對IPLV應用的探討

曾振威

(深圳市拓普威機電設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建筑物形態參數、氣候狀況、主機設計負荷點和部分負荷點性能系數等,利用相關軟件如eQUEST,EnergyPlus,Dest等建立數學模型進行計算。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)和滿載設計點性能系數 (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其兼顧了滿載設計點和部分負荷點(及相應的冷卻水溫度)的綜合性能,因此在考察某臺機組的全年綜合表現比單純的滿載設計點性能更具有客觀性,因而被相關標準、業主、顧問公司、設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,一臺在滿載設計點高效但IPLV不高的機組,其全年運行費用比一臺滿載設計點低效但IPLV高的機組要少。并由此得出結論 “冷水機組的選型宜采用名義制冷工況性能系數 (COP)較高的產品,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]中的相關論點做一個闡述。

1 對ASHRAE90.1-2010機組能效規定的解讀

該標準專門針對變頻機組規定了認證途徑(Path B),因為考慮到變頻器本身在滿載設計點要增加部分能耗,因此其COP比常規機組稍低,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種負荷相關的參數的權重比較

從表1可以看出,式 (1)中的負荷權重累積只有58%,是不可能等于式 (2)的。曹琦教授指出[4]“IPLV中權重系數的真實含義是相應負荷率段的時間頻數”。表1中的58%可以理解為機組(單機)/系統 (多機)的全年平均負荷率。事實上在本例中將式 (2)乘以該系數得出的結果與式(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

但如果采用滿載設計點COP作為計算依據,則兩者分別為:

變頻機組 (IPLV=5.16):592814kWh

高效機組 (IPLV=6.82):448522kWh

從上面的結果可以看出,采用IPLV公式并乘以負荷系數的方法與實際結果的最大偏差為5.8%,而采用滿載設計點COP為計算依據的結果最大偏差為47%,那么相對來說,無疑采用IPLV比滿載設計點更接近實際。韓樹衡指出[5]:普遍來說,應該是 (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,雖然計算結果已經很接近實際,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)中的算例出現的IPLV(以kW/RT表示,筆者注)高的冷水機組反而省電的結果,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%(本例中設計工況與國標額定工況接近,對性能系數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省1%的能耗,高效機組的滿載設計點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,結合幾條簡單的主機性能曲線分析認為,在滿載設計點高效的機組對減少系統的運行能耗有利。

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

但從另外一個角度看,就系統而言,冷卻水溫度與系統負荷存在一定的關聯,隨著系統負荷的減少,冷卻水溫度也隨之降低。因此,在部分負荷運行區間,雖然單機負荷率處于高位,但冷卻水溫度已經不是設計點的溫度,因此也不能直接套用滿載設計點 (負荷為100%,冷卻水溫度為設計溫度)的性能參數。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作用——這樣導致很多使用者認為在系統部分負荷的工況下的單機冷量為滿載設計點,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表,很清楚表明在推薦的運行范圍內[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

該機組在國標規定工況下各部分負荷點的性能系數如表3。

表3 國標工況下機組部分負荷性能參數及IPLV

如果我們將表3中的部分負荷率全部改為100%負荷率,性能系數參見表2,此時各相關參數如表4,那么此時的 “IPLV”變為6.773。

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也能大致反映系統整體的 “IPLV”。

表4 負荷率100%但冷卻水溫度變化時的性能參數

那么我們能否將此規律引申到多機組系統中,我們不妨考察一個具有兩臺上述型號的機房。相關參數如表5。

此時系統 “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 “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參數

4臺機組的系統 “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能基本反映系統的IPLV。

文 [1,2]根據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”的結論是不科學的。首先是對 “部分負荷”的理解不夠全面,將系統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,結合本文第3節分析,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據,姑且不論其滿載設計點COP高達6.82能否實現,即使能夠實現,其價格是否能在采購方的承受范圍之內也是一個問題。

5 離心機組變頻節能分析

在離心機組上安裝變頻驅動被認為是回收相對快速的節能方式之一。常規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能效果。

表6 75%負荷率下不同冷卻水溫度下的節能效果

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

6 結論

(1)采用IPLV作為評估主機和系統全年能耗比滿載設計點性能參數更客觀,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的影響比負荷率更為明顯,因此滿載設計點的性能系數不能代替負荷為100%但冷卻水溫度較低工況下的性能。

(3)因此主機的選型應該將IPLV列為主要和關鍵參數。滿載設計點的耗電量主要用于電氣系統的設計 (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電的探討[J].暖通空調,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,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,2010,40(3):19-22

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

[5]韓樹衡.對如何正確應用綜合部分負荷系數之我見[J].制冷與空調,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].冷凍空調標準與檢測,2004,26(6):15-16