空調(diào)用冷水機(jī)組部分負(fù)荷性能與空調(diào)系統(tǒng)的匹配分析

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簡介： 本文分析研究了反映空調(diào)用冷水機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時的綜合性能相關(guān)參數(shù), 討論了不同部分負(fù)荷性能冷水機(jī)組的能耗評價方法和節(jié)能潛力,劃分了冷水機(jī)組在不同負(fù)荷段的部分負(fù)荷性能與全負(fù)荷性能的關(guān)系，指出美國空調(diào)與制冷學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)（ARI-550/590-98）中提出的綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV的技術(shù)意義及其變化, 提示了制冷系統(tǒng)的設(shè)計與運(yùn)行能耗與空調(diào)動態(tài)負(fù)荷的相關(guān)性，給出了空調(diào)用冷水機(jī)組部分負(fù)荷性能與空調(diào)系統(tǒng)匹配的基本思路。
關(guān)鍵字：冷水機(jī)組 部分負(fù)荷性能 空調(diào)系統(tǒng) 匹配

在空調(diào)工程中,制冷系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和運(yùn)行對整個空調(diào)系統(tǒng)的能耗影響很大。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，空調(diào)的使用日趨廣泛，空調(diào)面積數(shù)量大幅度上升，各類風(fēng)冷式、水冷式甚至蒸發(fā)式的冷水機(jī)組已經(jīng)成為空調(diào)用冷源的主力軍，冷水機(jī)組的能耗也越來越大，采用合理、科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的設(shè)計、選型和運(yùn)行方案，就成為降低冷水機(jī)組消耗的關(guān)鍵問題。

　　空調(diào)用冷水機(jī)組的全年運(yùn)行能耗與冷水機(jī)組的性能有關(guān)，而冷水機(jī)組的性能主要包括全負(fù)荷性能和部分負(fù)荷性能，兩者在選擇和匹配冷水機(jī)組時均起著重要的作用。由于空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷總是隨室外氣象參數(shù)擾動和室內(nèi)狀態(tài)的改變而變化的，在供冷期間空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷下運(yùn)行的時間較多，所以冷水機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過程中大部分時間都是處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),因此冷水機(jī)組部分負(fù)荷時的性能對其運(yùn)行能耗的影響是很大的。研究冷水機(jī)組、空調(diào)系統(tǒng)的部分負(fù)荷特性及其相互之間的匹配關(guān)系，對于挖掘空調(diào)制冷總能系統(tǒng)的節(jié)能潛力無疑是十分重要的。

1冷水機(jī)組部分負(fù)荷綜合性能參數(shù)

　　在規(guī)定的名義工況條件下,冷水機(jī)組的制冷量與能耗之比稱為冷水機(jī)組的能效比EER(Energy Efficiency Ratio),它是標(biāo)志冷水機(jī)組能耗的重要指標(biāo)。在上個世紀(jì)的八十年代，節(jié)能研究的重點(diǎn)一直集中在如何提高冷水機(jī)組的EER。但是，EER所表示的僅僅是名義工況條件下的能耗。隨著系統(tǒng)負(fù)荷的減少，它會大幅度的下降。例如某機(jī)組，在100%負(fù)荷（滿負(fù)荷）時，它的EER是3.0左右的話，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)為40%附近的負(fù)荷率時，EER已經(jīng)降為1.4了。事實(shí)上，系統(tǒng)負(fù)荷與冷水機(jī)組的制冷量完全匹配的情況幾乎是沒有的。為此，必須考慮冷水機(jī)組在各種負(fù)荷下綜合能耗。季節(jié)能效比SEER(Seasonal Energy Efficiency Rate) 和由美國空調(diào)與制冷學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)（ARI—550/590 –98）中提出的綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV（Integrate Partial Load Value）來評價不同類型冷水機(jī)組在整個空調(diào)季節(jié)中的綜合性能，可以更準(zhǔn)確的反映冷水機(jī)組的能耗。這里重點(diǎn)分析綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV。

