷为其额定负荷的50%-90%。在空调工程设计时，一般按最大的计算冷负荷来选择冷水机组。但实际运行于最大负荷工况的时间频率是很少的，某建筑物的空调负荷运行实测数据可以看出，建筑冷负荷大多集中在额定负荷的20%-70%的负荷段。空调负荷大都有这种时间频数特点，即运行于部分负荷的时间占绝大多数。针对这一特点，大多数工程都设置多台冷水机组。根据负荷的变化，通过群控策略来控制冷水机组的投运。当负荷减小时，相应地减少冷水机组的运行台数，使在线运行的冷水机组处于较高的负荷点。一般都是尽量使冷水机组处于接近满负荷的工作状态，从而提高整个冷水机组系统的工作效率。

2冷水机组优化控制

以往的控制策略是以空调的负荷来控制冷水机组的起/停，基本上未考虑单台冷水机组的COP，一般都是接近在线运行冷水机组的满负荷才考虑加载。

尽管多开一台冷水机组要消耗能量，但是研究表明，多开一台冷水机组能使在线运行的所有冷水机组都处于最佳或者比较佳的COP，在一定条件下也能节省能量。假定有5台冷水机组与5台冷冻水泵组成冷冻水循环系统，其中单台冷冻水泵电机耗电为42kW。整个冷水系统采用先串联后并联的模式，即开冷水机组同时开冷冻水泵，以保证冷水机组对冷冻水流量的要求。该计算在某一个负荷段多开一台冷水机组及相应冷冻水泵是否节能时，可以比较多开冷水机组及冷冻水泵前后所消耗能量之比。当总负荷小于额定负荷的18%时，只开一台冷水机组。因为在负荷达到20%以前，开启两台冷水机组所节约的能量不足以抵消多开一台冷冻水泵消耗的能源。当总负荷为额定负荷的20%-38%时，开启两台冷水机组。如果总负荷达到额定负荷的36%，则需考虑开2台或3台冷水机组，因为38%恰好是一个耗能平衡点。如果只开两台冷水机组，单台冷水机组运行于95%的高负荷，这个负荷段耗能很大，达到302.5kW，再加上两台水泵，总耗电为689kW。COP不理想，只有5.534。如果多开一台冷水机组，由3台冷水机组共同负担38%的总负荷，则每台冷水机组运行于63.3%的负荷点，每台冷水机组消耗电能为188kW。由于要保证冷水机组的冷冻水流量恒定，必须多开一台冷冻水泵，则3台水泵、3台冷水机组能耗为690kW，与前一种工作模式的能耗基本相同。

当负荷增加到40%的负荷段时，前一种模式耗电为737.6kW，后一种工作模式耗电为717.9kW。此负荷点节能19.7kW。可以看出，随负荷增加，节能随之增加。因此，当空调负荷达到38%且负荷有增长的趋势或者持续超过一定时间时，则可以多开启一台冷水机组及其冷冻水泵。负荷越高于38%，节能越多。此时所有的在线冷水机组COP提高到了5.920。如果负荷持续增加超过40%，需要保持3台水泵和冷水机组同时运行。如果空调负荷增加到了总负荷的54%时，就要考虑开启第4台冷水机组，因为54%也是耗能平衡点。

当负荷增加到60%时，前一种工作模式耗电量为1106.4kW，后一种工作模式耗电量为1059.6kW。此负荷点节能46.8kW。因此当空调负荷达到54%且负荷有增长趋势或持续超过一定时间时，则可以考虑多开启一台冷水机组及其冷冻水泵。负荷越高于54%，节能越多。此时，在线冷水系统COP提高到了5.944。当总负荷在54%-70%时，保持4台冷水机组在线运行。如果空调负荷达到了总负荷的70%，由于70%也是耗能平衡点，就要考虑开启第5台冷水机组。

当负荷增加到75%时，前一种工作模式耗电为1358.4kW，后一种工作模式消耗电能为1324.5kW。此负荷点节能33.9kW。当负荷增加到80%时，前一种工作模式耗电为1475.2kW，后一种工作模式消耗电能为1405.5kW。此负荷点节能69.7kW。因此当空调负荷达到70%且负荷有增长的趋势或持续超过一定时间时，则可以考虑多开启一台冷水机组及其冷冻水泵。负荷越高于70%，节能越多。多开一台冷水机组，整个在线冷水系统COP提高到了5.958。负荷高于80%时，5台冷水机组一起运行一些负荷点的节能曲线对比通过分析可知，机组台数加载的最佳切换点并不都是出现在很多人都认为的单机满负荷或者单机满负荷的95%处，而是分别在单机负荷的100%、95%、90%、87.5%处。根据在线台数的不同，切换点是在变化的。由于加载冷水机组，在线运行的冷水机组的负荷率为63.3%-82.5%，这也符合前面的分析。在这个负荷段，冷水机组有较高的COP，采用控制策略，可以把在线冷水机组的COP值提高到5.8以上。采用控制策略，冷水机组的COP能处于较高的值。以前面某建筑物空调负荷时间频数为参考数据，假设一年中所有负荷段的运行时间为2880h，冷冻水泵的能耗也是巨大的。如果能多开一台冷水机组而不需要多开一台冷冻水泵，节能将更加可观。第一台冷水机组需人工开启，由于整个冷冻水系统不会很快制冷，需要等到第一台冷水机组起动60min后，冷水机组出水温度基本稳定，系统再起动负荷计算。计算15min时间内的平均负荷Q0和即时负荷Q1作为下一步的控制依据。如果Q0出现0值或者15min后即时负荷Q1为0值，说明此时负荷不稳定或不多，一台冷水机组足够保证负荷需要。

要落实以上各项措施，暖通人员要加强空调制冷理论和实际操作经验的学习和提高，以保证机组的正常运行和设备的使用效率，才能在节能中有所作为。特别是对于国外进口的中央空调设备，由于自动化程度高，容易使人产生错觉，似乎有微电脑控制中心控制，只要按按电钮就可顺利操作，而忽视了节能操作技术的学习和提高，这应引起充分的重视。

参考文献：

[1]杨嘉，陈国泰.香港办公建筑中空调系统的节能分析[J].工程学院学报，2013，24（1）：8.

[2]潘毅群，殷荣欣，楼振飞.上海10幢大型公共建筑节能情况调研[J].暖通空调，2013，40（6）：16.