一體式冷水機(jī)組運(yùn)行能效分析

嚴(yán) 琨，曾賀湛，王 升

（1.珠海橫琴能源發(fā)展有限公司，珠海519000；2.珠海格力電器股份有限公司，珠海519070）

1 引言

隨著我國(guó)城市的迅速發(fā)展，城市中公共建筑占比逐年提高，而在公共建筑能耗中，空調(diào)系統(tǒng)能耗占30%～50%，其中制冷主機(jī)、水泵和冷卻塔能耗 （統(tǒng)稱為冷站能耗）占70%以上［1］。目前全球能源緊缺，在全國(guó)節(jié)能減排的大背景下，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗已經(jīng)勢(shì)在必行。因此，提升冷站的運(yùn)行能效水平對(duì)公共建筑節(jié)能具有重大意義。

近年來(lái)隨著商用空調(diào)領(lǐng)域人力成本的提升、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境的不斷提高和完善，新型的一體式冷水機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生，它具有廠內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)零施工調(diào)試等優(yōu)勢(shì)。目前主機(jī)為永磁同步變頻離心機(jī)、水冷螺桿機(jī)、定頻離心機(jī)、風(fēng)冷螺桿機(jī)的一體式冷水機(jī)組構(gòu)成了主力空調(diào)機(jī)型［2，3］。研究不同主機(jī)類型一體式冷水機(jī)組的全年運(yùn)行能耗，對(duì)提升冷站節(jié)能效果具有重要意義。

2 一體式冷水機(jī)組的概況

一體式冷水機(jī)組將冷凍機(jī)房、冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、膨脹水箱及冷站系統(tǒng)管道設(shè)備和測(cè)控裝置集成一體化裝置［4］，使中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試變得簡(jiǎn)單可靠。一體式冷水機(jī)組內(nèi)部各部件的裝配圖如圖1所示，它不需要額外設(shè)置空調(diào)機(jī)房，直接放置在空地上連接好主電源及空調(diào)系統(tǒng)冷凍水進(jìn)／出水管，即可投入運(yùn)行使用［5］。一體式冷水機(jī)組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，一體式冷水機(jī)組內(nèi)部主要分為冷水機(jī)組、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 一體式冷水機(jī)組集成式裝配圖

3 一體式冷水機(jī)組運(yùn)行能效分析

本節(jié)基于DeST軟件和一體式冷水機(jī)組全工況性能曲線進(jìn)行能耗仿真。其中，DeST軟件是由清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬軟件平臺(tái)。該平臺(tái)能夠進(jìn)行建筑環(huán)境模擬預(yù)測(cè)以及性能評(píng)估［6］。本文通過(guò)全年逐時(shí)能耗仿真，對(duì)各類型一體式冷水機(jī)組的運(yùn)行能效進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2 一體式冷水機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

3.1 建筑負(fù)荷模擬

本文研究的建筑對(duì)象為珠海地區(qū)建筑面積為9373m2的辦公建筑。根據(jù)建筑負(fù)荷模擬結(jié)果，確定全年冷負(fù)荷最高日為8月7日。圖3展示了8月7日的冷負(fù)荷和濕球溫度逐時(shí)變化趨勢(shì)圖。

圖3 8月7日冷負(fù)荷和濕球溫度變化趨勢(shì)

圖4 展示出了從3月到11月的逐月單位面積制冷量，其中4月的單位面積制冷量最低，制冷量為19.6kWh／m2；7月份的單位面積制冷量最高，制冷量為37.0kWh／m2。全年單位面積累計(jì)制冷量為 254.3 kWh／m2。

3.2 方案設(shè)計(jì)

一體式冷水機(jī)組主機(jī)分別采用變頻離心機(jī)、定頻離心機(jī)、水冷螺桿機(jī)、以及風(fēng)冷螺桿機(jī)。為了研究不同一體式冷水機(jī)組類型的全年運(yùn)行能效，本文采用四種額定制冷量同為400RT的一體式冷水機(jī)組各一臺(tái)進(jìn)行仿真模擬。表1是模擬計(jì)算時(shí)所采用的各類型一體式冷水機(jī)組的主要參數(shù)。

