基于性能曲线的冷水机组配置和运行优化

李 觐

(广州市设计院,广州510620)

0 引 言

在公共建筑全年能耗中,空调系统能耗占据重要份额,在对广州15幢公共建筑的能耗调查中,空调系统的能耗占建筑总能耗平均为43.67%,而冷水机组是空调系统中的主要用能设备,在不同建筑类型 (包括写字楼、综合楼、酒店、商场)占空调系统总能耗的44.60%～55.28%[1]不等,因此,提高冷水机组的运行效率,对降低建筑能耗具有十分重要的意义。

电制冷的容积式压缩机冷水机组的技术已经相当成熟,其名义工况COP最高已经超过7,冷水机组效率进步的潜力已经很小,除非有重大的技术革新。目前,对冷水机组的节能研究主要集中在冷水机组优化运行的应用层面上[2～5],在给定设计机组配置方案下的冷水机组的运行优化涉及较多[6～8],对于设计方案中如何合理配置也有所涉及[9]。但是,前述冷水机组配置和运行优化多为采用全年逐时能耗模拟模型分析、计算机仿真运行手段进行,在日常设计中实施起来有一定难度。在空调系统设计过程中,选择不同冷水机组配置和不同的运行策略将会导致不同的空调能耗,选择和配置冷水机组是后期运行优化配置硬件基础。如何在设计中引入简单、易行、有效的计算手段,对冷水机组配置和运行的优化进行节能分析,是暖通空调设计师必须要面对的问题。

1 与冷水机组节能相关的因素

冷水机组的运行性能不但受自身因素的影响,还受其所处的运行条件的影响,因此在对各种影响因素进行分类的时候,可以先分成两大类,即:内部因素和外部因素。内部因素反映的是冷水机组的型式、制造水平、压缩机的匹配、制冷剂的种类以及充装量等;外部因素则是指冷水温度、冷却水温度等影响蒸发温度和冷凝温度的因素,具体的分类如图1所示。

另外,冷水机组负荷率 (下称 “PLRC”)是影响COP的非常重要的因素。

图1 冷水机组运行性能影响因素分类树

在设计中,与冷水机组节能相关并可以选择的主要内容包括:总装机容量、台数、类型、定频或变频、各个冷机容量、设计工况、COP和IPLV、变流量运行要求、制冷剂的种类。

在配置冷水机组时,设计工况已经是确定的,则决定上述选择的基本考虑包括:空调设计冷负荷;全年冷负荷的分布规律 (定性);冷水机组一般以选用2～4台为宜;不同类型冷水机组的制冷量适用范围和安全运行负荷率;机组部分负荷调节性能;通常不同类型的冷水机组能效由高到低的顺序为离心式冷水机组、螺杆式冷水机组、涡旋式冷水机组、吸收式冷水机组;满足国家能效等级要求的COP(越高越有利于节能)。

2 基于性能曲线的冷水机组配置和运行优化运行方法

基于性能曲线的冷水机组配置和运行优化运行方法是以冷水机组性能曲线为基础,以冷水机组最低运行COP为限值,对空调冷源的冷水机组进行配置,以实现在各种冷却水工况和建筑负荷率 (下称 “PLRB”)下冷水机组的连续高效运行,并以此为基础对冷源系统进行运行优化。

2.1 冷源系统全年运行分析

通过全年建筑能耗模拟软件,可以得到建筑全年逐时冷负荷,在此基础上,建立建筑全年能耗模型,可以分析不同冷水机组选型及不同运行策略下冷源的全年能耗,从而实现优化冷水机组配置和运行。然而,建立在全年建筑能耗模拟软件上对建筑物冷源优化方法是有其先天的不足的:首先,与统计学意义上对建筑物全年能耗进行分析不同,冷源系统运行负荷率、冷机效率与每一个时刻全部气象参数息息相关,见图2,然而全年建筑能耗模拟软件中,某一时刻气象参数含的干球温度、湿球温度、辐射强度等参数都是 “人工合成”的,因此,其用于模拟冷源运行的准确性较模拟全年建筑能耗低;其二,全年建筑能耗模拟软件采用的气象数据为典型年 (或参考年),其与实际的全年气象参数是有差别的,实际的气象环境更具随机性;其三,在建立建筑全年能耗模型时输入的功能房间的工作表与实际运行情况是有差别的,反映在商场、酒店、出租写字楼等商业建筑尤为明显。因此,不能完全依赖全年建筑能耗模拟软件对冷水机组配置和运行进行优化。

