李 覲

(廣州市設(shè)計(jì)院,廣州510620)

0 引 言

在公共建筑全年能耗中,空調(diào)系統(tǒng)能耗占據(jù)重要份額,在對廣州15幢公共建筑的能耗調(diào)查中,空調(diào)系統(tǒng)的能耗占建筑總能耗平均為43.67%,而冷水機(jī)組是空調(diào)系統(tǒng)中的主要用能設(shè)備,在不同建筑類型 (包括寫字樓、綜合樓、酒店、商場)占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的44.60%～55.28%[1]不等,因此,提高冷水機(jī)組的運(yùn)行效率,對降低建筑能耗具有十分重要的意義。

電制冷的容積式壓縮機(jī)冷水機(jī)組的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,其名義工況COP最高已經(jīng)超過7,冷水機(jī)組效率進(jìn)步的潛力已經(jīng)很小,除非有重大的技術(shù)革新。目前,對冷水機(jī)組的節(jié)能研究主要集中在冷水機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行的應(yīng)用層面上[2～5],在給定設(shè)計(jì)機(jī)組配置方案下的冷水機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化涉及較多[6～8],對于設(shè)計(jì)方案中如何合理配置也有所涉及[9]。但是,前述冷水機(jī)組配置和運(yùn)行優(yōu)化多為采用全年逐時(shí)能耗模擬模型分析、計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)行手段進(jìn)行,在日常設(shè)計(jì)中實(shí)施起來有一定難度。在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,選擇不同冷水機(jī)組配置和不同的運(yùn)行策略將會導(dǎo)致不同的空調(diào)能耗,選擇和配置冷水機(jī)組是后期運(yùn)行優(yōu)化配置硬件基礎(chǔ)。如何在設(shè)計(jì)中引入簡單、易行、有效的計(jì)算手段,對冷水機(jī)組配置和運(yùn)行的優(yōu)化進(jìn)行節(jié)能分析,是暖通空調(diào)設(shè)計(jì)師必須要面對的問題。

1 與冷水機(jī)組節(jié)能相關(guān)的因素

冷水機(jī)組的運(yùn)行性能不但受自身因素的影響,還受其所處的運(yùn)行條件的影響,因此在對各種影響因素進(jìn)行分類的時(shí)候,可以先分成兩大類,即:內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素反映的是冷水機(jī)組的型式、制造水平、壓縮機(jī)的匹配、制冷劑的種類以及充裝量等;外部因素則是指冷水溫度、冷卻水溫度等影響蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的因素,具體的分類如圖1所示。

另外,冷水機(jī)組負(fù)荷率 (下稱 “PLRC”)是影響COP的非常重要的因素。

圖1 冷水機(jī)組運(yùn)行性能影響因素分類樹

在設(shè)計(jì)中,與冷水機(jī)組節(jié)能相關(guān)并可以選擇的主要內(nèi)容包括:總裝機(jī)容量、臺數(shù)、類型、定頻或變頻、各個(gè)冷機(jī)容量、設(shè)計(jì)工況、COP和IPLV、變流量運(yùn)行要求、制冷劑的種類。

在配置冷水機(jī)組時(shí),設(shè)計(jì)工況已經(jīng)是確定的,則決定上述選擇的基本考慮包括:空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷;全年冷負(fù)荷的分布規(guī)律 (定性);冷水機(jī)組一般以選用2～4臺為宜;不同類型冷水機(jī)組的制冷量適用范圍和安全運(yùn)行負(fù)荷率;機(jī)組部分負(fù)荷調(diào)節(jié)性能;通常不同類型的冷水機(jī)組能效由高到低的順序?yàn)殡x心式冷水機(jī)組、螺桿式冷水機(jī)組、渦旋式冷水機(jī)組、吸收式冷水機(jī)組;滿足國家能效等級要求的COP(越高越有利于節(jié)能)。

2 基于性能曲線的冷水機(jī)組配置和運(yùn)行優(yōu)化運(yùn)行方法

基于性能曲線的冷水機(jī)組配置和運(yùn)行優(yōu)化運(yùn)行方法是以冷水機(jī)組性能曲線為基礎(chǔ),以冷水機(jī)組最低運(yùn)行COP為限值,對空調(diào)冷源的冷水機(jī)組進(jìn)行配置,以實(shí)現(xiàn)在各種冷卻水工況和建筑負(fù)荷率 (下稱 “PLRB”)下冷水機(jī)組的連續(xù)高效運(yùn)行,并以此為基礎(chǔ)對冷源系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化。

