冷水機(jī)組運(yùn)行組合方式的節(jié)能控制策略

摘 要

摘要：結(jié)合工程實(shí)例，以能效比(EER)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探討了空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組最佳運(yùn)行組合方式。與根據(jù)實(shí)測冷負(fù)荷開啟相應(yīng)制冷量冷水機(jī)組的運(yùn)行組合方式相比，冷水機(jī)組、冷水泵、冷卻
摘要：結(jié)合工程實(shí)例，以能效比(EER)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探討了空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組最佳運(yùn)行組合方式。與根據(jù)實(shí)測冷負(fù)荷開啟相應(yīng)制冷量冷水機(jī)組的運(yùn)行組合方式相比，冷水機(jī)組、冷水泵、冷卻塔、冷卻水泵的總耗電量可降低4.8%。
關(guān)鍵詞：冷水機(jī)組；能效比；制冷性能系數(shù)
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，中國每年竣工的建筑面積中公共建筑約4×108m2，在酒店、辦公、商場、教學(xué)樓等大型公共建筑中，空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的50%以上，因此公共建筑的節(jié)能更應(yīng)引起社會(huì)各方的關(guān)注[1～4]。公共建筑的節(jié)能應(yīng)著手于每個(gè)環(huán)節(jié)，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能首當(dāng)其沖?？照{(diào)系統(tǒng)中，冷水機(jī)組、冷水泵、冷卻水泵及冷卻塔是系統(tǒng)中耗能較高的設(shè)備，根據(jù)冷負(fù)荷對冷水機(jī)的運(yùn)行合理配置，可以提高空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率，且易于實(shí)現(xiàn)。
   對于冷水機(jī)組運(yùn)行的控制是在滿足末端負(fù)荷要求的前提下，根據(jù)冷負(fù)荷合理確定冷水機(jī)組的運(yùn)行組合方式，使空調(diào)系統(tǒng)具有較高的工作效率，又不至于頻繁啟停冷水機(jī)組，這對于保障冷水機(jī)組安全、可靠、節(jié)能運(yùn)行有著重要意義。冷水機(jī)組的運(yùn)行的控制方法有壓差旁通控制法、回水溫度控制法、負(fù)荷控制法[5]。目前由于旁通管的選擇、溫度和流量傳感器精度不高等因素，不同程度降低了以上3種方法對冷水機(jī)組運(yùn)行的控制精度。雖然這3種方法可以滿足末端負(fù)荷需求，卻不一定具有最佳的節(jié)能效果[6]。對于由多臺(tái)冷水機(jī)組構(gòu)成的冷源系統(tǒng)，某一負(fù)荷下開啟冷水機(jī)組的方式多樣，必然存在一種使得能耗最小的組合，且相對于以上3種控制方式而言易于實(shí)現(xiàn)。本文結(jié)合工程實(shí)例，對冷水機(jī)組運(yùn)行組合方式的節(jié)能控制策略進(jìn)行分析。
2 冷源及空調(diào)負(fù)荷概況
    某教學(xué)樓是集教學(xué)、科研、辦公、會(huì)議等功能于一體的綜合性建筑?？偨ㄖ娣e約70032m2，地下3層，地上26層，建筑高99.1m，空調(diào)面積約37000m2，教學(xué)樓的使用時(shí)間為8:00—24:00?？照{(diào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，負(fù)荷隨著室外溫度變化?？照{(diào)系統(tǒng)在冷負(fù)荷范圍為0～10%、10%～20%、20%～30%、30%～40%、40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%的運(yùn)行時(shí)間，分別占總運(yùn)行時(shí)間的11.5%、17.5%、13.3%、12.7%、13.3%、13.3%、8.7%、6.6%、2.3%、0.8%。
