冷水機組變頻改造節能性能分析

馮勁梅 許 俊上海應用技術大學

冷水機組變頻改造節能性能分析

馮勁梅 許 俊
上海應用技術大學

通過對上海金山區某公司冷水機組系統變頻改造前后進行數據采集及工況監視，分析改造前后節能情況,采用冷水機組系統COP值和外部效率ICOP、內部效率DCOP綜合評價冷水機組的運行性能。數據顯示：改造前后COP節能率為24.56%；改造前后ICOP節能率為39.63%；改造前后DCOP節能率為-20.45%。本次變頻改造外部系統運行節能效果較明顯，COP和ICOP提高顯著；但冷水機組本身效率不升反降，內部因素DCOP有一定的下降，這表明，傳輸系統以及相應的冷機系統變頻改造使系統總能耗降低，但冷水機組的功效利用還有挖掘潛力。系統總體的COP值的提高不能保證機組內部效率的提升，在變頻節能改造工程中，需要考慮充分提高冷水機組運行效率，達到進一步降低系統運行的能耗的效果。

冷水機組；COP；DCOP；ICOP；節能改造

Fund Item: Shanghai Alliance Program Project（LM2016031）

冷水機組廣泛應用于現代民用與工業的各種領域，發揮著重要作用，但冷水機組的運行也消耗了大量的能源，為了達到節能目的，往往需要對冷水機組進行節能改造。為了達到冷水機組的節能，采用變頻驅動裝置的冷水機組目前得到廣泛使用[1-4]。已有的文獻表明，中央空調系統采用變頻機，在80%的負荷下達到最佳的節能效果，節能33%，年運行費用平均可節省15%[5]；冷水機組采用變頻VSD裝置，約2年左右即可收回投資[6]。現以上海金山區某公司冷水機組的變頻改造測試為例，進行節能效果分析，并對冷水機組在工業中運用的實際效果進行分析預測，提出最大程度上發揮變頻的冷水機組節能效果的方法，有助于節能改造時，提高冷水機組運行效率，降低能耗。

1 評價指標

目前用于評價冷水機組的能效特性主要有冷水機組的名義工況性能系數COP和綜合部分負荷性能系數IPLV兩個重要指標[7]。

其中A、B、C、D分別是冷水機組在100%、75%、50%和25%負荷下的EER或COP。本次實測項目冷水機組節能改造前后的負荷率（PLR）改造前在55%～75%間波動，改造后在35%～55%況基本穩定，運用IPLV指標評價并不合適，故采用COP指標進行評價。冷水機組負荷率變化詳見圖1。

圖1 冷水機組改造前后負荷率PLR

將COP作為單一指標來評價冷水機組運行性能及進行節能診斷時有其不足之處。其一，COP是指冷量與電耗的比值，其值反映了冷水機組運行的經濟性好壞，COP直觀地反映了冷水機組的整體運行性能，但是卻忽略了不同因素的影響；其二，在進行節能分析計算對冷水機組的性能進行數學描述時，一般采用的方法是將COP擬合成負荷率PLR的函數，這樣實際上主觀的認為冷水機組的COP只與負荷率有關，而與冷水機組所處的運行條件無關，是不科學的[8]。故在此基礎上，本文采用文獻[8]提出的ICOP（外部效率）及DCOP（內部效率）概念，將機組運行多方面因素綜合起來評價冷水機組的運行性能。

式中：ICOP——冷水機組運行外部效率，即理想COP；Tev——蒸發溫度，K；Tcd——冷凝溫度，K。

式中：DCOP ——冷水機組運行內部效率。

2 冷水機組運行性能評價及節能分析

2.1 測試情況

上海金山區某公司原有組件區冷水機組系統（包括機組、冷凍水循環水泵、冷卻水循環水泵、室外冷卻塔等）均為定頻運轉，沒有根據系統流量、溫度變化、室外氣象條件變化進行相應的運行模式調整，該公司對整個冷水機組系統進行變頻節能改造。冷水機組裝機情況如表1所示。