2.1 冷源系統(tǒng)全年運(yùn)行分析

通過全年建筑能耗模擬軟件,可以得到建筑全年逐時(shí)冷負(fù)荷,在此基礎(chǔ)上,建立建筑全年能耗模型,可以分析不同冷水機(jī)組選型及不同運(yùn)行策略下冷源的全年能耗,從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化冷水機(jī)組配置和運(yùn)行。然而,建立在全年建筑能耗模擬軟件上對建筑物冷源優(yōu)化方法是有其先天的不足的:首先,與統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上對建筑物全年能耗進(jìn)行分析不同,冷源系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷率、冷機(jī)效率與每一個(gè)時(shí)刻全部氣象參數(shù)息息相關(guān),見圖2,然而全年建筑能耗模擬軟件中,某一時(shí)刻氣象參數(shù)含的干球溫度、濕球溫度、輻射強(qiáng)度等參數(shù)都是 “人工合成”的,因此,其用于模擬冷源運(yùn)行的準(zhǔn)確性較模擬全年建筑能耗低;其二,全年建筑能耗模擬軟件采用的氣象數(shù)據(jù)為典型年 (或參考年),其與實(shí)際的全年氣象參數(shù)是有差別的,實(shí)際的氣象環(huán)境更具隨機(jī)性;其三,在建立建筑全年能耗模型時(shí)輸入的功能房間的工作表與實(shí)際運(yùn)行情況是有差別的,反映在商場、酒店、出租寫字樓等商業(yè)建筑尤為明顯。因此,不能完全依賴全年建筑能耗模擬軟件對冷水機(jī)組配置和運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 室外氣象參數(shù)與空調(diào)負(fù)荷、冷水機(jī)組關(guān)系示意圖

若組成冷源的冷水機(jī)組配置能夠?qū)崿F(xiàn)在每個(gè)PLRB下,均有較高的COP,就解決了PLRB與冷水機(jī)組配置的關(guān)系。由于機(jī)組臺數(shù)、調(diào)節(jié)性能等的限制,不可能實(shí)現(xiàn)每個(gè)PLRB下,均有較高的COP,所以,有必要分析全年空調(diào)負(fù)荷的組成。通常,可以按文獻(xiàn) [11]確定IPLV的負(fù)荷率、時(shí)間權(quán)重對冷水機(jī)組的配置進(jìn)行定性分析。圖3清楚表明,冷水機(jī)組的調(diào)節(jié)性能良好且COP保持不變的情況下,在PLRB為85%～35%之間,其能耗將達(dá)92%,所以,在冷源系統(tǒng)配置中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注PLRB在85%～35%時(shí)冷水機(jī)組的運(yùn)行情況。在實(shí)際運(yùn)行中,圖3中PLRB越低的區(qū)域冷水機(jī)組能耗增加越多,以35%～0%的PLRB為例,若冷水機(jī)組的調(diào)節(jié)性能較差,COP降低至以上計(jì)算值的50%時(shí),其能耗占比增加至8.2%,由此可見,PLRB在35%以下區(qū)域的冷水機(jī)組運(yùn)行情況仍然是不可忽視的,例如:酒店、醫(yī)院、有加班負(fù)荷的寫字樓等。

圖3 冷水機(jī)組理想全年運(yùn)行能耗各負(fù)荷區(qū)間比例

2.2 基于效率曲線的冷水機(jī)組配置

理想的冷水機(jī)組配置是通過冷水機(jī)組的合理配置,削弱PLRB對PLRC的影響,使冷水機(jī)組在各PLRB下均能保持在高效率區(qū)間運(yùn)行。配置的冷水機(jī)組臺數(shù)越多,PLRC與PLRB相關(guān)性越少,冷水機(jī)組更容易獲得在高效區(qū)間運(yùn)行;冷水機(jī)組部分負(fù)荷高效率區(qū)間越廣,配置冷水機(jī)組臺數(shù)越少。在設(shè)計(jì)中,選定了冷水機(jī)組制冷劑的種類、冷水溫度、連續(xù)調(diào)節(jié)性能后,COP只與主機(jī)類型、PLRC、冷卻水進(jìn)水溫度 (下稱 “tc”)有關(guān)。

基于效率曲線的冷水機(jī)組配置和運(yùn)行的優(yōu)化是以擬選型冷水機(jī)組COP-PLRC-tc曲線為基礎(chǔ),以冷水機(jī)組最低運(yùn)行COP為限值,對空調(diào)冷源進(jìn)行冷水機(jī)組類型、容量、臺數(shù)配置,實(shí)現(xiàn)在各種工況的 tc和PLRB下冷水機(jī)組的連續(xù)高效運(yùn)行,并以此為基礎(chǔ)對冷源系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化。