    對于大型空調(diào)系統(tǒng)，為使空調(diào)系統(tǒng)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)也有較高的效率，設(shè)計(jì)人員多采用大容量離心式冷水機(jī)組與小容量螺桿式冷水機(jī)組進(jìn)行組合。當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)，運(yùn)行螺桿式機(jī)組即可。在進(jìn)行螺桿式機(jī)組選型時(shí)，可按照離心式機(jī)組制冷能力的40%進(jìn)行選擇[6]。該空調(diào)系統(tǒng)選用3臺(tái)離心式機(jī)組與1臺(tái)螺桿式機(jī)組，冷水進(jìn)、出水溫度為13、7℃，冷卻水進(jìn)、出水溫為32、37℃。冷水機(jī)組與附屬設(shè)備見表1[7]，冷水系統(tǒng)流程見圖1。
表1 冷水機(jī)組與附屬設(shè)備[7]
設(shè)備名稱
參數(shù)
數(shù)量/臺(tái)
備注
離心式冷水機(jī)組
制冷量為2637kW，功率為490kW
3
—
螺桿式冷水機(jī)組
制冷量為1167kW，功率為251kW
1
—
冷水泵
流量為324m3/h，揚(yáng)程為37m，功率為45kW
4
3用1備
流量為128m3/h，揚(yáng)程為37m，功率為18.5kW
2
1用1備
冷卻水泵
流量為700m3/h，揚(yáng)程為32m，功率為75kW
4
3用1備
流量為350m3/h，揚(yáng)程為32m，功率為55kW
2
1用1備
冷卻塔
流量為700m3/h，功率為22kW
3
—
流量為350m3/h，功率為11kW
1
—
 
3 冷水機(jī)組最佳運(yùn)行組合方式
    不同部分負(fù)荷率下冷水機(jī)組的性能曲線見圖2。離心式機(jī)組在部分負(fù)荷率為60%時(shí)制冷性能系數(shù)最大，而后隨著負(fù)荷增大而降低。螺桿式機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)制冷性能系數(shù)最小，當(dāng)部分負(fù)荷率為30%時(shí)最大。
 
    本文選用能效比(EER)來評(píng)價(jià)冷水系統(tǒng)的運(yùn)行效率，冷水系統(tǒng)的能效比表示冷水系統(tǒng)總制冷量與冷水機(jī)組、冷卻塔、冷水泵、冷卻水泵耗電量之比。根據(jù)冷水機(jī)組容量，不同負(fù)荷下機(jī)組運(yùn)行組合方式見表2。由于在每臺(tái)冷水機(jī)組出水管上均安裝了定流量閥，從而確保了冷水機(jī)組與冷水泵、冷卻水泵在額定流量下運(yùn)行。認(rèn)為冷卻水泵、冷卻塔的運(yùn)行功率與額定功率近似相等，二者的運(yùn)行功率按其額定功率計(jì)算，冷卻水流量、冷水流量均為機(jī)組額定流量。在相同負(fù)荷情況下，末端設(shè)備(風(fēng)機(jī)盤管)的能耗不變，只考慮冷水機(jī)組與冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔的耗電量。
    不同負(fù)荷范圍下不同機(jī)組運(yùn)行組合方式的EER變化見圖3～8。由圖3可知，隨著負(fù)荷的增加，開啟離心式機(jī)組時(shí)冷水系統(tǒng)的EER逐漸增加。當(dāng)負(fù)荷為1091kW時(shí)，兩者的EER相等。為減少冷水機(jī)組頻繁開停機(jī)次數(shù)，提高使用壽命，在低負(fù)荷情況下，單獨(dú)運(yùn)行螺桿式機(jī)組即可。此時(shí)，EER較小(1.1～3.3)，若考慮末端風(fēng)機(jī)的耗電，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的EER將會(huì)更低。即使采取大小容量機(jī)組搭配的方式，在較低負(fù)荷時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率仍然很低，因此應(yīng)減少冷水機(jī)組的開啟時(shí)間甚至不開啟，盡可能利用新風(fēng)對室內(nèi)降溫。
表2 不同負(fù)荷下機(jī)組運(yùn)行組合方式
負(fù)荷范圍@/kW
運(yùn)行組合方式
范圍1
Φ/kW≤1167
螺桿式機(jī)組；1臺(tái)離心式機(jī)組
范圍2
1167＜Φ/kW≤2637
