中央空調(diào)冷水機(jī)組能源效率與負(fù)荷率動(dòng)態(tài)匹配節(jié)能技術(shù)

李玉街 / 王琪瑋（貴州匯通華城股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550018）

1 引言

在各種中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷水機(jī)組的能耗都是最大的，因此，有效降低冷水機(jī)組的能耗尤為重要。

由于空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷總是隨著室外氣象條件和室內(nèi)人流量的改變而變化的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，冷水機(jī)組滿負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)間不到總運(yùn)行時(shí)間的3%，其余絕大部分時(shí)間都是在部分負(fù)荷下運(yùn)行，由此可見(jiàn)，冷水機(jī)組的能耗其實(shí)主要是在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行的能耗。因此，如何降低部分負(fù)荷工況下冷水機(jī)組的能耗，就成為中央空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵所在。

2 冷水機(jī)組的部分負(fù)荷性能

冷水機(jī)組的運(yùn)行能耗與其性能有關(guān)，而冷水機(jī)組的性能包括全負(fù)荷性能和部分負(fù)荷性能。

評(píng)價(jià)冷水機(jī)組的性能參數(shù)很多，但衡量冷水機(jī)組的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)通常采用制冷性能系數(shù)COP（Coefficient of Performance）， 也稱制冷系數(shù)。它是指在規(guī)定的工況下冷水機(jī)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(jī)組的能源利用效率。

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

冷水機(jī)組在部分負(fù)荷工況下的運(yùn)行性能稱為冷水機(jī)組的部分負(fù)荷性能。冷水機(jī)組部分負(fù)荷性能的優(yōu)劣對(duì)其運(yùn)行能耗的影響是很大的。

目前，評(píng)價(jià)冷水機(jī)組部分負(fù)荷性能的指標(biāo)一般都采用“綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)” IPLV（Integrate Partial Load Value）。美國(guó)空調(diào)與制冷學(xué)會(huì)在ARI 550/590 98標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的IPLV計(jì)算公式見(jiàn)式（1）：

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

式中 A、B、C、D分別是冷水機(jī)組在100%、75%、50%和25%負(fù)荷下的EER， 式中的系數(shù)是冷水機(jī)組在評(píng)價(jià)負(fù)荷點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的權(quán)重系數(shù)。

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189-2005)中規(guī)定的IPLV計(jì)算公式和檢測(cè)條件見(jiàn)式（2）：

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

式中 A—100%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)（W/W），冷卻水進(jìn)水溫度30℃；

B—75%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)（W/W），冷卻水進(jìn)水溫度26℃；

C—50%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)（W/W），冷卻水進(jìn)水溫度23℃；

D—25%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)（W/W），冷卻水進(jìn)水溫度19℃。

可見(jiàn)，無(wú)論是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，還是我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，IPLV都是在部分負(fù)荷時(shí)的權(quán)重系數(shù)高，以強(qiáng)化冷水機(jī)組的部分負(fù)荷性能。

隨著冷水機(jī)組技術(shù)的不斷進(jìn)步，先進(jìn)的冷水機(jī)組都有較完善的自動(dòng)控制裝置，能夠根據(jù)負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組內(nèi)制冷劑的循環(huán)流量，使制冷量的輸出跟隨負(fù)荷的變化而改變，從而大大改善了機(jī)組的部分負(fù)荷性能。

3 負(fù)荷率對(duì)冷水機(jī)組COP的影響

冷水機(jī)組的性能特別是能源利用效率COP，與眾多因素有關(guān)，如運(yùn)行工況—使用側(cè)的冷凍水溫度和放熱側(cè)的冷卻水溫度，以及部分負(fù)荷率（Part Load Rate 簡(jiǎn)稱PLR）。

運(yùn)行工況直接反映了冷水機(jī)組外部因素對(duì)機(jī)組性能的影響；而部分負(fù)荷率PLR指的是冷水機(jī)組實(shí)際制冷量與額定制冷量的比值，它反映了冷水機(jī)組內(nèi)部因素對(duì)機(jī)組性能的影響。

工程上，通常將COP表示成PLR的函數(shù)，見(jiàn)式（3）。

函數(shù)f的形式一般為多項(xiàng)式，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)曲線擬合得到。不同類型冷水機(jī)組的COP與PLR的函數(shù)關(guān)系也不同。

例如，某制冷量650 RT/h離心式冷水機(jī)組，其制冷量、耗電量與負(fù)荷率PLR的關(guān)系，如表1所示。

表1 某離心式冷水機(jī)組制冷量、電量與負(fù)荷率PLR的關(guān)系

可見(jiàn)，當(dāng)負(fù)荷率在60%時(shí)，該冷水機(jī)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(fù)荷時(shí)低17.27%。

