冷水机组运行组合方式的节能控制策略_工程实践

摘要

摘要：结合工程实例，以能效比(EER)作为评价指标，探讨了空调系统冷水机组最佳运行组合方式。与根据实测冷负荷开启相应制冷量冷水机组的运行组合方式相比，冷水机组、冷水泵、冷却

摘要：结合工程实例，以能效比(EER)作为评价指标，探讨了空调系统冷水机组最佳运行组合方式。与根据实测冷负荷开启相应制冷量冷水机组的运行组合方式相比，冷水机组、冷水泵、冷却塔、冷却水泵的总耗电量可降低4.8%。

关键词：冷水机组；能效比；制冷性能系数

Control Strategy for Energy Saving of Combined Operation Mode of Chiller

GAO Ya-feng，LI Bai-zhan，ZHANG Wen-iie，CHEN Yu-yuan

Abstract：Based on case study，taking the energy efficiency ratio(EER)as an evaluation index，the optimal combined operation mode of chillers in air-conditioning system is investigated and compared with the combined operation mode of chillers generating the corresponding refrigerating capacity simply based on the measured cooling load. The total electric consumption of chillers，cold water pumps，cooling towers and cooling water pumps can be reduced by 4.8%.

Key words：chiller；energy efficiency ratio(EER)；coefficient of performance

1 概述

目前，中国每年竣工的建筑面积中公共建筑约4×10⁸m²，在酒店、办公、商场、教学楼等大型公共建筑中，空调系统能耗占建筑总能耗的50%以上，因此公共建筑的节能更应引起社会各方的关注^[1～4]。公共建筑的节能应着手于每个环节，空调系统节能首当其冲。空调系统中，冷水机组、冷水泵、冷却水泵及冷却塔是系统中耗能较高的设备，根据冷负荷对冷水机的运行合理配置，可以提高空调系统的节能率，且易于实现。

对于冷水机组运行的控制是在满足末端负荷要求的前提下，根据冷负荷合理确定冷水机组的运行组合方式，使空调系统具有较高的工作效率，又不至于频繁启停冷水机组，这对于保障冷水机组安全、可靠、节能运行有着重要意义。冷水机组的运行的控制方法有压差旁通控制法、回水温度控制法、负荷控制法^[5]。目前由于旁通管的选择、温度和流量传感器精度不高等因素，不同程度降低了以上3种方法对冷水机组运行的控制精度。虽然这3种方法可以满足末端负荷需求，却不一定具有最佳的节能效果^[6]。对于由多台冷水机组构成的冷源系统，某一负荷下开启冷水机组的方式多样，必然存在一种使得能耗最小的组合，且相对于以上3种控制方式而言易于实现。本文结合工程实例，对冷水机组运行组合方式的节能控制策略进行分析。

2 冷源及空调负荷概况

某教学楼是集教学、科研、办公、会议等功能于一体的综合性建筑。总建筑面积约70032m²，地下3层，地上26层，建筑高99.1m，空调面积约37000m²，教学楼的使用时间为8:00—24:00。空调系统在实际运行中，负荷随着室外温度变化。空调系统在冷负荷范围为0～10%、10%～20%、20%～30%、30%～40%、40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%的运行时间，分别占总运行时间的11.5%、17.5%、13.3%、12.7%、13.3%、13.3%、8.7%、6.6%、2.3%、0.8%。

对于大型空调系统，为使空调系统在低负荷运行时也有较高的效率，设计人员多采用大容量离心式冷水机组与小容量螺杆式冷水机组进行组合。当负荷较小时，运行螺杆式机组即可。在进行螺杆式机组选型时，可按照离心式机组制冷能力的40%进行选择^[6]。该空调系统选用3台离心式机组与1台螺杆式机组，冷水进、出水温度为13、7℃，冷却水进、出水温为32、37℃。冷水机组与附属设备见表1^[7]，冷水系统流程见图1。

表1 冷水机组与附属设备^[7]

设备名称	参数	数量/台	备注
离心式冷水机组	制冷量为2637kW，功率为490kW	3	—
螺杆式冷水机组	制冷量为1167kW，功率为251kW	1	—
冷水泵	流量为324m³/h，扬程为37m，功率为45kW	4	3用1备
冷水泵	流量为128m³/h，扬程为37m，功率为18.5kW	2	1用1备
冷却水泵	流量为700m³/h，扬程为32m，功率为75kW	4	3用1备
冷却水泵	流量为350m³/h，扬程为32m，功率为55kW	2	1用1备
冷却塔	流量为700m³/h，功率为22kW	3	—
冷却塔	流量为350m³/h，功率为11kW	1	—