螺桿式機(jī)組+1臺(tái)離心式機(jī)組；1臺(tái)離心式機(jī)組；2臺(tái)離心式機(jī)組
范圍3
2637＜Φ/kW≤3804
2臺(tái)離心式機(jī)組；螺桿式機(jī)組+1臺(tái)離心式機(jī)組
范圍4
3804＜Φ/kW≤5274
2臺(tái)離心式機(jī)組；螺桿式機(jī)組+2臺(tái)離心式機(jī)組；3臺(tái)離心式機(jī)組
范圍5
5274＜Φ/kW≤6441
2臺(tái)離心式機(jī)組+螺桿式機(jī)組；3臺(tái)離心式機(jī)組；螺桿式機(jī)組+3臺(tái)離心式機(jī)組
范圍6
6441＜Φ/kW≤7911
螺桿式機(jī)組+3臺(tái)離心式機(jī)組；3臺(tái)離心式機(jī)組
范圍7
7911＜Φ/kW
螺桿式機(jī)組+3臺(tái)離心式機(jī)組
 
   由圖4可知，當(dāng)負(fù)荷范圍為1167～2637kW時(shí)，只開啟1臺(tái)離心式機(jī)組，冷水系統(tǒng)的效率將會(huì)達(dá)到最高，此時(shí)EER為3.70～4.22。由圖5可知，當(dāng)負(fù)荷范圍為2637～2910kW時(shí)，初期開啟螺桿式機(jī)組+1臺(tái)離心式機(jī)組的EER略高于開啟2臺(tái)離心式機(jī)組，但隨著負(fù)荷的增加，開啟2臺(tái)離心式機(jī)組的EER將會(huì)逐漸增大至4.13，遠(yuǎn)高于開啟螺桿式機(jī)組+1臺(tái)離心式機(jī)組。由于負(fù)荷范圍2637～2910kW運(yùn)行時(shí)間較短，在實(shí)際運(yùn)行中，負(fù)荷范圍為2637～3804kW時(shí)，采用開啟2臺(tái)離心式機(jī)組的方案。此時(shí)，冷水系統(tǒng)的EER為3.78～4.13。由圖6可知，當(dāng)負(fù)荷范圍為3804～5274kW時(shí)，采用開啟2臺(tái)離心式機(jī)組的方案，冷水系統(tǒng)EER最高。由圖7、8可知，當(dāng)負(fù)荷范圍為5274～7911kW時(shí)，應(yīng)開啟3臺(tái)離心式機(jī)組，此時(shí)冷水系統(tǒng)的效率最高。冷水機(jī)組最佳運(yùn)行組合方式見表3。
表3 冷水機(jī)組最佳運(yùn)行組合方式
負(fù)荷范圍∥kw
冷水系統(tǒng)EER
最佳運(yùn)行組合方式
Φ/kW≤1091
1.1～3.3
螺桿式機(jī)組
1091＜Φ/kW≤2637
3.3～4.1
1臺(tái)離心式機(jī)組
2637＜Φ/kW≤5274
3.8～4.2
2臺(tái)離心式機(jī)組
5274＜Φ/kW≤7911
4.1～4.2
3臺(tái)離心式機(jī)組
4 冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行組合方式
4.1 制冷性能系數(shù)的影響因素
    在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，冷水機(jī)組的運(yùn)行情況很難做到與額定情況相同，因此冷水機(jī)組的最大制冷量、制冷性能系數(shù)與圖1相比存在一定差別。因此，應(yīng)對不同負(fù)荷下冷水機(jī)組的冷水出水溫度、冷卻水進(jìn)水溫度、冷卻水、冷水管道的污垢系數(shù)等進(jìn)行適當(dāng)修正。冷水機(jī)組的冷水出水溫度每增加1℃或冷卻水進(jìn)水溫度每降低1℃時(shí)，制冷性能系數(shù)增加2%～3%[8]。下面從冷水出水溫度、冷卻水進(jìn)水溫度、污垢系數(shù)3個(gè)方面進(jìn)行分析。
   ① 冷水出水溫度
   隨著冷水出水溫度的升高，冷水機(jī)組的制冷量與制冷性能系數(shù)有所提高。當(dāng)冷水出水溫度由6℃提高到10℃時(shí)，制冷量提高13%，制冷性能系數(shù)提高11%。
   ② 冷卻水進(jìn)水溫度
   隨著冷卻水進(jìn)水溫度的降低，冷水機(jī)組的制冷量與性能系數(shù)有所提高。當(dāng)冷卻水進(jìn)水溫度由32℃降低到26℃時(shí)，制冷量與制冷性能系數(shù)均提高約20%。
   ③ 污垢系數(shù)