又如，某螺桿式冷水機(jī)組的部分負(fù)荷性能參數(shù)如表2所示：

表2 某螺桿式冷水機(jī)組的部分負(fù)荷性能參數(shù)

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，在負(fù)荷率為60%時(shí)，COP最高，比100%負(fù)荷時(shí)高83.8%。

對(duì)于吸收式冷水機(jī)組，其COP最大點(diǎn)亦在部分負(fù)荷區(qū)域內(nèi)。如某直燃機(jī)COP與負(fù)荷率的關(guān)系，見(jiàn)表3。

表3 某直燃機(jī)COP與負(fù)荷率的關(guān)系

PLR在50%時(shí)，該直燃機(jī)COP最高，比額定負(fù)荷時(shí)高19.05%。

可見(jiàn)，不論何種類型的冷水機(jī)組，當(dāng)其負(fù)荷率PLR改變時(shí)，冷水機(jī)組的能源效率COP都會(huì)變化，并在某一負(fù)荷率下具有最大值。

當(dāng)冷水機(jī)組部分負(fù)荷性能優(yōu)于全負(fù)荷性能時(shí)，若使冷水機(jī)組在其高效的部分負(fù)荷區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，必將顯著地提高其能源效率，這無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組節(jié)能的一種有效途徑。

4 冷水機(jī)組制冷量與負(fù)荷需冷量的匹配

中央空調(diào)系統(tǒng)不可能總在滿負(fù)荷下運(yùn)行，隨著建筑物內(nèi)部和外部熱量的變化，空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際上就是一個(gè)動(dòng)態(tài)的部分負(fù)荷率PLR隨變系統(tǒng)。

當(dāng)冷水機(jī)組的制冷量與空調(diào)負(fù)荷需冷量一致時(shí)，則制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收的熱量正好等于空調(diào)負(fù)荷的熱量，此時(shí)的冷水機(jī)組工作點(diǎn)稱為平衡點(diǎn)。

冷水機(jī)組的制冷量是否與空調(diào)負(fù)荷平衡，不僅關(guān)系到建筑物內(nèi)部空氣環(huán)境的質(zhì)量，也關(guān)系到空調(diào)系統(tǒng)的效率與能耗。當(dāng)冷水機(jī)組制冷量大于負(fù)荷需冷量（即冷量過(guò)剩）時(shí)，必定存在冷量的浪費(fèi)；當(dāng)冷水機(jī)組制冷量小于負(fù)荷需冷量（即冷量不足）時(shí)，又會(huì)影響建筑物內(nèi)的空調(diào)效果。

因此，在變負(fù)荷工況下，如何實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組制冷量與負(fù)荷的匹配，同時(shí)又使冷水機(jī)組運(yùn)行在高效的負(fù)荷率區(qū)域，這就是冷水機(jī)組節(jié)能需要研究的重要技術(shù)課題。

目前，中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，往往通過(guò)冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)組合來(lái)適應(yīng)建筑物對(duì)冷量的需求。但由于缺乏必要的技術(shù)手段和裝備，不少中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理人員并不了解自己所操控的冷水機(jī)組的性能，也不知道冷水機(jī)組COP的高效負(fù)荷區(qū)域，還以為冷水機(jī)組在滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)最節(jié)能。殊不知，正是這種盲目地讓冷水機(jī)組總是工作于滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷的低COP狀態(tài)，才造成了中央空調(diào)系統(tǒng)能源效率的低下。

近年來(lái)，為了降低冷水機(jī)組的能耗，人們研制了冷水機(jī)組的群控技術(shù)，即根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的大小，對(duì)多臺(tái)冷水機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)進(jìn)行調(diào)控，但絕大多數(shù)都是根據(jù)冷凍水的供回水溫度或溫差來(lái)控制機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。

而在《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2005）中第5.5.4條，要求“冷水機(jī)組優(yōu)先采用由冷量?jī)?yōu)化控制運(yùn)行臺(tái)數(shù)的方式”。因?yàn)槔渌畽C(jī)組COP的最高點(diǎn)通常位于該機(jī)組的某一部分負(fù)荷區(qū)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(jī)組在高效率區(qū)域運(yùn)行而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