圖5（a）和 （b）分別是在冷凍水出水溫度為7℃、冷卻水進(jìn)水溫度分別為 15℃、19℃、23℃、26℃和30℃的工況下永磁同步變頻離心機(jī)和定頻離心機(jī)的全工況性能曲線圖?？梢钥闯?，在冷卻水溫度較低 （26℃以下）時(shí)，永磁同步變頻離心機(jī)的機(jī)組能效比提升顯著，現(xiàn)對(duì)于定頻離心機(jī)能效優(yōu)勢(shì)明顯。

圖4 系統(tǒng)逐月單位面積制冷量

表1 一體式冷水機(jī)組系統(tǒng)主要參數(shù)

3.3 能耗仿真結(jié)果

本文通過(guò)典型日、逐月和全年等三個(gè)維度對(duì)一體式冷水機(jī)組的全年運(yùn)行能效進(jìn)行分析。

一體式冷水機(jī)組系統(tǒng)能效的評(píng)估，需要計(jì)算統(tǒng)計(jì)冷水機(jī)組運(yùn)行效率 （COP），系統(tǒng)耗電量以及系統(tǒng)綜合能效比 （EERs）等參數(shù)。其中，COP是指冷水機(jī)組制備的冷量與冷水機(jī)組能耗之比。EERs是空調(diào)系統(tǒng)制備的總冷量與空調(diào)系統(tǒng)總能耗之比。系統(tǒng)耗電量包含主機(jī)、冷凍水泵系統(tǒng)、冷卻水泵系統(tǒng)和冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的耗電量［7］。

（1）負(fù)荷最高日情況

圖6（a）和 （b）分別對(duì)比了典型日8月7日主機(jī)為永磁同步變頻式離心機(jī)、水冷螺桿機(jī)、定頻離心機(jī)、風(fēng)冷螺桿機(jī)的一體式冷水機(jī)組的系統(tǒng)逐時(shí)綜合能效比以及系統(tǒng)逐時(shí)單位耗電量。根據(jù)圖6（a），永磁同步變頻式離心機(jī)的系統(tǒng)逐時(shí)綜合能效比最高，其次是水冷式螺桿機(jī)組和定頻離心式機(jī)組，最低的是風(fēng)冷式冷水機(jī)組。根據(jù)圖6（b），風(fēng)冷式螺桿機(jī)組的日系統(tǒng)耗電量最高，然后是定頻離心機(jī)、水冷螺桿機(jī)，永磁同步變頻式離心機(jī)的系統(tǒng)耗電量最小。其中，在12點(diǎn)能耗出現(xiàn)拐點(diǎn)的原因是，中午時(shí)分工作場(chǎng)所人員休息導(dǎo)致負(fù)荷偏低，使得耗電量降低?？梢钥闯?，永磁同步變頻式離心機(jī)在8月7日運(yùn)行期間的系統(tǒng)綜合能效比相對(duì)于其它3種機(jī)組類型具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖5 永磁同步變頻離心機(jī)和定頻離心機(jī)的性能曲線圖

（2）逐月情況

圖7（a）和 （b）分別對(duì)比了主機(jī)為永磁同步變頻離心機(jī)、水冷螺桿機(jī)、定頻離心機(jī)、風(fēng)冷螺桿機(jī)的一體式冷水機(jī)組逐月系統(tǒng)綜合能效比以及逐月系統(tǒng)單位面積耗電量。根據(jù)圖7（a），整個(gè)機(jī)組運(yùn)行期間，相同月份永磁同步變頻離心機(jī)的系統(tǒng)綜合能效比最高，其次是水冷式螺桿機(jī)組和定頻離心式機(jī)組，最低的是風(fēng)冷螺桿機(jī)；根據(jù)圖7（b），整個(gè)機(jī)組運(yùn)行期間，相同月份風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組的系統(tǒng)耗電量最高，其次是定頻離心機(jī)和水冷螺桿機(jī)，永磁同步變頻離心機(jī)的系統(tǒng)耗電量最低。在3、4、10、11月等過(guò)渡季節(jié)下，主機(jī)為永磁同步變頻離心機(jī)的一體式冷水機(jī)組的節(jié)能效果更突出。（3）全年情況

