福建省建筑科學研究院      陳仕泉   楊淑波   瞿端仁   陸觀立

摘   要：冷水機組的能耗占空調系統能耗的50%左右，冷水機組的運行節能是空調系統節能中最重要的部分。經調查，長期以來，我國冷水機組多數是在90%以上負荷率的非高效區運行，沒有完全發揮冷水機組高效區的性能優勢，造成了極大的能源浪費。本文通過對冷水機組高效運行策略進行研究，得出高效運行策略將冷水機組運行節能率平均提高了32%。

關鍵詞：冷水機組；高效運行策略；節能率

       0   前言

       近十幾年，我國暖通空調行業在設備制造方面由于不斷的創新，設備技術性能和產品質量都不斷的提高，為我國城市建設做出了巨大的貢獻，取得了令世界矚目的成就。但是，在暖通空調系統操作與管理方面還比較落后，造成“高端產品低端使用”的嚴重現象。即高性能、節能型的產品在實際工程使用時沒有發揮其作用，或者說實際使用不節能。

       經分析存在以下問題：

     （1）設計文件中沒有提供所選用的冷水機組應該如何節能運行的說明，更沒有提供“冷水機組高效運行策略表”；

     （2）制造商供貨時沒有向業主提供“冷水機組全負荷性能參數或全負荷性能曲線圖”；

     （3）空調系統的操作工人多數為非專業技術人員，一般只經過簡單培訓后即上崗。

       以上3點造成我國空調系統操作與管理技術水平較低。經對實際工程調查發現：中央空調系統的操作工是根據當地的室外氣溫和自己的經驗確定冷水機組的運行臺數，而且，多數在線運行的冷水機組均在運行狀態90%以上的非高效區運行，不節能。而科學的運行管理可以將冷水機組的性能發揮到最大化，其節能效果是十分顯著的。

       1   冷水機組的高效區與非高效區

       磁懸浮冷水機組、定變頻離心冷水機組、螺桿冷水機組在其全負荷性能曲線圖中，當冷負荷比例小于100%時，其部分負荷的性能參數COP值均大于100%負荷時的性能參數COP值，如下圖1所示。
全負荷性能曲線并沒有高效區與非高效區之分，圖中橢圓線部分的所謂高效區與非高效區是本文分析方便而設定的，即：部分負荷的COP值與100%負荷率的COP值之比其節能率大于等于10%為高效區，小于10%為非高效區。

圖1   水冷磁懸浮機組全負荷性能曲線圖

       2   冷水機組高效運行策略

       所謂冷水機組高效運行策略是：冷水機組在滿足空調系統全年冷負荷需求的同時，冷水機組必須在其全負荷性能曲線的高效區運行。

       2.1   冷水機組高效運行策略表的編制要求

     “冷水機組高效運行策略表”應根據空調系統室內夏季冷負荷、冷水機組的機型、臺數、全負荷性能參數及曲線等進行編制。為了保證冷水機組在滿足空調系統使用要求的同時又要保證在高效區運行，“冷水機組高效運行策略表”的編制應滿足如下要求：（a）主機運行臺數轉換后比轉換前能耗小；（b）主機運行臺數轉換時制冷量與室內冷負荷的差值不超過5%~7.5%。

       2.2   相同制冷量不同冷水機組高效運行策略表

       2.2.1   水冷變頻磁懸浮離心冷水機組高效運行策略表

       如制冷量為6300kW，3臺2100kW水冷變頻磁懸浮離心冷水機組高效運行策略表見表1。

表1  水冷變頻磁懸浮離心冷水機組高效運行策略表

       從表1分析，當主機同頻率運行至65%狀態時，雖然校驗冷量滿足“冷水機組高效運行策略表”5%的編制要求，但校驗功率696kW大于運行功率413kW，所以不能進行運行臺數的轉換。當主機同頻率繼續運行至40%狀態時，校驗冷量為0kW，校驗功率為230kW，接近運行功率，即兩者均滿足“冷水機組高效運行策略表”的編制要求，將3臺運行狀態40%的主機轉換成2臺50%運行狀態繼續運行；當2臺50%運行狀態的主機運行至35%時，再卸1臺；剩下1臺主機在短時間內由將運行狀態由35%調整為45%繼續運行至滿足最小負荷的要求。

       2.2.2   水冷變頻磁懸浮離心冷水機組全負荷性能曲線圖

       分析表1和圖2，主機從3臺轉為2臺運行和2臺轉為1臺運行時均滿足“冷水機組高效運行策略表”編制的要求，水冷變頻磁懸浮離心冷水機組高效區的運行能耗與負荷率100%的運行能耗相比節能率為47%。

圖2   2100kW水冷變頻磁懸浮離心冷水機組全負荷性能曲線圖

       2.2.3   水冷定變頻螺桿冷水機組高效運行策略表

       如制冷量為6000kW，3臺2000kW水冷定、變頻螺桿冷水機組高效運行策略表見表2、表3。  

表2   3臺2000kW變頻螺桿冷水機組高效運行策略表

表3   3臺2000kW定頻螺桿冷水機組高效運行策略表

       2.2.4   水冷定變頻螺桿冷水機組全負荷性能曲線圖

       分析圖3：對于同冷量的水冷螺桿冷水機組來說，在負荷率100%~10%之間的COP值相差很小，節能率基本相同。定頻螺桿機組在負荷率50%以下其COP值開始降低，但其COP值仍然高于100%負荷率時的COP值。變頻螺桿機組從負荷率100%~20%其COP值一直保持上升，負荷率20%以下其COP值才開始降低，負荷率到10%時其COP值仍然高于100%負荷率時的COP值近一倍。從圖3中知道，變頻螺桿機組可運行至10%，而定頻螺桿機組只能運行至20%。

