姜?jiǎng)P迪 崔紅社* 高屾 孫銳 林巍

青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

自磁懸浮冷水機(jī)組誕生以來(lái)，關(guān)于磁懸浮冷水機(jī)組能效的理論研究已較多[1-3]，但關(guān)于磁懸浮機(jī)組在實(shí)際工程中運(yùn)行能效的研究卻較少。本文對(duì)多個(gè)實(shí)際工程同一制冷季的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比傳統(tǒng)冷機(jī)的運(yùn)行效率，合理評(píng)價(jià)磁懸浮機(jī)組能效水平，并針對(duì)降低機(jī)房整體能耗提出優(yōu)化建議。

1 磁懸浮機(jī)組性能

磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組采用磁懸浮壓縮機(jī)，比傳統(tǒng)式壓縮機(jī)運(yùn)行效率高30%，實(shí)現(xiàn)無(wú)潤(rùn)滑油高速旋轉(zhuǎn)，機(jī)組效率得到提高。磁懸浮機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲低于同制冷量的螺桿機(jī)組和離心機(jī)組，噪聲一般在70-75DB。磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)組造價(jià)升高，磁懸浮機(jī)組成本高于傳統(tǒng)冷機(jī)10%～20%左右。磁懸浮機(jī)組的實(shí)際節(jié)能效果及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性存在一定爭(zhēng)議，需對(duì)其在實(shí)際工程中的可應(yīng)用性進(jìn)行綜合客觀評(píng)價(jià)，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)最大限度地發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)這一節(jié)能技術(shù)健康發(fā)展。

1.1 磁懸浮機(jī)組與傳統(tǒng)冷機(jī)能效對(duì)比

名義工況性能系數(shù)COP 和綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV 是評(píng)價(jià)冷水機(jī)組能效特性的重要指標(biāo)。根據(jù)這兩個(gè)指標(biāo)可有效促進(jìn)冷水機(jī)組的優(yōu)化和運(yùn)行管理。

機(jī)組COP 表示冷機(jī)運(yùn)行效率，其定義式為：

式中：COP 為冷水機(jī)組運(yùn)行能效；Q 為冷水機(jī)組制冷量；W1冷水機(jī)組輸入電功率。

綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV 表示冷水機(jī)組部分負(fù)荷效率指標(biāo)，其定義式為：

式中：A 為100%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)，kW/kW，冷卻水進(jìn)水溫度30 ℃；B 為75%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)，kW/kW，冷卻水進(jìn)水溫度26 ℃；C 為50%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)，kW/kW，冷卻水進(jìn)水溫度23 ℃；D 為25%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)，kW/kW，冷卻水進(jìn)水溫度19 ℃。

通過(guò)以國(guó)內(nèi)外主流廠家提供的500RT 機(jī)組性能參數(shù)為例，比較磁懸浮機(jī)組和傳統(tǒng)機(jī)組名義工況COP和IPLV，如圖1～2。

圖1 不同冷水機(jī)組COP

圖2 不同冷水機(jī)組IPLV

由圖可知，磁懸浮機(jī)組名義工況COP 低于定頻螺桿機(jī)組，但磁懸浮機(jī)組IPLV 為10.79，部分負(fù)荷能效較高，遠(yuǎn)超一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)[4]。磁懸浮機(jī)組IPLV 相比定頻螺桿機(jī)組提高51%，相比其他變頻機(jī)組平均提升5.5%，在IPLV 上表現(xiàn)出很大優(yōu)勢(shì)。

1.2 磁懸浮機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)

針對(duì)青島地區(qū)某酒店建筑進(jìn)行實(shí)測(cè)，該酒店建筑采用一臺(tái)150 RT 磁懸浮冷水機(jī)組全天運(yùn)行，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析磁懸浮機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，如圖3～4。

圖3 磁懸浮機(jī)組COP 與負(fù)荷率關(guān)系圖

圖4 磁懸浮機(jī)組COP 與冷卻水回水溫度關(guān)系圖

圖3 可見(jiàn)，磁懸浮機(jī)組單點(diǎn)COP 最高能達(dá)到10左右，平均COP 為7.11，達(dá)到一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)[5]。機(jī)組負(fù)荷率基本集中在20%-50%之間，隨著負(fù)荷率的升高，磁懸浮機(jī)組COP 逐漸減小，部分負(fù)荷運(yùn)行能效較高，滿負(fù)載能效偏低。圖4 可見(jiàn)，磁懸浮機(jī)組COP 與冷卻水回水溫度存在明顯線性關(guān)系，隨著冷卻水回水溫度降低，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行能效逐漸升高。冷卻水回水溫度范圍為23-33 ℃，溫度每降低1 ℃，機(jī)組COP 提升5.6%左右。