采用冷量?jī)?yōu)化控制方式，就是根據(jù)空調(diào)負(fù)荷所需的冷量多少來(lái)確定機(jī)組運(yùn)行的臺(tái)數(shù)組合，以實(shí)現(xiàn)冷量的供需平衡，確保空調(diào)的服務(wù)質(zhì)量。同時(shí)使冷水機(jī)組工作于高效的部分負(fù)荷區(qū)域，最大限度地降低機(jī)組的運(yùn)行能耗。

5 基于能源效率與負(fù)荷率動(dòng)態(tài)匹配的冷水機(jī)組節(jié)能控制技術(shù)

在多臺(tái)冷水機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等先進(jìn)的技術(shù)手段，根據(jù)空調(diào)負(fù)荷變化和各臺(tái)冷水機(jī)組的部分負(fù)荷效率（COP－PLR）特性，擇優(yōu)選擇機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)組合并動(dòng)態(tài)分配其負(fù)荷，使每臺(tái)機(jī)組都能在高COP負(fù)荷區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組效率與負(fù)荷的匹配，在保證空調(diào)效果的前提下使冷水機(jī)組總能耗最低。這就是基于能源效率COP與負(fù)荷率PLR動(dòng)態(tài)匹配的冷水機(jī)組節(jié)能控制技術(shù)，它是一種采用由冷量?jī)?yōu)化控制運(yùn)行臺(tái)數(shù)的方式。

實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組能源效率COP與負(fù)荷率PLR動(dòng)態(tài)匹配，需要注意以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

1）建立冷水機(jī)組運(yùn)行特性分析模型

不同類型的冷水機(jī)組其部分負(fù)荷性能各不相同，相同類型的冷水機(jī)組其部分負(fù)荷性能也有差異。因此，只有準(zhǔn)確掌握了各臺(tái)冷水機(jī)組的性能（即能源效率COP與負(fù)荷率PLR的關(guān)系），才可能實(shí)現(xiàn)其效率與負(fù)荷率的匹配。

實(shí)際工程中，被普遍忽視的一個(gè)問(wèn)題是：當(dāng)同一型號(hào)的冷水機(jī)組在相同工作環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，其實(shí)際性能（COP）也往往存在較大的差異。因此，需要應(yīng)用信息采集技術(shù)獲取冷水機(jī)組在各種負(fù)荷率下運(yùn)行的制冷量和能耗數(shù)據(jù)，再應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立起冷水機(jī)組運(yùn)行特性分析模型，從而獲得各臺(tái)冷水機(jī)組能源效率COP與PLR的關(guān)系曲線。即各臺(tái)冷水機(jī)組實(shí)際的部分負(fù)荷性能特性，充分掌握每臺(tái)冷水機(jī)組高效運(yùn)行的負(fù)荷率范圍，為機(jī)組效率與負(fù)荷率的最佳匹配提供依據(jù)。

2）建立空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)分析模型

中央空調(diào)負(fù)荷的時(shí)變性為冷水機(jī)組的能源效率與負(fù)荷率匹配增加了難度，盲目的調(diào)控往往難以獲得預(yù)期的效果。只有準(zhǔn)確地知道了空調(diào)負(fù)荷的大小及其變化規(guī)律，才能為其選擇合適的機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)組合，在保障其負(fù)荷需求的情況下實(shí)現(xiàn)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為此，需要對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。

通過(guò)空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)，可獲得建筑物當(dāng)日的逐時(shí)負(fù)荷信息，建立起反映建筑物空調(diào)負(fù)荷變化規(guī)律的負(fù)荷曲線，進(jìn)而得到當(dāng)日各個(gè)時(shí)段的負(fù)荷工況，為冷水機(jī)組的運(yùn)行調(diào)控提供科學(xué)的依據(jù)，以防止盲目或頻繁地啟停機(jī)組。

3）建立冷水機(jī)組效率與負(fù)荷動(dòng)態(tài)匹配模型

當(dāng)多臺(tái)冷水機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，冷水機(jī)組總能耗不僅與運(yùn)行機(jī)組的性能有關(guān)，而且與運(yùn)行機(jī)組間的負(fù)荷分配有關(guān)。因此，應(yīng)根據(jù)建筑物空調(diào)負(fù)荷的變化和各臺(tái)機(jī)組的部分負(fù)荷性能，動(dòng)態(tài)分配每臺(tái)機(jī)組所承擔(dān)的負(fù)荷，使每臺(tái)機(jī)組都運(yùn)行在自己的高效負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組效率與負(fù)荷動(dòng)態(tài)匹配。