   受水質(zhì)的影響，冷水機(jī)組換熱器會(huì)結(jié)垢，隨著冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長，結(jié)垢現(xiàn)象會(huì)越發(fā)嚴(yán)重，污垢系數(shù)會(huì)增大，換熱器的換熱能力將會(huì)下降，機(jī)組的制冷量及制冷性能系數(shù)也會(huì)隨之降低。
4.2 實(shí)際運(yùn)行組合方式
    增開冷水機(jī)組的判斷條件：當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)(15～20min)[9]冷水機(jī)組冷水出水溫度的實(shí)測值高于設(shè)定值時(shí)，判定冷水機(jī)組的制冷量已經(jīng)達(dá)到最大值，此時(shí)運(yùn)行的冷水機(jī)組已不能滿足末端負(fù)荷的需要，應(yīng)增開一臺(tái)冷水機(jī)組。根據(jù)以上分析，考慮一定的余量，可得到冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行組合方式(見表4)。
表4 冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行組合方式
負(fù)荷范圍Φ/kW
實(shí)際運(yùn)行組合方式
Φ/kW≤1000
螺桿式機(jī)組
1000＜Φ/kW≤2400
1臺(tái)離心式機(jī)組
2400＜Φ/kW≤4800
2臺(tái)離心式機(jī)組
4800＜Φ/kW≤7200
3臺(tái)離心式機(jī)組
7200＜Φ/kW
螺桿式機(jī)組+3臺(tái)離心式機(jī)組
5 最佳運(yùn)行組合方式的節(jié)能分析
    該工程的原有運(yùn)行組合方式為隨實(shí)測負(fù)荷增加，逐漸增開大容量的冷水機(jī)組，具體開機(jī)順序?yàn)椋郝輻U式機(jī)組-1臺(tái)離心式機(jī)組-螺桿式機(jī)組+1臺(tái)離心式機(jī)組-螺桿式機(jī)組+2臺(tái)離心式機(jī)組-螺桿式機(jī)組+3臺(tái)離心式機(jī)組。這種方式為傳統(tǒng)的開停機(jī)順序，只是單一根據(jù)負(fù)荷增加逐漸增開冷水機(jī)組，并未充分考慮冷水機(jī)組的制冷性能系數(shù)。
    原有與最佳運(yùn)行組合方式的比較見表5。其他設(shè)備耗電量為冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔耗電量之和。最佳與原有運(yùn)行組合方式相比，冷水機(jī)組的節(jié)電率為7.0%，總節(jié)電率為4.8%。由此可見，最佳運(yùn)行組合方式的節(jié)電效果相當(dāng)明顯。
表5 原有運(yùn)行組合方式與最佳運(yùn)行組合方式的比較
組合方式
冷水機(jī)組配置
運(yùn)行時(shí)間/h
冷水機(jī)組耗電量/(kW·h)
其他設(shè)備耗電量/(kW·h)
原有方式
螺桿式機(jī)組
568
8.8×104
13.7×104
1臺(tái)離心式機(jī)組
720
22.9×104
33.1×104
螺桿式機(jī)組+1臺(tái)離心式機(jī)組
543
33.2×104
45.5×104
螺桿式機(jī)組+2臺(tái)離心式機(jī)組
714
61.6×104
87.3×104
螺桿式機(jī)組+3臺(tái)離心式機(jī)組
31
3.9×104
5.6×104
最佳方式
螺桿式機(jī)組
511
7.5×104
11.9×104
1臺(tái)離心式機(jī)組
777
24.1×104
35.1×104
2臺(tái)離心式機(jī)組
1076
69.4×104
99.9.×104
3臺(tái)離心式機(jī)組
212
20.3×104
9.2×104
6 結(jié)論
 合理的冷水相組運(yùn)行組合方式，不但可以有效提高房間的舒適度，而且可以降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。
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(本文作者：高亞鋒1 李百戰(zhàn)1 章文潔1 陳玉遠(yuǎn)2 1.重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400045：2.中鐵第四勘查設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063)