3 冷水机组最佳运行组合方式

不同部分负荷率下冷水机组的性能曲线见图2。离心式机组在部分负荷率为60%时制冷性能系数最大，而后随着负荷增大而降低。螺杆式机组在满负荷运行时制冷性能系数最小，当部分负荷率为30%时最大。

本文选用能效比(EER)来评价冷水系统的运行效率，冷水系统的能效比表示冷水系统总制冷量与冷水机组、冷却塔、冷水泵、冷却水泵耗电量之比。根据冷水机组容量，不同负荷下机组运行组合方式见表2。由于在每台冷水机组出水管上均安装了定流量阀，从而确保了冷水机组与冷水泵、冷却水泵在额定流量下运行。认为冷却水泵、冷却塔的运行功率与额定功率近似相等，二者的运行功率按其额定功率计算，冷却水流量、冷水流量均为机组额定流量。在相同负荷情况下，末端设备(风机盘管)的能耗不变，只考虑冷水机组与冷水泵、冷却水泵、冷却塔的耗电量。

不同负荷范围下不同机组运行组合方式的EER变化见图3～8。由图3可知，随着负荷的增加，开启离心式机组时冷水系统的EER逐渐增加。当负荷为1091kW时，两者的EER相等。为减少冷水机组频繁开停机次数，提高使用寿命，在低负荷情况下，单独运行螺杆式机组即可。此时，EER较小(1.1～3.3)，若考虑末端风机的耗电，整个空调系统的EER将会更低。即使采取大小容量机组搭配的方式，在较低负荷时，空调系统的运行效率仍然很低，因此应减少冷水机组的开启时间甚至不开启，尽可能利用新风对室内降温。

表2 不同负荷下机组运行组合方式

负荷范围@/kW		运行组合方式
范围1	Φ/kW≤1167	螺杆式机组；1台离心式机组
范围2	1167＜Φ/kW≤2637	螺杆式机组+1台离心式机组；1台离心式机组；2台离心式机组
范围3	2637＜Φ/kW≤3804	2台离心式机组；螺杆式机组+1台离心式机组
范围4	3804＜Φ/kW≤5274	2台离心式机组；螺杆式机组+2台离心式机组；3台离心式机组
范围5	5274＜Φ/kW≤6441	2台离心式机组+螺杆式机组；3台离心式机组；螺杆式机组+3台离心式机组
范围6	6441＜Φ/kW≤7911	螺杆式机组+3台离心式机组；3台离心式机组
范围7	7911＜Φ/kW	螺杆式机组+3台离心式机组

由图4可知，当负荷范围为1167～2637kW时，只开启1台离心式机组，冷水系统的效率将会达到最高，此时EER为3.70～4.22。由图5可知，当负荷范围为2637～2910kW时，初期开启螺杆式机组+1台离心式机组的EER略高于开启2台离心式机组，但随着负荷的增加，开启2台离心式机组的EER将会逐渐增大至4.13，远高于开启螺杆式机组+1台离心式机组。由于负荷范围2637～2910kW运行时间较短，在实际运行中，负荷范围为2637～3804kW时，采用开启2台离心式机组的方案。此时，冷水系统的EER为3.78～4.13。由图6可知，当负荷范围为3804～5274kW时，采用开启2台离心式机组的方案，冷水系统EER最高。由图7、8可知，当负荷范围为5274～7911kW时，应开启3台离心式机组，此时冷水系统的效率最高。冷水机组最佳运行组合方式见表3。

表3 冷水机组最佳运行组合方式

负荷范围∥kw	冷水系统EER	最佳运行组合方式
Φ/kW≤1091	1.1～3.3	螺杆式机组
1091＜Φ/kW≤2637	3.3～4.1	1台离心式机组
2637＜Φ/kW≤5274	3.8～4.2	2台离心式机组
5274＜Φ/kW≤7911	4.1～4.2	3台离心式机组

