中央空調冷水機組能源效率與負荷率動態匹配節能技術

李玉街 / 王琪瑋（貴州匯通華城股份有限公司，貴州 貴陽 550018）

1 引言

在各種中央空調系統中，冷水機組的能耗都是最大的，因此，有效降低冷水機組的能耗尤為重要。

由于空調系統的負荷總是隨著室外氣象條件和室內人流量的改變而變化的，據統計，冷水機組滿負荷的運行時間不到總運行時間的3%，其余絕大部分時間都是在部分負荷下運行，由此可見，冷水機組的能耗其實主要是在部分負荷工況下運行的能耗。因此，如何降低部分負荷工況下冷水機組的能耗，就成為中央空調節能的關鍵所在。

2 冷水機組的部分負荷性能

冷水機組的運行能耗與其性能有關，而冷水機組的性能包括全負荷性能和部分負荷性能。

評價冷水機組的性能參數很多，但衡量冷水機組的動力經濟性指標通常采用制冷性能系數COP（Coefficient of Performance）， 也稱制冷系數。它是指在規定的工況下冷水機組的制冷量與所消耗的功率之比，即消耗單位功率所獲得的制冷量。因此，COP表示了冷水機組的能源利用效率。

冷水機組的COP越大，表示冷水機組能源利用效率越高，冷水機組的性能就越好，反之就越差。但冷水機組的COP并不是固定不變的，它不僅隨運行工況的不同而不同，而且隨空調負荷的變化而變化。

冷水機組在部分負荷工況下的運行性能稱為冷水機組的部分負荷性能。冷水機組部分負荷性能的優劣對其運行能耗的影響是很大的。

目前，評價冷水機組部分負荷性能的指標一般都采用“綜合部分負荷性能系數” IPLV（Integrate Partial Load Value）。美國空調與制冷學會在ARI 550/590 98標準中規定的IPLV計算公式見式（1）：

IPLV = 0.01A + 0.42B + 0.45C + 0.12D（1）

式中 A、B、C、D分別是冷水機組在100%、75%、50%和25%負荷下的EER， 式中的系數是冷水機組在評價負荷點運行時的權重系數。

我國國家標準《公共建筑節能設計標準》(GB 50189-2005)中規定的IPLV計算公式和檢測條件見式（2）：

IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D （2）

式中 A—100%負荷時的性能系數（W/W），冷卻水進水溫度30℃；

B—75%負荷時的性能系數（W/W），冷卻水進水溫度26℃；

C—50%負荷時的性能系數（W/W），冷卻水進水溫度23℃；

D—25%負荷時的性能系數（W/W），冷卻水進水溫度19℃。

可見，無論是美國標準中，還是我國標準中，IPLV都是在部分負荷時的權重系數高，以強化冷水機組的部分負荷性能。

隨著冷水機組技術的不斷進步，先進的冷水機組都有較完善的自動控制裝置，能夠根據負荷變化自動調節機組內制冷劑的循環流量，使制冷量的輸出跟隨負荷的變化而改變，從而大大改善了機組的部分負荷性能。

3 負荷率對冷水機組COP的影響

冷水機組的性能特別是能源利用效率COP，與眾多因素有關，如運行工況—使用側的冷凍水溫度和放熱側的冷卻水溫度，以及部分負荷率（Part Load Rate 簡稱PLR）。

