曾振威

(深圳市拓普威機電設(shè)備安裝工程有限公司,深圳518002)

計算主機全年能耗的最佳辦法是根據(jù)建筑物形態(tài)參數(shù)、氣候狀況、主機設(shè)計負荷點和部分負荷點性能系數(shù)等,利用相關(guān)軟件如eQUEST,EnergyPlus,Dest等建立數(shù)學(xué)模型進行計算。但上述條件一般無法滿足,因此就需要采用一些簡單可行的評估方法。其中最常用的方法是采用IPLV(綜合部分負荷性能值)和滿載設(shè)計點性能系數(shù) (COP)。兩者方法都不可能準確計算主機全年能耗,但相對而言,因為IPLV其兼顧了滿載設(shè)計點和部分負荷點(及相應(yīng)的冷卻水溫度)的綜合性能,因此在考察某臺機組的全年綜合表現(xiàn)比單純的滿載設(shè)計點性能更具有客觀性,因而被相關(guān)標準、業(yè)主、顧問公司、設(shè)計院廣泛接受和采用。

賈晶在一系列論文[1,2]中通過對同一個案例進行分析后認為,一臺在滿載設(shè)計點高效但IPLV不高的機組,其全年運行費用比一臺滿載設(shè)計點低效但IPLV高的機組要少。并由此得出結(jié)論 “冷水機組的選型宜采用名義制冷工況性能系數(shù) (COP)較高的產(chǎn)品,并兼顧機組的IPLV,須同時考慮滿負荷和部分負荷因素”[2]。本文將對該案例再次進行深入分析并作出不同的解讀。

在分析之前,我們先對文獻 [2]中的相關(guān)論點做一個闡述。

1 對ASHRAE90.1-2010機組能效規(guī)定的解讀

該標準專門針對變頻機組規(guī)定了認證途徑(Path B),因為考慮到變頻器本身在滿載設(shè)計點要增加部分能耗,因此其COP比常規(guī)機組稍低,但卻在IPLV獲得大幅提升。文 [2]解讀為 “允許方案B(即途徑B,筆者注)的COP比方案2的COP平均低3.0%,但要求方案B的IPLV比方案A的IPLV平均高20.3%作為補償。故2種方案COP與IPLV要求的差值平均相差6.7倍以上”。個人認為這不是一種準確的理解方式。

2 對計算能耗兩個公式的理解[2,3]

作者提出了計算全年能耗兩個公式如下,但兩者之間是不相等的:

式中:E為機組全年能耗;H為機組的全年運行時間;T為機組名義冷量;A,B,C,D分別為100%,75%,50%和25%負荷時的性能系數(shù)COP(kW/kW)。

特別針對公式1的理解如表1[2](最后一行為筆者所加)。

表1 與機組4種負荷相關(guān)的參數(shù)的權(quán)重比較

從表1可以看出,式 (1)中的負荷權(quán)重累積只有58%,是不可能等于式 (2)的。曹琦教授指出[4]“IPLV中權(quán)重系數(shù)的真實含義是相應(yīng)負荷率段的時間頻數(shù)”。表1中的58%可以理解為機組(單機)/系統(tǒng) (多機)的全年平均負荷率。事實上在本例中將式 (2)乘以該系數(shù)得出的結(jié)果與式(1)的吻合度很高,其精度在工程上是可以接受的。

3 對文獻 [1,2]中案例的再分析

采用式 (1)的結(jié)果:

變頻機組:402900kWh

高效機組:387960kWh

采用式 (2)并乘以全年平均負荷率0.58,則結(jié)果為:

變頻機組 (IPLV=8.06):379519kWh

高效機組 (IPLV=7.84):390168kWh

但如果采用滿載設(shè)計點COP作為計算依據(jù),則兩者分別為:

變頻機組 (IPLV=5.16):592814kWh

高效機組 (IPLV=6.82):448522kWh

從上面的結(jié)果可以看出,采用IPLV公式并乘以負荷系數(shù)的方法與實際結(jié)果的最大偏差為5.8%,而采用滿載設(shè)計點COP為計算依據(jù)的結(jié)果最大偏差為47%,那么相對來說,無疑采用IPLV比滿載設(shè)計點更接近實際。韓樹衡指出[5]:普遍來說,應(yīng)該是 (以kW/RT表示的)IPLV(NPLV)值越高,其能耗越高。

