基于性能曲線的冷水機組配置和運行優化

李 覲

(廣州市設計院,廣州510620)

0 引 言

在公共建筑全年能耗中,空調系統能耗占據重要份額,在對廣州15幢公共建筑的能耗調查中,空調系統的能耗占建筑總能耗平均為43.67%,而冷水機組是空調系統中的主要用能設備,在不同建筑類型 (包括寫字樓、綜合樓、酒店、商場)占空調系統總能耗的44.60%～55.28%[1]不等,因此,提高冷水機組的運行效率,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冷水機組的技術已經相當成熟,其名義工況COP最高已經超過7,冷水機組效率進步的潛力已經很小,除非有重大的技術革新。目前,對冷水機組的節能研究主要集中在冷水機組優化運行的應用層面上[2～5],在給定設計機組配置方案下的冷水機組的運行優化涉及較多[6～8],對于設計方案中如何合理配置也有所涉及[9]。但是,前述冷水機組配置和運行優化多為采用全年逐時能耗模擬模型分析、計算機仿真運行手段進行,在日常設計中實施起來有一定難度。在空調系統設計過程中,選擇不同冷水機組配置和不同的運行策略將會導致不同的空調能耗,選擇和配置冷水機組是后期運行優化配置硬件基礎。如何在設計中引入簡單、易行、有效的計算手段,對冷水機組配置和運行的優化進行節能分析,是暖通空調設計師必須要面對的問題。

1 與冷水機組節能相關的因素

冷水機組的運行性能不但受自身因素的影響,還受其所處的運行條件的影響,因此在對各種影響因素進行分類的時候,可以先分成兩大類,即:內部因素和外部因素。內部因素反映的是冷水機組的型式、制造水平、壓縮機的匹配、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,冷水機組負荷率 (下稱 “PLRC”)是影響COP的非常重要的因素。

圖1 冷水機組運行性能影響因素分類樹

在設計中,與冷水機組節能相關并可以選擇的主要內容包括:總裝機容量、臺數、類型、定頻或變頻、各個冷機容量、設計工況、COP和IPLV、變流量運行要求、制冷劑的種類。

在配置冷水機組時,設計工況已經是確定的,則決定上述選擇的基本考慮包括:空調設計冷負荷;全年冷負荷的分布規律 (定性);冷水機組一般以選用2～4臺為宜;不同類型冷水機組的制冷量適用范圍和安全運行負荷率;機組部分負荷調節性能;通常不同類型的冷水機組能效由高到低的順序為離心式冷水機組、螺桿式冷水機組、渦旋式冷水機組、吸收式冷水機組;滿足國家能效等級要求的COP(越高越有利于節能)。

2 基于性能曲線的冷水機組配置和運行優化運行方法

基于性能曲線的冷水機組配置和運行優化運行方法是以冷水機組性能曲線為基礎,以冷水機組最低運行COP為限值,對空調冷源的冷水機組進行配置,以實現在各種冷卻水工況和建筑負荷率 (下稱 “PLRB”)下冷水機組的連續高效運行,并以此為基礎對冷源系統進行運行優化。

2.1 冷源系統全年運行分析

通過全年建筑能耗模擬軟件,可以得到建筑全年逐時冷負荷,在此基礎上,建立建筑全年能耗模型,可以分析不同冷水機組選型及不同運行策略下冷源的全年能耗,從而實現優化冷水機組配置和運行。然而,建立在全年建筑能耗模擬軟件上對建筑物冷源優化方法是有其先天的不足的:首先,與統計學意義上對建筑物全年能耗進行分析不同,冷源系統運行負荷率、冷機效率與每一個時刻全部氣象參數息息相關,見圖2,然而全年建筑能耗模擬軟件中,某一時刻氣象參數含的干球溫度、濕球溫度、輻射強度等參數都是 “人工合成”的,因此,其用于模擬冷源運行的準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據為典型年 (或參考年),其與實際的全年氣象參數是有差別的,實際的氣象環境更具隨機性;其三,在建立建筑全年能耗模型時輸入的功能房間的工作表與實際運行情況是有差別的,反映在商場、酒店、出租寫字樓等商業建筑尤為明顯。因此,不能完全依賴全年建筑能耗模擬軟件對冷水機組配置和運行進行優化。

圖2 室外氣象參數與空調負荷、冷水機組關系示意圖

若組成冷源的冷水機組配置能夠實現在每個PLRB下,均有較高的COP,就解決了PLRB與冷水機組配置的關系。由于機組臺數、調節性能等的限制,不可能實現每個PLRB下,均有較高的COP,所以,有必要分析全年空調負荷的組成。通常,可以按文獻 [11]確定IPLV的負荷率、時間權重對冷水機組的配置進行定性分析。圖3清楚表明,冷水機組的調節性能良好且COP保持不變的情況下,在PLRB為85%～35%之間,其能耗將達92%,所以,在冷源系統配置中應重點關注PLRB在85%～35%時冷水機組的運行情況。在實際運行中,圖3中PLRB越低的區域冷水機組能耗增加越多,以35%～0%的PLRB為例,若冷水機組的調節性能較差,COP降低至以上計算值的50%時,其能耗占比增加至8.2%,由此可見,PLRB在35%以下區域的冷水機組運行情況仍然是不可忽視的,例如:酒店、醫院、有加班負荷的寫字樓等。