非冷凍水一次泵流量運(yùn)行、多臺冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的冷源系統(tǒng),只要冷水機(jī)組是定冷凍水出水溫度控制的,多臺冷水機(jī)組PLRC的負(fù)荷率取決于冷凍水回水溫度,即PLRC=運(yùn)行冷凍水供回水差/設(shè)計(jì)冷凍水供回水差,多臺冷水機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率是一致的。

2.3 常用冷水機(jī)組典型COP-PLRC-tc曲線

冷水機(jī)組COP-PLRC-tc曲線是該配置方法為基礎(chǔ),因此,必須研究和分析常用冷水機(jī)組的COP-PLRC-tc曲線,找出各類型冷水機(jī)組的COP-PLRC-tc的典型規(guī)律,作為初選冷水機(jī)組配置的依據(jù)。常用冷水機(jī)組典型COP-PLRC-tc特性見表1。

首先邀請專家對某類別下的指標(biāo)及子指標(biāo)進(jìn)行兩兩比對，決定相對重要程度，從而建立成對比較矩陣。這里需要用到三角模糊數(shù)，用于表示每一對指標(biāo)的相對重要性。比如，是一個(gè)三角模糊數(shù)，那么=（l，m，u）表示：

表1所述特性給出的PLRC范圍均較廣,是因?yàn)閷?shí)際選型當(dāng)中,不同廠家或同一廠家選型的壓縮機(jī)和冷凝器、蒸發(fā)器等的不同組合,均可能導(dǎo)致實(shí)際選型的COP峰值、COP下降拐點(diǎn)、安全運(yùn)行范圍的較大的變化。以下以某型3165kW(900RT)離心式冷水機(jī)組 (下稱 “A”)、3165kW(900RT)變頻離心式冷水機(jī)組 (下稱 “B”)、1055kW(300RT)雙機(jī)頭螺桿式冷水機(jī)組 (下稱 “C”)實(shí)際選型COP-PLRC-tc來說明各冷水機(jī)組類型的特性。

表1 常用冷水機(jī)組典型COP-PLRC-tc特性

由圖4可見:冷水機(jī)組在不同的 tc下COPPLRC曲線的一致性較好,COP均隨tc下降而提高;離心式冷水機(jī)組運(yùn)行的高效區(qū)的PLRC在100%～70%之間,變頻離心式冷水機(jī)組和螺桿式冷水機(jī)組運(yùn)行的高效區(qū)的PLRC在100%～50%之間,PLRC-tc同時(shí)下降時(shí)COP提高均較顯著,變頻離心式冷水機(jī)組在低tc表現(xiàn)更突出。

常用冷水機(jī)組滿負(fù)荷COP-PLRC-tc曲線見圖5,由圖5可見:在滿負(fù)荷時(shí),COP由高到低的順序關(guān)系為離心式冷水機(jī)組>變頻離心式冷水機(jī)組>螺桿式冷水機(jī)組;變頻離心冷水機(jī)組運(yùn)行的PLRC低于80%時(shí),運(yùn)行效率將高于離心式冷水機(jī)組;螺桿式冷水機(jī)組運(yùn)行的PLRC低于34%時(shí),運(yùn)行效率將高于離心式冷水機(jī)組;變頻離心冷水機(jī)組運(yùn)行效率均高于螺桿式冷水機(jī)組。

圖6 常用冷水機(jī)組滿負(fù)荷COP-tC曲線

常用冷水機(jī)組滿負(fù)荷COP-tc曲線見圖6,由圖6可見:在滿負(fù)荷時(shí),離心式冷水機(jī)組、螺桿式冷水機(jī)組COP均隨 tc下降而線性提高,變頻離心式冷水機(jī)組提高幅度較大。

2.4 基于性能曲線的冷水機(jī)組配置方法

首先,根據(jù)空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷QB,確定最大冷水機(jī)組運(yùn)行最低允許COPmin,查冷水機(jī)組的COPPLRC-tc特性,確定該COPmin對應(yīng)允許最低PLRC值RCm1。由于冷水機(jī)組在不同的 tc下COP-PLRC曲線的一致性較好,該 RCm1同樣能滿足不同tc下冷水機(jī)組的高效運(yùn)行。此為冷源系統(tǒng)關(guān)閉第一臺冷水機(jī)組的切換點(diǎn),可確定最大的冷水機(jī)組的最大容量QC.L。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,最大的冷水機(jī)組容量一般小于計(jì)算的QC.L,否則,就會造成冷源系統(tǒng)配置的冷水機(jī)組容量種類較多。QC.L按下式計(jì)算:

其次,根據(jù)全年冷負(fù)荷的分布規(guī)律,特別是PLRB≤35%的可能性、允許冷凍水出水溫度波動(dòng),確定建筑最低允許負(fù)荷率PLRB值RBm;確定最小冷水機(jī)組運(yùn)行最低允許COPmin,查冷水機(jī)組的COP-PLRC-tc特性,確定該COPmin對應(yīng)允許最低PLRC值RCm2。此RCm2為冷源系統(tǒng)最后一臺冷水機(jī)組高效安全的最低負(fù)荷率。最小的冷水機(jī)組的容量QC.S按下式計(jì)算:

表2 冷水機(jī)組運(yùn)行COPmin校核表

若校核表2中的開機(jī)組合能滿足冷水機(jī)組最低COPmin后,即可確認(rèn)此冷水機(jī)組配置方案合理。按不同冷卻水進(jìn)水溫度重復(fù)編制此表,這些不同冷卻水進(jìn)水溫度下的空調(diào)負(fù)荷與主機(jī)開機(jī)組合表,可作為優(yōu)化運(yùn)行控制策略的依據(jù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

某酒店空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷QB=2000Rt,確保最低RBm為10%,最大冷水機(jī)組COPmax取設(shè)計(jì)工況滿負(fù)荷COP,最小冷水機(jī)組COPmin取設(shè)計(jì)工況滿負(fù)荷COP的95%,各類型冷水機(jī)組COP-PLRC-tc曲線假設(shè)均按圖4,采用基于性能曲線的冷水機(jī)組配置方法配置冷源。

3.1 計(jì)算QC.L、QC.S

按取表1特性、式(1)計(jì)算QC.L、式(2)計(jì)算QC.S,見表3。

表 3 QC.L、QC.S計(jì)算表

表4 方案A冷水機(jī)組運(yùn)行COPmin校核表

表5 方案B冷水機(jī)組運(yùn)行COPmin校核表

3.2 初步確定冷水機(jī)組配置

以表3計(jì)算QC.L、QC.S值為基礎(chǔ),考慮到冷卻塔的匹配關(guān)系,選用以下兩個(gè)方案均是基本可行的:A—4臺 500RT變頻離心式冷水機(jī)組 (下稱“A”),B—2臺 667RT離心式冷水機(jī)組 (下稱“B1”)+2臺 333RT螺桿式冷水機(jī)組 (下稱“B2”)。

3.3 校核機(jī)組實(shí)際運(yùn)行最低COPmin

查圖4 COP-PLRC-tc曲線,校核冷源中各冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行最低COPmin,見表4、表5。

3.4 方案A和方案B對比

分析表4、表5,通過基于性能曲線的冷水機(jī)組配置和運(yùn)行分配,方案A和方案B中的冷水機(jī)組均實(shí)現(xiàn)了在各自較優(yōu)的負(fù)荷率范圍運(yùn)行,能滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求;在冷卻水溫較高時(shí),方案A和方案B最大最低COPmin不超過5%,兩個(gè)方案冷水機(jī)組運(yùn)行能耗接近;隨著冷卻水溫的降低,方案A的能耗優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn),若該酒店在冬季和過渡季節(jié)不能實(shí)現(xiàn)全新風(fēng)運(yùn)行,方案A的節(jié)能優(yōu)勢將得到放大,方案A的節(jié)能優(yōu)勢根據(jù)酒店所在地域,將按夏熱冬暖地區(qū)＜夏熱冬冷地區(qū)＜嚴(yán)寒地區(qū)＜寒冷地區(qū)順序得到強(qiáng)化。在考慮到冷源系統(tǒng)中的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔能耗后,若冷水機(jī)組為定流量運(yùn)行,則冷源系統(tǒng)總能耗有利于開機(jī)臺數(shù)較少的方案B,若冷水機(jī)組為變流量運(yùn)行,則冷源系統(tǒng)總能耗有利于開機(jī)臺數(shù)較多的方案A。

4 結(jié)語

冷水機(jī)組的COP-PLRC-tc曲線能真實(shí)反映冷水機(jī)組的運(yùn)行能效性能,基于性能曲線的冷水機(jī)組配置方法簡單,可以配置出若干符合建筑物用冷需求且能耗較優(yōu)的冷源方案,能定性分析不同方案之間冷水機(jī)組的能耗概況,并通過建筑空調(diào)負(fù)荷和主機(jī)開機(jī)組合及負(fù)荷率表作為優(yōu)化運(yùn)行的依據(jù)。

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