運行工況直接反映了冷水機組外部因素對機組性能的影響；而部分負荷率PLR指的是冷水機組實際制冷量與額定制冷量的比值，它反映了冷水機組內部因素對機組性能的影響。

工程上，通常將COP表示成PLR的函數，見式（3）。

函數f的形式一般為多項式，可通過現場試驗曲線擬合得到。不同類型冷水機組的COP與PLR的函數關系也不同。

例如，某制冷量650 RT/h離心式冷水機組，其制冷量、耗電量與負荷率PLR的關系，如表1所示。

表1 某離心式冷水機組制冷量、電量與負荷率PLR的關系

可見，當負荷率在60%時，該冷水機組制冷效率最高，單位冷量的耗電最少，其單位冷量的耗電比100%負荷時低17.27%。

又如，某螺桿式冷水機組的部分負荷性能參數如表2所示：

表2 某螺桿式冷水機組的部分負荷性能參數

從表2中數據可以看出，在負荷率為60%時，COP最高，比100%負荷時高83.8%。

對于吸收式冷水機組，其COP最大點亦在部分負荷區域內。如某直燃機COP與負荷率的關系，見表3。

表3 某直燃機COP與負荷率的關系

PLR在50%時，該直燃機COP最高，比額定負荷時高19.05%。

可見，不論何種類型的冷水機組，當其負荷率PLR改變時，冷水機組的能源效率COP都會變化，并在某一負荷率下具有最大值。

當冷水機組部分負荷性能優于全負荷性能時，若使冷水機組在其高效的部分負荷區域內運行，必將顯著地提高其能源效率，這無疑是實現冷水機組節能的一種有效途徑。

4 冷水機組制冷量與負荷需冷量的匹配

中央空調系統不可能總在滿負荷下運行，隨著建筑物內部和外部熱量的變化，空調系統實際上就是一個動態的部分負荷率PLR隨變系統。

當冷水機組的制冷量與空調負荷需冷量一致時，則制冷劑在蒸發器內吸收的熱量正好等于空調負荷的熱量，此時的冷水機組工作點稱為平衡點。

冷水機組的制冷量是否與空調負荷平衡，不僅關系到建筑物內部空氣環境的質量，也關系到空調系統的效率與能耗。當冷水機組制冷量大于負荷需冷量（即冷量過剩）時，必定存在冷量的浪費；當冷水機組制冷量小于負荷需冷量（即冷量不足）時，又會影響建筑物內的空調效果。

因此，在變負荷工況下，如何實現冷水機組制冷量與負荷的匹配，同時又使冷水機組運行在高效的負荷率區域，這就是冷水機組節能需要研究的重要技術課題。

目前，中央空調系統運行時，往往通過冷水機組運行臺數組合來適應建筑物對冷量的需求。但由于缺乏必要的技術手段和裝備，不少中央空調系統的運行管理人員并不了解自己所操控的冷水機組的性能，也不知道冷水機組COP的高效負荷區域，還以為冷水機組在滿負荷甚至超負荷運行時最節能。殊不知，正是這種盲目地讓冷水機組總是工作于滿負荷甚至超負荷的低COP狀態，才造成了中央空調系統能源效率的低下。

近年來，為了降低冷水機組的能耗，人們研制了冷水機組的群控技術，即根據空調負荷的大小，對多臺冷水機組的運行臺數進行調控，但絕大多數都是根據冷凍水的供回水溫度或溫差來控制機組的運行臺數。

而在《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2005）中第5.5.4條，要求“冷水機組優先采用由冷量優化控制運行臺數的方式”。因為冷水機組COP的最高點通常位于該機組的某一部分負荷區域，所以，采用冷量控制的方式比采用溫度或溫差控制的方式更有利于冷水機組在高效率區域運行而實現節能。

采用冷量優化控制方式，就是根據空調負荷所需的冷量多少來確定機組運行的臺數組合，以實現冷量的供需平衡，確保空調的服務質量。同時使冷水機組工作于高效的部分負荷區域，最大限度地降低機組的運行能耗。

5 基于能源效率與負荷率動態匹配的冷水機組節能控制技術

在多臺冷水機組聯合運行時，應用了計算機技術、自動控制技術等先進的技術手段，根據空調負荷變化和各臺冷水機組的部分負荷效率（COP－PLR）特性，擇優選擇機組運行臺數組合并動態分配其負荷，使每臺機組都能在高COP負荷區域內運行，從而實現冷水機組效率與負荷的匹配，在保證空調效果的前提下使冷水機組總能耗最低。這就是基于能源效率COP與負荷率PLR動態匹配的冷水機組節能控制技術，它是一種采用由冷量優化控制運行臺數的方式。

實現冷水機組能源效率COP與負荷率PLR動態匹配，需要注意以下幾個環節：

1）建立冷水機組運行特性分析模型

不同類型的冷水機組其部分負荷性能各不相同，相同類型的冷水機組其部分負荷性能也有差異。因此，只有準確掌握了各臺冷水機組的性能（即能源效率COP與負荷率PLR的關系），才可能實現其效率與負荷率的匹配。

實際工程中，被普遍忽視的一個問題是：當同一型號的冷水機組在相同工作環境中運行時，其實際性能（COP）也往往存在較大的差異。因此，需要應用信息采集技術獲取冷水機組在各種負荷率下運行的制冷量和能耗數據，再應用計算機技術建立起冷水機組運行特性分析模型，從而獲得各臺冷水機組能源效率COP與PLR的關系曲線。即各臺冷水機組實際的部分負荷性能特性，充分掌握每臺冷水機組高效運行的負荷率范圍，為機組效率與負荷率的最佳匹配提供依據。