綜上所述，磁懸浮機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)如下：1）機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行能效較高。2）低冷卻水回水溫度下機(jī)組運(yùn)行效率高。機(jī)組負(fù)荷率和冷卻水回水溫度對(duì)磁懸浮機(jī)組實(shí)際運(yùn)行能效有較大影響。

2 磁懸浮機(jī)組在公建項(xiàng)目中能效實(shí)測(cè)分析

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，準(zhǔn)確測(cè)定空調(diào)系統(tǒng)中冷機(jī)的能效，并做出符合實(shí)際情況的評(píng)價(jià)與診斷，是判斷空調(diào)系統(tǒng)是否節(jié)能的重要部分[6]。建筑負(fù)荷和機(jī)組使用條件不同，直接對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果會(huì)降低冷機(jī)能效之間的可比性。在同一制冷季對(duì)各項(xiàng)目進(jìn)行建筑能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，修正數(shù)據(jù)到同一工況下，綜合客觀的對(duì)比不同類型冷機(jī)能效水平，實(shí)測(cè)公建項(xiàng)目的基本信息如表1 所示。

表1 實(shí)測(cè)項(xiàng)目基本信息

2.1 實(shí)測(cè)項(xiàng)目機(jī)組能效

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的變化情況會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)提高冷凍水供水溫度，降低冷卻水回水溫度以提高機(jī)組的運(yùn)行效率。運(yùn)行參數(shù)（冷凍水、冷卻水溫度等）的調(diào)節(jié)會(huì)影響空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果[5]。實(shí)測(cè)五個(gè)公建項(xiàng)目同一制冷季的機(jī)組能效，計(jì)算平均值得到實(shí)際COP，根據(jù)冷機(jī)樣本將實(shí)際運(yùn)行效率修正到同一冷凍水供水溫度和冷卻水回水溫度工況下，得到機(jī)組修正COP。對(duì)比同一制冷季時(shí)間段內(nèi)機(jī)組的實(shí)際COP 和修正COP，如圖5。

圖5 機(jī)組實(shí)際COP 與修正COP 對(duì)比

可見(jiàn)，項(xiàng)目A 磁懸浮機(jī)組實(shí)際運(yùn)行能效最高，實(shí)際COP 為7.11，遠(yuǎn)超冷機(jī)一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)[4]。應(yīng)用磁懸浮機(jī)組的項(xiàng)目A、B 實(shí)測(cè)能效差別很大，分析原因如下：項(xiàng)目B 機(jī)組接近滿負(fù)載運(yùn)行，負(fù)荷率在70%以上的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)超過(guò)總運(yùn)行時(shí)間的50%，而磁懸浮機(jī)組高效負(fù)荷段在40%-70%之間。且由于負(fù)荷率長(zhǎng)時(shí)間保持在較高水平，項(xiàng)目B 的冷凍水出水溫度設(shè)置較低，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目A 冷凍水平均溫度為10.9 ℃，項(xiàng)目B 為8.8 ℃。冷凍水出水溫度降低，蒸發(fā)溫度下降，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組效率降低。

磁懸浮機(jī)組修正COP 平均在5.5 左右，傳統(tǒng)冷水機(jī)組為5.7，磁懸浮機(jī)組低于傳統(tǒng)冷機(jī)，沒(méi)有表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。針對(duì)項(xiàng)目A、D 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析磁懸浮機(jī)組修正COP 低于高效螺桿機(jī)的原因，如圖6～7。

圖6 磁懸浮機(jī)組修正COP 與負(fù)荷率關(guān)系圖

圖7 高效螺桿機(jī)修正COP 與負(fù)荷率關(guān)系圖

項(xiàng)目A 磁懸浮機(jī)組修正COP 為5.51，項(xiàng)目D 高效螺桿機(jī)為5.98。圖6 可見(jiàn)，磁懸浮機(jī)組實(shí)際COP 隨負(fù)荷率增大而降低。項(xiàng)目A 磁懸浮機(jī)組負(fù)荷率偏低，機(jī)組平均負(fù)荷率為35%，冷水機(jī)組裝機(jī)容量偏大，偏離機(jī)組高效運(yùn)行范圍，機(jī)組與建筑負(fù)荷供需不匹配影響其運(yùn)行效果。圖7 可見(jiàn)，高效螺桿機(jī)負(fù)荷率范圍在60%～100%，項(xiàng)目D 機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，保持高效運(yùn)行狀態(tài)，表現(xiàn)出良好的運(yùn)行效果。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)冷水機(jī)組與建筑負(fù)荷供需匹配，搭配控制策略合理，能達(dá)到高效運(yùn)行的效果，高于磁懸浮機(jī)組能效。