雖然就本特例而言,IPLV高的機組的全年能耗高,雖然計算結(jié)果已經(jīng)很接近實際,但該項目不具有典型意義,之前也有類似分析。文獻 [5]就對文獻[6]中的案例進行分析后認為:至于文獻[2](實為文獻[6],筆者注)中的算例出現(xiàn)的IPLV(以kW/RT表示,筆者注)高的冷水機組反而省電的結(jié)果,是由于作者脫離實際隨意杜撰部分負荷下機組效率 (kW/ton)衍生出來的怪胎,不足為憑。

另外,需要指出的是,本例中高效機組的滿載設(shè)計點COP為6.82,超過國標一級能效標準10%以上;而普通變頻機組的滿載設(shè)計點能效為5.16,僅超過三級能效標準1%左右,兩者的COP相差32.2%,但兩者的全年運行費用僅相差3.71%(本例中設(shè)計工況與國標額定工況接近,對性能系數(shù)的影響可以忽略不計)。那么,按照文獻 [2]作者對ASHRAE90.1-2010標準的分析,兩者差值相差8.7倍!那么是否意味著為了節(jié)省1%的能耗,高效機組的滿載設(shè)計點COP比變頻機組至少高9%才能滿足要求?

4 如何理解 “部分負荷”

在文獻 [2]中也提出了有3臺機組的機房在系統(tǒng)部分負荷工況下單機的冷量都處于100%或者接近100%高負荷率點,并以此為依據(jù),結(jié)合幾條簡單的主機性能曲線分析認為,在滿載設(shè)計點高效的機組對減少系統(tǒng)的運行能耗有利。

不可否認的是,對于多臺機組而言,如果按照常規(guī) “機組運行數(shù)量越少越好”的控制策略,單機的運行負荷區(qū)間會相對處于高位值。而且數(shù)量越多,負荷率越高。

但從另外一個角度看,就系統(tǒng)而言,冷卻水溫度與系統(tǒng)負荷存在一定的關(guān)聯(lián),隨著系統(tǒng)負荷的減少,冷卻水溫度也隨之降低。因此,在部分負荷運行區(qū)間,雖然單機負荷率處于高位,但冷卻水溫度已經(jīng)不是設(shè)計點的溫度,因此也不能直接套用滿載設(shè)計點 (負荷為100%,冷卻水溫度為設(shè)計溫度)的性能參數(shù)。這樣直接引用負荷變化而不指出冷卻水溫度的變化有一定的誤導(dǎo)作用——這樣導(dǎo)致很多使用者認為在系統(tǒng)部分負荷的工況下的單機冷量為滿載設(shè)計點,而實際上僅是高負荷率 (沒有考慮冷卻水溫度對性能的影響)。

之所以提出這個問題是因為在定冷卻水流量下,主機的性能系數(shù)COP取決于部分負荷百分比和冷卻水進水溫度,而冷卻水的進水溫度對主機性能系數(shù)COP的影響更大。

表2為一臺標準定頻3517kW(1000RT)(IPLV=6.456)離心機組的不同負荷率與不同冷卻水溫度下的性能參數(shù)表,很清楚表明在推薦的運行范圍內(nèi)[2]冷卻水溫度對機組性能的影響要遠遠大于負荷率的影響。

表2 3517kW定頻離心機組在不同冷卻水溫度和負荷率下的性能系數(shù)

該機組在國標規(guī)定工況下各部分負荷點的性能系數(shù)如表3。

表3 國標工況下機組部分負荷性能參數(shù)及IPLV

如果我們將表3中的部分負荷率全部改為100%負荷率,性能系數(shù)參見表2,此時各相關(guān)參數(shù)如表4,那么此時的 “IPLV”變?yōu)?.773。

與單機相比,兩者相差4.7%。因此我們可以說,即使機組處于高負荷率工況,只要冷卻水溫度按照國標工況,單機的IPLV也能大致反映系統(tǒng)整體的 “IPLV”。