表1 冷水機組裝機情況

本文根據連續測試數據對冷水機組系統變頻改造前后性能進行對比分析，對改造后的節能效果進行綜合評價，為工業生產中冷水機組節能改造應用效果提供科學依據。

2.2 運行性能評價

（1）機組COP評價

經測定，該冷水機組改造前運行綜合COP為3.01，改造后運行綜合COP為3.99，數據采樣以1 min為步長，測試時間24 h。瞬時COP與PLR關系如圖2所示。

圖2 COP-PLR散點關系

從圖1和圖2可知，變頻節能改造后，冷水機組運行負荷率PLR大幅降低，從55%～75%的區間降低至35%～55%。而COP值有明顯提升。

通過對節能率測試和計算，得出制冷機及熱泵機組在測試期間的實際平均輸出冷（熱）量Q和相應的平均有效輸入功率P，計算出制冷機組及熱泵機組的性能系數COP(COP=Q/P)。考慮到測試工況條件參數的變化，再對改造后的冷（熱）量變化進行可比性修正，最后確定改造后的節能率。計算公式如下[9]。

由表2可知，節能率為24.56%，從COP值的單一性能評價角度來說，本次節能改造效果顯著。

一般情況COP-PLR呈現的曲線為凸曲線，整體呈現先上升后下降趨勢[8]。由圖2可知，由于冷水機組運行負荷率較為集中，改造前后COP值均隨著PLR的增加呈單邊緩慢上升趨勢，改造后COP值較改造前有明顯提高，但并未達到文獻[8]中所述的凸點，故本次改造功效的利用仍有可繼續挖掘的潛力。

（2）外部效率ICOP評價

外部因素包括蒸發溫度和冷凝溫度[10]，其數值反映的是冷水機組的運行條件好壞，數值越大，冷水機組運行條件越好，反之越差。

冷水機組改造前后ICOP與PLR的散點關系如圖3所示。

圖3 ICOP-PLR散點關系

表2 改造前后冷水機組測試數據匯總

長趨勢，幅度較小；改造后隨著PLR增加，

ICOP呈單調下降趨勢。在絕對數值上，ICOP值改造后明顯大于改造前，改造后冷水機組的運行條件得到大幅提升，冷水機組運行性能優越，本次改造效果顯著。

表3 改造前后ICOP值匯總

（3）內部效率DCOP評價

內部因素包括冷水機組的型式、制造水平、壓縮機的匹配、制冷劑的種類以及充裝量等[8]，DCOP反映的是冷水機組的內部特性，可以通過一定的調試方式對其進行調試，使其對冷水機組運行性能的影響程度降低到最小，達到最佳工作狀態，屬于可控因素。冷水機組改造前后DCOP與PLR的散點關系如圖4所示。

圖4 DCOP-PLR散點關系

由圖4可知，改造前后冷水機組DCOP值均隨著PLR的增加而呈現上升趨勢，提高系統DCOP值的策略是盡量讓冷水機組處于高負荷率下工作，PLR值越大，DCOP值越大。

本次改造中改造前DCOP值大于改造后，由表4可知，改造后的DCOP比改造前低20%，冷水機組內部效率不升反降，從冷水機組內部因素角度看，該公司冷水機組改造并不成功，并未達到冷水機組自身高效運行的目的。

表4 改造前后DCOP值匯總

3 分析與結論

（1）分析

冷水機組在不同負荷率（PLR）下運行，COP、ICOP、DCOP值均有不同幅度變化。該公司對冷水機組進行變頻改造。變頻驅動裝置能根據冷水出水溫度與設定值的溫差和壓縮機的壓頭來優化電機轉速和導流葉片的開度，從而滿足負荷要求，并使機組功能最優，效率最高。

改造后冷水機組一直處于低負荷率工況下運行，改造并未從根本上觸動系統的內部因素，僅僅通過變頻使得外部因素（ICOP）與冷水機組運行工況更加匹配，優化了運行條件，達到節能的效果；雖然從單一的綜合COP值角度來講冷水機組節能效果顯著，改造獲得了極大成功，達到了降低能耗的目的；但是，改造后冷水機組處于低負荷率工況下運行，DCOP值小于改造前，綜合來講，改造后的冷水機組運行效果比改造前降低了。