全年情況分冷水機(jī)組和一體式冷水機(jī)組系統(tǒng)兩種情況討論。

1）冷水機(jī)組情況

圖8展示了冷水機(jī)組全年能效比COP和單位耗電量。根據(jù)圖8（a），使用永磁同步變頻離心機(jī)的全年機(jī)組能效比COP最高，達(dá)到8.63；其次是水冷螺桿機(jī)和定頻離心機(jī)，分別為6.28和5.82；全年機(jī)組能效比COP最低的是風(fēng)冷螺桿機(jī)，僅為3.33。永磁同步變頻離心機(jī)機(jī)組能效比幾乎是風(fēng)冷螺桿機(jī)的3倍。根據(jù)圖8（b），永磁同步變頻離心機(jī)、水冷螺桿機(jī)、定頻離心機(jī)和風(fēng)冷螺桿機(jī)的全年機(jī)組單位面積總耗電量逐漸增加，分別為29.47 kW·h／m2、40.50 kW·h／m2、43.68kW·h／m2和76.46 kW·h／m2。永磁同步變頻離心機(jī)相對(duì)于水 冷螺桿機(jī)、定頻離心機(jī)和風(fēng)冷螺桿機(jī)的機(jī)組節(jié)能率 分別為27.24%、32.54%和61.46%?？梢钥闯鲈谥迫⊥瑯又评淞康那疤嵯拢来磐阶冾l離心機(jī)的機(jī)組節(jié)能效果明顯。

圖6 典型日一體式冷水機(jī)組系統(tǒng)綜合能效比和逐時(shí)耗電功率

圖7 一體式冷水機(jī)組逐月系統(tǒng)綜合能效比和單位面積耗電量

圖8 冷水機(jī)組全年機(jī)組能效比和單位面積耗電量

2）一體式冷水機(jī)組系統(tǒng)情況

圖9展示了全年一體式冷水機(jī)組和風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組系統(tǒng)綜合能效比 （EERs）和單位耗電量。根據(jù)圖9（a），使用永磁同步變頻離心機(jī)的一體式冷水機(jī)組的全年系統(tǒng)綜合能效比最高，為6.54；其次是水冷螺桿機(jī)和定頻離心機(jī)，分別為5.09和4.78；全年系統(tǒng)綜合能效比最低的是風(fēng)冷螺桿機(jī)系統(tǒng)，僅為3.19，永磁同步變頻離心機(jī)系統(tǒng)綜合能效比是風(fēng)冷螺桿機(jī)系統(tǒng)的2倍多。根據(jù)圖9（b），永磁同步變頻離心機(jī)、水冷螺桿機(jī)、定頻離心機(jī)和風(fēng)冷螺桿機(jī)的全年系統(tǒng)單位總耗電量逐漸增加，分別 為 38.89 kW · h／m2、49.97 kW · h／m2、53.17kW·h／m2和 79.80 kW·h／m2，全年系統(tǒng)綜合能效比逐漸降低，分別為6.54、5.09、4.78和3.19。永磁同步變頻離心機(jī)相對(duì)于水冷螺桿機(jī)、定頻離心機(jī)和風(fēng)冷螺桿機(jī)的系統(tǒng)節(jié)能率分別為22.17%、26.84%和51.26%。可以看出采用永磁同步變頻離心機(jī)的一體式冷水機(jī)組系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。

圖9 一體式冷水機(jī)組全年系統(tǒng)綜合能效比和單位面積耗電量

4 結(jié)論

（1）在制取相同制冷量的情況下，主機(jī)為永磁同步變頻離心機(jī)的一體式冷水機(jī)組全年系統(tǒng)綜合能效比 （EERs）最高，達(dá)到了6.54，相對(duì)于主機(jī)為水冷螺桿機(jī)、定頻離心機(jī)和風(fēng)冷螺桿機(jī)的一體式冷水機(jī)組的全年系統(tǒng)節(jié)能率分別為22.17%、26.84%和51.26%。

（2）在只考慮冷水機(jī)組情況下，永磁同步變頻離心機(jī)的運(yùn)行能效 （COP）最高，達(dá)到了8.63，相對(duì)于主機(jī)為水冷螺桿機(jī)、定頻離心機(jī)和風(fēng)冷螺桿機(jī)的節(jié)能率分別為27.24%、32.54%和61.46%。可以得出，在不考慮冷凍水和冷卻水系統(tǒng)功耗的情況下，永磁同步變頻離心機(jī)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。

（3）在3、4、10、11月等過(guò)渡季節(jié)下，主機(jī)為永磁同步變頻離心機(jī)的一體式冷水機(jī)組的節(jié)能效果更突出。