表4 負荷率100%但冷卻水溫度變化時的性能參數(shù)

那么我們能否將此規(guī)律引申到多機組系統(tǒng)中,我們不妨考察一個具有兩臺上述型號的機房。相關(guān)參數(shù)如表5。

此時系統(tǒng) “IPLV”為6.775,與單機 IPLV=6.456比較,兩者僅相差4.7%。

3臺機組的系統(tǒng) “IPLV”為6.825,與單機比較相差5.4%。

表5 2臺3517kW離心機組國標工況下系統(tǒng)參數(shù)

4臺機組的系統(tǒng) “IPLV”為6.773,與單機比較相差4.7%。

從上面的分析可以看出,采用單機的IPLV能基本反映系統(tǒng)的IPLV。

文 [1,2]根據(jù)幾條簡單的主機性能曲線就比較得出 “高效機組的年運行費用會低于變頻機組”的結(jié)論是不科學(xué)的。首先是對 “部分負荷”的理解不夠全面,將系統(tǒng)部分負荷工況下單機部分負荷工況 (同時考慮負荷率和冷卻水溫度)簡單理解為處于高負荷率 (不考慮冷卻水溫度)。其次是滿載設(shè)計點高效并不意味著其它部分負荷點高效,即IPLV不一定高,結(jié)合本文第3節(jié)分析,單機能耗就不一定低。還有就文 [1,2]中案例的高效機組性能數(shù)據(jù),姑且不論其滿載設(shè)計點COP高達6.82能否實現(xiàn),即使能夠?qū)崿F(xiàn),其價格是否能在采購方的承受范圍之內(nèi)也是一個問題。

5 離心機組變頻節(jié)能分析

在離心機組上安裝變頻驅(qū)動被認為是回收相對快速的節(jié)能方式之一。常規(guī)運行模式下機組的大部分時間在60%～85%之間[2]。那么我們不妨考察平均負荷率75%但不同冷卻水溫度下的節(jié)能效果。

表6 75%負荷率下不同冷卻水溫度下的節(jié)能效果

從上面可以看出,即使按照常規(guī)控制下的高負荷率運行,變頻機組的節(jié)能效果也是相當明顯的。如果采用全變頻系統(tǒng),結(jié)合更先進的控制模式讓平均運行負荷更低,其節(jié)能效果更加可觀,這種控制方法現(xiàn)在已經(jīng)可以實現(xiàn)。

6 結(jié)論

(1)采用IPLV作為評估主機和系統(tǒng)全年能耗比滿載設(shè)計點性能參數(shù)更客觀,可用于定性及初步的定量比較。

(2)對主機而言,冷卻水進水溫度對性能系數(shù)的影響比負荷率更為明顯,因此滿載設(shè)計點的性能系數(shù)不能代替負荷為100%但冷卻水溫度較低工況下的性能。

(3)因此主機的選型應(yīng)該將IPLV列為主要和關(guān)鍵參數(shù)。滿載設(shè)計點的耗電量主要用于電氣系統(tǒng)的設(shè)計 (如電纜和斷路器的選擇)。

[1]賈晶,嚴新娟.對變頻離心式冷水機組全年節(jié)電的探討[J].暖通空調(diào),2009,39(1):66-69

[2]賈晶,施敏琪.IPLV和COP對冷水機組全年能耗的影響[J].制冷與空調(diào),2012,12(1):89-92

[3]賈晶,趙錫晶,李杰.用IPLV/NPLV指評估冷水機組全年能耗的局限性[J].暖通空調(diào),2010,40(3):19-22

[4]曹琦.部分負荷綜合值的探討[J].制冷空調(diào)與電力機械,2004,25(2):9-10

[5]韓樹衡.對如何正確應(yīng)用綜合部分負荷系數(shù)之我見[J].制冷與空調(diào),2005,5(6):80-82

[6]王王君.ARI550/590標準中的NPLV/IPLV能夠用來描述機組部分負荷運行費用嗎?[J].冷凍空調(diào)標準與檢測,2004,26(6):15-16