（2）結論

本次測試及數據分析分別從COP、ICOP、DCOP與PLR的關系分析改造前后冷水機組的運行性能，改造前后的冷水機組節能效果如表5所示。

表5 改造前后冷水機組節能效果

由表5的數據可得出以下結論：

等觀念日益深入人心的情況下，環保政策逐漸出臺、環保整治壓力逐漸增大，降低水、電、煤、氣能耗，減少產品原材料使用量，推出低碳產品成為陶瓷企業發展的必然道路。說它是有相應技術和產品實物的階段，是因為陶瓷行業面臨節能降耗的巨大壓力下，陶瓷企業開發低碳產品的步子早已邁開，降低燃料和原料用量的陶瓷薄板早已問世。實際上，陶瓷行業不是缺乏低碳產品，而是缺乏對這些產品的宣傳和大范圍的推廣、使用。但在節能環保、降低碳排放量的大趨勢下，瓷磚的薄型化必然會成為行業未來發展的主要方向。因此，越早掌握瓷磚薄型化生產技術就可能使得企業在競爭中搶得優勢。而要在應用上推廣薄型磚，企業負有生產、說服商家銷售及向消費者宣傳薄型磚性能及使用意義的責任。而商家越早進入薄型磚的銷售，也能在市場競爭中搶得頭籌。

（1）從單一COP值指標來分析，冷水機組改造較為成功，改造后COP值有明顯提升（改造前3.01，改造后3.99），節能率為24.56%，冷水機組整體運行系統達到了節能目的。

（2）影響冷水機組運行性能的外部因素ICOP改造后從5.56提高到9.21，節能率為39.63%，冷水機組節能改造效果顯著。

（3）影響冷水機組運行性能的內部因素DCOP改造后從0.53降低到0.44，節能率為-20.45%，改造并未達到預期節能效果，冷水機組運行性能有一定幅度降低。

4 結語

在實際冷水機組變頻節能改造工程中，驗收標準往往注重于降低系統總能耗，提升COP值，而忽略了從冷水機組運行內部因素或外部因素的角度來降低能耗，可能導致改造后盡管系統能耗降低，但冷水機組并沒有達到最佳運行性能，其運行工況與額定工況并不匹配。雖然冷水機組內部效率DCOP下降能夠達到整體冷水機組運行COP提高，達到系統運行節能效果，但是改造并不徹底，冷水機組還有相當大的節能潛力。因此，在冷水機組變頻節能改造時，應充分考慮機組特性，有針對性地選擇改造方案，達到最優的節能效果。

為了充分挖掘冷水機組的節能潛力，在冷水機組的節能改造工程中除提升ICOP之外，應更加關注DCOP值，通過提高冷水機組負荷率PLR等相關措施，使冷水機組盡可能的在高負荷率下運行；提高壓縮機壓縮比，或對于部分機組可采取重新選型等方式來提升冷水機組的DCOP值，以達到冷水機組運行工況與額定工況匹配、運行工況與輸送系統、用戶荷載匹配的最佳節能效果。

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Performance Analysis of Chiller Plant VFD Energy Saving Renovation

Feng Jinmei, Xu Jun
Shanghai Applied Technology University

Through online monitoring of operation data collection and working condition before and after chiller plant VFD energy saving renovation at some company of Shanghai jinshan district, the author analyzes energy saving effect before and after chiller plant VFD energy saving renovation and applies COP value of chiller plant system and ICOP and DCOP to evaluate operation performance of chiller plant. Data results in 24.56% of COP energy saving rate, 39.63% of ICOP energy saving rate and -20.45% of DCOP energy saving rate before and after chiller plant VFD energy saving renovation, which shows that VFD external system renovation has obvious operation energy savingeffect with COP and ICOP improvement. But self efficiency of chiller plant doesn’t improve and internal factor DCOP decreases at some level. The article shows that transferring system and related chiller plant system VFD renovation reduce whole system energy consumption, but there is still some potential in chiller plant power efficiency utilization. COP of system improvement doesn’t guarantee internal efficiency improvement of chiller plant. We should take full consideration of improving chiller plant operation efficiency to reduce system operation energy consumption during VFD energy saving renovation project

Chiller Plant, COP, DCOP, ICOP, Energy Saving Renovation

上海市聯盟計劃項目（LM2016031）

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.08.012

馮勁梅：（1969—），女，博士，副教授，碩士生導師。研究方向：建筑設備節能，綠色智能建筑。