圖3 冷水機組理想全年運行能耗各負荷區間比例

2.2 基于效率曲線的冷水機組配置

理想的冷水機組配置是通過冷水機組的合理配置,削弱PLRB對PLRC的影響,使冷水機組在各PLRB下均能保持在高效率區間運行。配置的冷水機組臺數越多,PLRC與PLRB相關性越少,冷水機組更容易獲得在高效區間運行;冷水機組部分負荷高效率區間越廣,配置冷水機組臺數越少。在設計中,選定了冷水機組制冷劑的種類、冷水溫度、連續調節性能后,COP只與主機類型、PLRC、冷卻水進水溫度 (下稱 “tc”)有關。

基于效率曲線的冷水機組配置和運行的優化是以擬選型冷水機組COP-PLRC-tc曲線為基礎,以冷水機組最低運行COP為限值,對空調冷源進行冷水機組類型、容量、臺數配置,實現在各種工況的 tc和PLRB下冷水機組的連續高效運行,并以此為基礎對冷源系統進行運行優化。

非冷凍水一次泵流量運行、多臺冷水機組并聯運行的冷源系統,只要冷水機組是定冷凍水出水溫度控制的,多臺冷水機組PLRC的負荷率取決于冷凍水回水溫度,即PLRC=運行冷凍水供回水差/設計冷凍水供回水差,多臺冷水機組運行負荷率是一致的。

2.3 常用冷水機組典型COP-PLRC-tc曲線

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

首先邀請專家對某類別下的指標及子指標進行兩兩比對，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，用于表示每一對指標的相對重要性。比如，是一個三角模糊數，那么=（l，m，u）表示：

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

表1 常用冷水機組典型COP-PLRC-tc特性

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

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

圖6 常用冷水機組滿負荷COP-tC曲線

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

2.4 基于性能曲線的冷水機組配置方法

首先,根據空調設計冷負荷QB,確定最大冷水機組運行最低允許COPmin,查冷水機組的COPPLRC-tc特性,確定該COPmin對應允許最低PLRC值RCm1。由于冷水機組在不同的 tc下COP-PLRC曲線的一致性較好,該 RCm1同樣能滿足不同tc下冷水機組的高效運行。此為冷源系統關閉第一臺冷水機組的切換點,可確定最大的冷水機組的最大容量QC.L。在實際工程設計中,最大的冷水機組容量一般小于計算的QC.L,否則,就會造成冷源系統配置的冷水機組容量種類較多。QC.L按下式計算:

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

表2 冷水機組運行COPmin校核表

若校核表2中的開機組合能滿足冷水機組最低COPmin后,即可確認此冷水機組配置方案合理。按不同冷卻水進水溫度重復編制此表,這些不同冷卻水進水溫度下的空調負荷與主機開機組合表,可作為優化運行控制策略的依據。

3 應用實例

某酒店空調設計冷負荷QB=2000Rt,確保最低RBm為10%,最大冷水機組COPmax取設計工況滿負荷COP,最小冷水機組COPmin取設計工況滿負荷COP的95%,各類型冷水機組COP-PLRC-tc曲線假設均按圖4,采用基于性能曲線的冷水機組配置方法配置冷源。

3.1 計算QC.L、QC.S

按取表1特性、式(1)計算QC.L、式(2)計算QC.S,見表3。

表 3 QC.L、QC.S計算表

表4 方案A冷水機組運行COPmin校核表

表5 方案B冷水機組運行COPmin校核表

3.2 初步確定冷水機組配置

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

3.3 校核機組實際運行最低COPmin

查圖4 COP-PLRC-tc曲線,校核冷源中各冷水機組實際運行最低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組配置和運行分配,方案A和方案B中的冷水機組均實現了在各自較優的負荷率范圍運行,能滿足設計任務要求;在冷卻水溫較高時,方案A和方案B最大最低COPmin不超過5%,兩個方案冷水機組運行能耗接近;隨著冷卻水溫的降低,方案A的能耗優勢逐漸顯現,若該酒店在冬季和過渡季節不能實現全新風運行,方案A的節能優勢將得到放大,方案A的節能優勢根據酒店所在地域,將按夏熱冬暖地區＜夏熱冬冷地區＜嚴寒地區＜寒冷地區順序得到強化。在考慮到冷源系統中的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔能耗后,若冷水機組為定流量運行,則冷源系統總能耗有利于開機臺數較少的方案B,若冷水機組為變流量運行,則冷源系統總能耗有利于開機臺數較多的方案A。

4 結語

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

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