4 冷水机组实际运行组合方式

4.1 制冷性能系数的影响因素

在实际运行时，冷水机组的运行情况很难做到与额定情况相同，因此冷水机组的最大制冷量、制冷性能系数与图1相比存在一定差别。因此，应对不同负荷下冷水机组的冷水出水温度、冷却水进水温度、冷却水、冷水管道的污垢系数等进行适当修正。冷水机组的冷水出水温度每增加1℃或冷却水进水温度每降低1℃时，制冷性能系数增加2%～3%^[8]。下面从冷水出水温度、冷却水进水温度、污垢系数3个方面进行分析。

① 冷水出水温度

随着冷水出水温度的升高，冷水机组的制冷量与制冷性能系数有所提高。当冷水出水温度由6℃提高到10℃时，制冷量提高13%，制冷性能系数提高11%。

② 冷却水进水温度

随着冷却水进水温度的降低，冷水机组的制冷量与性能系数有所提高。当冷却水进水温度由32℃降低到26℃时，制冷量与制冷性能系数均提高约20%。

③ 污垢系数

受水质的影响，冷水机组换热器会结垢，随着冷水机组运行时间的延长，结垢现象会越发严重，污垢系数会增大，换热器的换热能力将会下降，机组的制冷量及制冷性能系数也会随之降低。

4.2 实际运行组合方式

增开冷水机组的判断条件：当一段时间内(15～20min)^[9]冷水机组冷水出水温度的实测值高于设定值时，判定冷水机组的制冷量已经达到最大值，此时运行的冷水机组已不能满足末端负荷的需要，应增开一台冷水机组。根据以上分析，考虑一定的余量，可得到冷水机组实际运行组合方式(见表4)。

表4 冷水机组实际运行组合方式

负荷范围Φ/kW	实际运行组合方式
Φ/kW≤1000	螺杆式机组
1000＜Φ/kW≤2400	1台离心式机组
2400＜Φ/kW≤4800	2台离心式机组
4800＜Φ/kW≤7200	3台离心式机组
7200＜Φ/kW	螺杆式机组+3台离心式机组

5 最佳运行组合方式的节能分析

该工程的原有运行组合方式为随实测负荷增加，逐渐增开大容量的冷水机组，具体开机顺序为：螺杆式机组-1台离心式机组-螺杆式机组+1台离心式机组-螺杆式机组+2台离心式机组-螺杆式机组+3台离心式机组。这种方式为传统的开停机顺序，只是单一根据负荷增加逐渐增开冷水机组，并未充分考虑冷水机组的制冷性能系数。

原有与最佳运行组合方式的比较见表5。其他设备耗电量为冷水泵、冷却水泵、冷却塔耗电量之和。最佳与原有运行组合方式相比，冷水机组的节电率为7.0%，总节电率为4.8%。由此可见，最佳运行组合方式的节电效果相当明显。

表5 原有运行组合方式与最佳运行组合方式的比较

组合方式	冷水机组配置	运行时间/h	冷水机组耗电量/(kW·h)	其他设备耗电量/(kW·h)
原有方式	螺杆式机组	568	8.8×10⁴	13.7×10⁴
	1台离心式机组	720	22.9×10⁴	33.1×10⁴
	螺杆式机组+1台离心式机组	543	33.2×10⁴	45.5×10⁴
	螺杆式机组+2台离心式机组	714	61.6×10⁴	87.3×10⁴
	螺杆式机组+3台离心式机组	31	3.9×10⁴	5.6×10⁴
最佳方式	螺杆式机组	511	7.5×10⁴	11.9×10⁴
	1台离心式机组	777	24.1×10⁴	35.1×10⁴
	2台离心式机组	1076	69.4×10⁴	99.9.×10₄
	3台离心式机组	212	20.3×10⁴	9.2×10⁴

6 结论

合理的冷水相组运行组合方式，不但可以有效提高房间的舒适度，而且可以降低空调系统能耗。

参考文献：

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[8] 龙恩深.冷热源工程[M].重庆：重庆大学出版社，2002.

[9] 王健.制冷机组的能量调节策略分析[J].工程设计CAD与智能建筑，2002，(11)：8-10.

(本文作者：高亚锋¹ 李百战¹ 章文洁¹ 陈玉远² 1.重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆 400045：2.中铁第四勘查设计院集团有限公司湖北武汉 430063)