為此，需要建立冷水機(jī)組效率與負(fù)荷動(dòng)態(tài)匹配模型，根據(jù)不同空調(diào)季節(jié)、不同負(fù)荷時(shí)段所處的不同負(fù)荷工況，以及所配置的冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)及每臺(tái)機(jī)組的COP－PLR特性，擇優(yōu)選擇機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)組合。

當(dāng)空調(diào)負(fù)荷和機(jī)組運(yùn)行組合確定后，各臺(tái)運(yùn)行機(jī)組之間的負(fù)荷分配方案不同，機(jī)組效率與負(fù)荷率的匹配優(yōu)劣不同，則運(yùn)行機(jī)組總能耗也會(huì)不同。因此，運(yùn)行機(jī)組間的負(fù)荷分配是影響機(jī)組效率與負(fù)荷率匹配優(yōu)劣的又一關(guān)鍵所在。顯然，這種負(fù)荷分配既要?jiǎng)討B(tài)分配，又要優(yōu)化分配，才能使每臺(tái)機(jī)組都能高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)組總能耗最低。

4）建立基于運(yùn)行機(jī)組總效率最佳的群控策略

在同一個(gè)空調(diào)日內(nèi)的不同負(fù)荷時(shí)段，往往會(huì)采用不同的機(jī)組運(yùn)行組合，各種機(jī)組運(yùn)行組合之間的交叉和銜接好壞（比如加機(jī)、減機(jī)、停機(jī)條件和時(shí)間的控制），同樣會(huì)對(duì)機(jī)組的總能耗產(chǎn)生影響。為此，需要建立基于運(yùn)行機(jī)組總效率最佳的群控策略。

所謂的群控策略，就是冷水機(jī)組的控制邏輯，即在什么條件下開(kāi)機(jī)或加機(jī)，什么條件下減機(jī)或停機(jī)。雖然通過(guò)冷水機(jī)組效率與負(fù)荷動(dòng)態(tài)匹配模型可以獲得優(yōu)化的運(yùn)行組合方案，但運(yùn)行組合方案并不是控制邏輯，只有建立了相應(yīng)的群控策略，優(yōu)化的運(yùn)行組合方案才有可能實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)空調(diào)負(fù)荷變化情況、機(jī)組運(yùn)行組合方案和群控策略，實(shí)時(shí)推測(cè)和判斷開(kāi)機(jī)、加機(jī)、減機(jī)或停機(jī)的條件及最佳時(shí)刻；預(yù)測(cè)開(kāi)機(jī)、加機(jī)、減機(jī)后各臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷率、COP及運(yùn)行機(jī)組總的COPs，并與實(shí)際檢測(cè)值進(jìn)行比較、驗(yàn)證；若有偏差，分析其原因并采取針對(duì)性措施，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各臺(tái)機(jī)組之間的負(fù)荷分配，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組效率與負(fù)荷率的最佳匹配，使運(yùn)行機(jī)組的總能耗最低。

6 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今，冷水機(jī)組已是一個(gè)制冷量可調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，在其制冷量可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，使其制冷量輸出始終工作于高效的負(fù)荷率上，這就是冷水機(jī)組節(jié)能的控制目標(biāo)，也是冷水機(jī)組節(jié)能的有效方法。

空調(diào)負(fù)荷多變，各臺(tái)機(jī)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(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組效率與負(fù)荷率的動(dòng)態(tài)匹配和優(yōu)化匹配，雖不是很難的事，但也并不簡(jiǎn)單。

只有應(yīng)用當(dāng)今先進(jìn)的技術(shù)手段，才能在變負(fù)荷工況下?lián)駜?yōu)選擇冷水機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行組合，并動(dòng)態(tài)分配運(yùn)行組合內(nèi)各臺(tái)機(jī)組間的負(fù)荷，確保每臺(tái)機(jī)組都工作在其COP的高效負(fù)荷區(qū)，使運(yùn)行機(jī)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(fù)荷率PLR動(dòng)態(tài)匹配的冷水機(jī)組節(jié)能控制技術(shù)已在全國(guó)各地眾多的中央空調(diào)節(jié)能工程項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了冷水機(jī)組節(jié)能10%～30%的良好效果

[1]中國(guó)建筑科學(xué)研究院，中國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì)建筑節(jié)能專業(yè)委員會(huì). 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50189-2005[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]李玉街，蔡小兵，郭林.中央空調(diào)系統(tǒng)模糊控制節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[3]蔣小強(qiáng)，龍惟定，李敏. 部分負(fù)荷下冷水機(jī)組運(yùn)行方案的優(yōu)化[J]. 制冷與空調(diào),2009,9(3):96-97.