圖3   2000kW水冷螺桿機組全負荷性能曲線圖

       從圖3、表2及表3分析，主機從3臺轉為2臺運行和2臺轉為1臺運行時均滿足“冷水機組高效運行策略表”編制的要求，水冷變頻螺桿冷水機組高效區的運行能耗與負荷率100%的運行能耗相比節能率為44%；水冷定頻螺桿冷水機組高效區的運行能耗與負荷率100%的運行能耗相比節能率為34%。

       2.2.5    水冷離心冷水機組高效運行策略表

       如制冷量為9000kW，3臺3000kW水冷定變頻離心冷水機組高效運行策略見表4、表5。

表4   3臺3000kW的水冷變頻離心冷水機組高效運行策略表

表5   3臺3000kW的水冷定頻離心冷水機組高效運行策略表

       2.2.6   水冷定變頻離心冷水機組全負荷性能曲線圖

       分析圖4：水冷定頻離心冷水機組從負荷率100%~10%之間其全負荷性能曲線均比較平緩，在負荷率100%~50%之間最大的COP值與100%時的COP值比較相差很小；負荷率50%~10%之間COP值下降較快，特別是在負荷率30%以下更快，且COP值均低于100%時的COP值。所以，水冷定頻冷水機組高效運行策略的節能率較低。水冷變頻離心冷水機組從負荷率100%~10%其COP值一直上升，高效運行策略的節能率較高。同時得知：采用水冷離心冷水機組時最好選用變頻的，因為兩者在高效區的節能率相差很大，定頻離心機在高效區的節能率相差很小。

圖4   3000kW水冷離心冷水機組全負荷性能曲線圖

       從上圖4、表4和表5分析，主機從3臺轉為2臺運行和2臺轉為1臺運行時均滿足“冷水機組高效運行策略表”編制的要求，水冷變頻離心冷水機組高效區的運行能耗與負荷率100%的運行能耗相比節能率為37%；水冷定頻離心冷水機組高效區的運行能耗與負荷率100%的運行能耗相比節能率為8.2%。

       從表1、表2和表4分析，變頻磁懸浮、變頻螺桿、變頻離心機冷水機組從3臺轉為2臺運行時其運行狀態較低25%~40%，2臺轉為1臺運行時主機的運行狀態在25%~35%，節能效果十分顯著。從表5分析：水冷定頻離心冷水機組從3臺轉為2臺運行時其運行狀態較高60%，2臺轉為1臺運行時其運行狀態在50%，節能效果較差。

       3   如何實現冷水機組在高效區自動運行

       3.1   手動高效運行

       手動高效運行是根據室內空調負荷變化和冷水機組運行狀態以及操作管理人員觀察主機的運行狀態進行手動干預的方法實現冷水機組的高效運行和冷水機組運行臺數轉換。但前提條件是操作管理人員要經常的觀看智能控制柜或管理中心的電腦，及時的通過手動調整冷水機組的運行狀態或運行臺數的變化。當操作管理人員不在崗時就無法完成以上工作，進而運行的節能量就受到影響，或者說，節能量無法得到保證。

       3.2   自動高效運行

       自動高效運行是根據室內空調負荷變化和“冷水機組高效運行策略表”以及冷量計可實現主機在高效區自動運行。即，在回水總管上安裝1個流量計，實時測得回水管的流量變化，與給回水總管上測得的溫度同時輸入冷量計進行計算空調系統的冷量。將實時測得的空調系統的冷量與根據“冷水機組高效運行策略”設定的空調冷負荷相對值進行比較，自動調節冷水機組的運行狀態，實現了滿足空調系統冷負荷要求的同時又使冷水機組在高效區運行。高效運行空調冷水系統圖和控制流程圖見圖5、6。

圖5   高效運行空調冷水系統圖	圖6   控制流程圖

       由于冷水機組運行狀態只有顯示功能，而不能作為控制、設定等功能，所以，只能通過外加冷量計，將實測的數據與設定值進行比較，使冷水機組自動的在其全負荷性能曲線的高效區運行，且實現冷水機組運行臺數的自動轉換。

       如表1，空調系統的總冷量相對值在100%~10%之間時，3臺2100kW變頻磁懸浮冷水機組同頻率運行，當空調系統的總冷量相對值在40%~35%時轉換為2臺主機運行，此時主機的運行狀態發生改變，空調系統的總冷量相對值小于35%時轉為1臺主機運行，此時，主機再一次調整運行狀態直至滿足空調系統最小冷負荷的要求。冷水機組運行臺數轉換時主機的運行狀態都會發生改變，這種運行狀態的改變冷水機組在短時間內就能調整，不影響空調系統的運行安全和系統的穩定性。

       4   總結

     （1）冷水機組高效運行策略是根據實際工程項目的夏季室內冷負荷、主機臺數、型號、全負荷性能參數或曲線進行編制的。

     （2）冷水機組高效運行策略編制的要求是主機應在全負荷性能曲線的高效區運行；主機運行臺數轉換時其制冷量與室內冷負荷差值不超過5%~7.5%；主機運行臺數轉換后比轉換前能耗小。

     （3）不同型號的冷水機組高效區的節能率是不同的，最低的是水冷定頻離心冷水機組為8.2%，最高的是水冷變頻磁懸浮冷水機組為47%。

備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年8月刊總第24期。
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