2.2 實(shí)測(cè)機(jī)房整體能效

機(jī)房整體能效EER 是評(píng)價(jià)高效機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn)，其與冷水機(jī)組和水泵等輔助設(shè)備的耗電量有很大聯(lián)系。用機(jī)房EER 來(lái)表示機(jī)房整體能效，其定義式為：

式中：W總為機(jī)房總輸入電功率；W2為冷凍水泵輸入電功率；W3為冷卻水泵輸入電功率；W4為冷卻塔輸入電功率。

對(duì)實(shí)測(cè)項(xiàng)目的機(jī)房EER 進(jìn)行對(duì)比，如圖8。

圖8 機(jī)房整體能耗EER

項(xiàng)目C 機(jī)房整體能效EER 最高，項(xiàng)目A 最低。項(xiàng)目A 磁懸浮機(jī)組COP 為7.11，機(jī)房EER 為3.4，主機(jī)能效較高，機(jī)房效率偏低。根據(jù)美國(guó)ASHER 暖通協(xié)會(huì)制定的冷站能效標(biāo)準(zhǔn)[7]，EER 在3.5 以上為一般能效水平，4.1 以上為良好，項(xiàng)目A 未達(dá)到此能效標(biāo)準(zhǔn)?？照{(diào)系統(tǒng)可調(diào)控參數(shù)較多且參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)性能影響不同，導(dǎo)致冷站運(yùn)行能耗偏高的原因有：1）機(jī)組與建筑負(fù)荷供需不匹配，偏離機(jī)組高效運(yùn)行負(fù)荷區(qū)間，機(jī)組能耗偏高。2）水系統(tǒng)不匹配，輸配系統(tǒng)能耗偏高。對(duì)項(xiàng)目A、C 進(jìn)行詳細(xì)分析，分項(xiàng)能耗如圖9～10。

圖9 項(xiàng)目A 機(jī)房分項(xiàng)能耗餅狀圖

圖10 項(xiàng)目C 機(jī)房分項(xiàng)能耗餅狀圖

可見(jiàn)，項(xiàng)目A、C 的輸配系統(tǒng)能耗分別占比為45.88%、32.45%。項(xiàng)目A 的輸配系統(tǒng)能耗占比偏大，接近機(jī)房總能耗一半，水泵選型不合理。實(shí)測(cè)顯示，項(xiàng)目A 磁懸浮機(jī)組、水泵都存在選型過(guò)大的問(wèn)題，出現(xiàn)大流量小溫差的現(xiàn)象，造成機(jī)組負(fù)荷率過(guò)低，磁懸浮機(jī)組大部分運(yùn)行時(shí)間并未處于高效區(qū)間內(nèi)。水泵選型過(guò)大，且無(wú)變頻，能耗過(guò)高，進(jìn)一步抵消磁懸浮的節(jié)能效果。

3 結(jié)語(yǔ)

1）磁懸浮機(jī)組無(wú)摩擦、噪音低，名義工況COP 與普通機(jī)組相比無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，部分負(fù)荷效率IPLV 高，相比定頻機(jī)組提高51%，相比其他變頻機(jī)組平均提升5.5%。

2）實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)荷率和冷卻水回水溫度的降低，磁懸浮機(jī)組能效逐漸升高。磁懸浮機(jī)組的高效負(fù)荷段在40%～70%之間，冷卻水回水溫度每降低1 ℃，機(jī)組COP 提升5.6%左右。

3）由項(xiàng)目A 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得，磁懸浮機(jī)組實(shí)際COP達(dá)到7.11，修正COP 為5.51，磁懸浮機(jī)組未與建筑負(fù)荷做良好匹配，偏離高效負(fù)荷段運(yùn)行，修正機(jī)組能效低于傳統(tǒng)冷機(jī)。

4）輔助設(shè)備選型過(guò)大，會(huì)抵消磁懸浮機(jī)組的節(jié)能效果，導(dǎo)致機(jī)房整體能效降低。提高機(jī)房整體能效應(yīng)根據(jù)建筑負(fù)荷變化，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)選擇合適的輔助設(shè)備，同時(shí)搭配合理機(jī)房群控策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。