图2 室外气象参数与空调负荷、冷水机组关系示意图

若组成冷源的冷水机组配置能够实现在每个PLRB下,均有较高的COP,就解决了PLRB与冷水机组配置的关系。由于机组台数、调节性能等的限制,不可能实现每个PLRB下,均有较高的COP,所以,有必要分析全年空调负荷的组成。通常,可以按文献 [11]确定IPLV的负荷率、时间权重对冷水机组的配置进行定性分析。图3清楚表明,冷水机组的调节性能良好且COP保持不变的情况下,在PLRB为85%～35%之间,其能耗将达92%,所以,在冷源系统配置中应重点关注PLRB在85%～35%时冷水机组的运行情况。在实际运行中,图3中PLRB越低的区域冷水机组能耗增加越多,以35%～0%的PLRB为例,若冷水机组的调节性能较差,COP降低至以上计算值的50%时,其能耗占比增加至8.2%,由此可见,PLRB在35%以下区域的冷水机组运行情况仍然是不可忽视的,例如:酒店、医院、有加班负荷的写字楼等。

图3 冷水机组理想全年运行能耗各负荷区间比例

2.2 基于效率曲线的冷水机组配置

理想的冷水机组配置是通过冷水机组的合理配置,削弱PLRB对PLRC的影响,使冷水机组在各PLRB下均能保持在高效率区间运行。配置的冷水机组台数越多,PLRC与PLRB相关性越少,冷水机组更容易获得在高效区间运行;冷水机组部分负荷高效率区间越广,配置冷水机组台数越少。在设计中,选定了冷水机组制冷剂的种类、冷水温度、连续调节性能后,COP只与主机类型、PLRC、冷却水进水温度 (下称 “tc”)有关。

基于效率曲线的冷水机组配置和运行的优化是以拟选型冷水机组COP-PLRC-tc曲线为基础,以冷水机组最低运行COP为限值,对空调冷源进行冷水机组类型、容量、台数配置,实现在各种工况的 tc和PLRB下冷水机组的连续高效运行,并以此为基础对冷源系统进行运行优化。

非冷冻水一次泵流量运行、多台冷水机组并联运行的冷源系统,只要冷水机组是定冷冻水出水温度控制的,多台冷水机组PLRC的负荷率取决于冷冻水回水温度,即PLRC=运行冷冻水供回水差/设计冷冻水供回水差,多台冷水机组运行负荷率是一致的。

2.3 常用冷水机组典型COP-PLRC-tc曲线

冷水机组COP-PLRC-tc曲线是该配置方法为基础,因此,必须研究和分析常用冷水机组的COP-PLRC-tc曲线,找出各类型冷水机组的COP-PLRC-tc的典型规律,作为初选冷水机组配置的依据。常用冷水机组典型COP-PLRC-tc特性见表1。

首先邀请专家对某类别下的指标及子指标进行两两比对，决定相对重要程度，从而建立成对比较矩阵。这里需要用到三角模糊数，用于表示每一对指标的相对重要性。比如，是一个三角模糊数，那么=（l，m，u）表示：

表1所述特性给出的PLRC范围均较广,是因为实际选型当中,不同厂家或同一厂家选型的压缩机和冷凝器、蒸发器等的不同组合,均可能导致实际选型的COP峰值、COP下降拐点、安全运行范围的较大的变化。以下以某型3165kW(900RT)离心式冷水机组 (下称 “A”)、3165kW(900RT)变频离心式冷水机组 (下称 “B”)、1055kW(300RT)双机头螺杆式冷水机组 (下称 “C”)实际选型COP-PLRC-tc来说明各冷水机组类型的特性。

表1 常用冷水机组典型COP-PLRC-tc特性

由图4可见:冷水机组在不同的 tc下COPPLRC曲线的一致性较好,COP均随tc下降而提高;离心式冷水机组运行的高效区的PLRC在100%～70%之间,变频离心式冷水机组和螺杆式冷水机组运行的高效区的PLRC在100%～50%之间,PLRC-tc同时下降时COP提高均较显著,变频离心式冷水机组在低tc表现更突出。

常用冷水机组满负荷COP-PLRC-tc曲线见图5,由图5可见:在满负荷时,COP由高到低的顺序关系为离心式冷水机组>变频离心式冷水机组>螺杆式冷水机组;变频离心冷水机组运行的PLRC低于80%时,运行效率将高于离心式冷水机组;螺杆式冷水机组运行的PLRC低于34%时,运行效率将高于离心式冷水机组;变频离心冷水机组运行效率均高于螺杆式冷水机组。