2）建立空調負荷預測分析模型

中央空調負荷的時變性為冷水機組的能源效率與負荷率匹配增加了難度，盲目的調控往往難以獲得預期的效果。只有準確地知道了空調負荷的大小及其變化規律，才能為其選擇合適的機組運行臺數組合，在保障其負荷需求的情況下實現機組的經濟運行。為此，需要對空調系統的負荷進行動態預測。

通過空調負荷預測，可獲得建筑物當日的逐時負荷信息，建立起反映建筑物空調負荷變化規律的負荷曲線，進而得到當日各個時段的負荷工況，為冷水機組的運行調控提供科學的依據，以防止盲目或頻繁地啟停機組。

3）建立冷水機組效率與負荷動態匹配模型

當多臺冷水機組聯合運行時，冷水機組總能耗不僅與運行機組的性能有關，而且與運行機組間的負荷分配有關。因此，應根據建筑物空調負荷的變化和各臺機組的部分負荷性能，動態分配每臺機組所承擔的負荷，使每臺機組都運行在自己的高效負荷區域內，從而實現機組效率與負荷動態匹配。

為此，需要建立冷水機組效率與負荷動態匹配模型，根據不同空調季節、不同負荷時段所處的不同負荷工況，以及所配置的冷水機組臺數及每臺機組的COP－PLR特性，擇優選擇機組的運行臺數組合。

當空調負荷和機組運行組合確定后，各臺運行機組之間的負荷分配方案不同，機組效率與負荷率的匹配優劣不同，則運行機組總能耗也會不同。因此，運行機組間的負荷分配是影響機組效率與負荷率匹配優劣的又一關鍵所在。顯然，這種負荷分配既要動態分配，又要優化分配，才能使每臺機組都能高效運行，實現機組總能耗最低。

4）建立基于運行機組總效率最佳的群控策略

在同一個空調日內的不同負荷時段，往往會采用不同的機組運行組合，各種機組運行組合之間的交叉和銜接好壞（比如加機、減機、停機條件和時間的控制），同樣會對機組的總能耗產生影響。為此，需要建立基于運行機組總效率最佳的群控策略。

所謂的群控策略，就是冷水機組的控制邏輯，即在什么條件下開機或加機，什么條件下減機或停機。雖然通過冷水機組效率與負荷動態匹配模型可以獲得優化的運行組合方案，但運行組合方案并不是控制邏輯，只有建立了相應的群控策略，優化的運行組合方案才有可能實現。

根據空調負荷變化情況、機組運行組合方案和群控策略，實時推測和判斷開機、加機、減機或停機的條件及最佳時刻；預測開機、加機、減機后各臺機組的負荷率、COP及運行機組總的COPs，并與實際檢測值進行比較、驗證；若有偏差，分析其原因并采取針對性措施，動態調節各臺機組之間的負荷分配，以實現機組效率與負荷率的最佳匹配，使運行機組的總能耗最低。

6 結語

當今，冷水機組已是一個制冷量可調節的系統，在其制冷量可調節范圍內，使其制冷量輸出始終工作于高效的負荷率上，這就是冷水機組節能的控制目標，也是冷水機組節能的有效方法。

空調負荷多變，各臺機組COP隨PLR的變化特性又不一致，要在保障建筑物的冷量需求下實現冷水機組效率與負荷率的動態匹配和優化匹配，雖不是很難的事，但也并不簡單。

只有應用當今先進的技術手段，才能在變負荷工況下擇優選擇冷水機組的優化運行組合，并動態分配運行組合內各臺機組間的負荷，確保每臺機組都工作在其COP的高效負荷區，使運行機組的整體效率最佳、總能耗最低。

目前，基于能源利用效率COP與負荷率PLR動態匹配的冷水機組節能控制技術已在全國各地眾多的中央空調節能工程項目中得到成功應用，實現了冷水機組節能10%～30%的良好效果

[1]中國建筑科學研究院，中國建筑業協會建筑節能專業委員會. 公共建筑節能設計標準GB 50189-2005[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2005.

[2]李玉街，蔡小兵，郭林.中央空調系統模糊控制節能技術及應用[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2009.

[3]蔣小強，龍惟定，李敏. 部分負荷下冷水機組運行方案的優化[J]. 制冷與空調,2009,9(3):96-97.