图6 常用冷水机组满负荷COP-tC曲线

常用冷水机组满负荷COP-tc曲线见图6,由图6可见:在满负荷时,离心式冷水机组、螺杆式冷水机组COP均随 tc下降而线性提高,变频离心式冷水机组提高幅度较大。

2.4 基于性能曲线的冷水机组配置方法

首先,根据空调设计冷负荷QB,确定最大冷水机组运行最低允许COPmin,查冷水机组的COPPLRC-tc特性,确定该COPmin对应允许最低PLRC值RCm1。由于冷水机组在不同的 tc下COP-PLRC曲线的一致性较好,该 RCm1同样能满足不同tc下冷水机组的高效运行。此为冷源系统关闭第一台冷水机组的切换点,可确定最大的冷水机组的最大容量QC.L。在实际工程设计中,最大的冷水机组容量一般小于计算的QC.L,否则,就会造成冷源系统配置的冷水机组容量种类较多。QC.L按下式计算:

其次,根据全年冷负荷的分布规律,特别是PLRB≤35%的可能性、允许冷冻水出水温度波动,确定建筑最低允许负荷率PLRB值RBm;确定最小冷水机组运行最低允许COPmin,查冷水机组的COP-PLRC-tc特性,确定该COPmin对应允许最低PLRC值RCm2。此RCm2为冷源系统最后一台冷水机组高效安全的最低负荷率。最小的冷水机组的容量QC.S按下式计算:

表2 冷水机组运行COPmin校核表

若校核表2中的开机组合能满足冷水机组最低COPmin后,即可确认此冷水机组配置方案合理。按不同冷却水进水温度重复编制此表,这些不同冷却水进水温度下的空调负荷与主机开机组合表,可作为优化运行控制策略的依据。

3 应用实例

某酒店空调设计冷负荷QB=2000Rt,确保最低RBm为10%,最大冷水机组COPmax取设计工况满负荷COP,最小冷水机组COPmin取设计工况满负荷COP的95%,各类型冷水机组COP-PLRC-tc曲线假设均按图4,采用基于性能曲线的冷水机组配置方法配置冷源。

3.1 计算QC.L、QC.S

按取表1特性、式(1)计算QC.L、式(2)计算QC.S,见表3。

表 3 QC.L、QC.S计算表

表4 方案A冷水机组运行COPmin校核表

表5 方案B冷水机组运行COPmin校核表

3.2 初步确定冷水机组配置

以表3计算QC.L、QC.S值为基础,考虑到冷却塔的匹配关系,选用以下两个方案均是基本可行的:A—4台 500RT变频离心式冷水机组 (下称“A”),B—2台 667RT离心式冷水机组 (下称“B1”)+2台 333RT螺杆式冷水机组 (下称“B2”)。

3.3 校核机组实际运行最低COPmin

查图4 COP-PLRC-tc曲线,校核冷源中各冷水机组实际运行最低COPmin,见表4、表5。

3.4 方案A和方案B对比

分析表4、表5,通过基于性能曲线的冷水机组配置和运行分配,方案A和方案B中的冷水机组均实现了在各自较优的负荷率范围运行,能满足设计任务要求;在冷却水温较高时,方案A和方案B最大最低COPmin不超过5%,两个方案冷水机组运行能耗接近;随着冷却水温的降低,方案A的能耗优势逐渐显现,若该酒店在冬季和过渡季节不能实现全新风运行,方案A的节能优势将得到放大,方案A的节能优势根据酒店所在地域,将按夏热冬暖地区＜夏热冬冷地区＜严寒地区＜寒冷地区顺序得到强化。在考虑到冷源系统中的冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔能耗后,若冷水机组为定流量运行,则冷源系统总能耗有利于开机台数较少的方案B,若冷水机组为变流量运行,则冷源系统总能耗有利于开机台数较多的方案A。

4 结语

冷水机组的COP-PLRC-tc曲线能真实反映冷水机组的运行能效性能,基于性能曲线的冷水机组配置方法简单,可以配置出若干符合建筑物用冷需求且能耗较优的冷源方案,能定性分析不同方案之间冷水机组的能耗概况,并通过建筑空调负荷和主机开机组合及负荷率表作为优化运行的依据。

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