　　冷水機(jī)組的部分負(fù)荷性能一般是以名義工況輸入功率百分?jǐn)?shù)和名義工況制冷量的百分?jǐn)?shù)來表示。一般來說，冷水機(jī)組的部分負(fù)荷性能大致可以有在整個負(fù)荷段冷水機(jī)組的全負(fù)荷性能好于、差于部分負(fù)荷性能和部分負(fù)荷段好于、部分負(fù)荷段差于部分負(fù)荷性能這三種情況。由于冷水機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況（串、并聯(lián)臺數(shù)；負(fù)荷調(diào)節(jié)方法；地理位置和建筑特點(diǎn)；室內(nèi)外參數(shù)條件和機(jī)組運(yùn)行方案）是有較大差異的，難以準(zhǔn)確作出冷水機(jī)組的負(fù)荷特性曲線，需要尋求一個能描述不同類型冷水機(jī)組共同的部分負(fù)荷性能評價指標(biāo)。綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)的概念是最早于1986年首先提出來的，后來經(jīng)過多次修改完善，形成了美國空調(diào)與制冷學(xué)會ARI550-92《離心式和回轉(zhuǎn)式螺桿式冷水機(jī)組》以及ARI590-92《容積式冷水機(jī)組》兩個標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV（Integrate Partial Load Value），在部分負(fù)荷下求得制冷性能系數(shù)，再按加權(quán)系數(shù)公式計算出冷水機(jī)組部分負(fù)荷性能值，主要反映冷水機(jī)組的部分負(fù)荷調(diào)節(jié)功能。這一方程是對于提供冷水機(jī)組平均負(fù)荷性能的一種進(jìn)展，使得這一指標(biāo)能夠準(zhǔn)確地描述在一個標(biāo)準(zhǔn)年周期內(nèi)冷水機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際過程，這樣就可以通過擴(kuò)展的計算機(jī)數(shù)據(jù)分析用來解決冷水機(jī)組在不同地理區(qū)域和不同應(yīng)用場合中的模型問題，而不是針對單機(jī)平均值的概念。按照部分負(fù)荷ARI550-92《離心式和回轉(zhuǎn)式螺桿式冷水機(jī)組》以及ARI590-92《容積式冷水機(jī)組》兩個標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV的計算公式為：

　　IPLV = 0.17A + 0.39 B + 0.33 C + 0.11 D

　　其中A、B、C、D分別是冷水機(jī)組在100%、75%、50%和25%負(fù)荷下的EER或COP.

　　方程式中的系數(shù)是冷水機(jī)組在評價負(fù)荷點(diǎn)運(yùn)行時的權(quán)重系數(shù).

　　由于在通常情況下, 冷水機(jī)組滿負(fù)荷的運(yùn)行時間不到總運(yùn)行時間的3%,其絕大部分時間都是在部分負(fù)荷下運(yùn)行,因此冷水機(jī)組的負(fù)荷特性就成為衡量冷水機(jī)組性能優(yōu)劣的一個十分重要的指標(biāo)?？梢钥吹?，綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV是在25%、50%、75%部分負(fù)荷及滿負(fù)荷情況下的COP或EER的加權(quán)平均值，它為衡量冷水機(jī)組的部分負(fù)荷特性提供了很好的依據(jù)。比如說比較不同類型的冷水機(jī)組、同類型不同廠家的冷水機(jī)組、同類型同廠家運(yùn)用在不同地區(qū)或和不同類型建筑及空調(diào)的冷水機(jī)組、不同類型機(jī)組組合方式等，等于提供了一個技術(shù)平臺，規(guī)定了相應(yīng)的測試工況和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　經(jīng)過一段試驗(yàn)運(yùn)作后，美國空調(diào)與制冷學(xué)會ARI又于1998年推出了新的標(biāo)準(zhǔn)（ARI—550/590 –98），將所有采用蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的冷水機(jī)組統(tǒng)一為一個相同的部分負(fù)荷評價標(biāo)準(zhǔn)，提出了新的IPLV計算公式[1]：

　　IPLV = 0.01A + 0.42 B + 0.45 C + 0.12 D

　　新標(biāo)準(zhǔn)有了較大的變化，其中部分負(fù)荷加權(quán)系數(shù)的基準(zhǔn)由原來取自美國佐治亞州的亞特蘭大市、對象是辦公大樓，變?yōu)橐悦绹?9個城市（25年當(dāng)中美國的冷水機(jī)組有80%銷售在這些城市）的平均氣候作為基礎(chǔ)，并以大部分建筑類型（基于DOE的研究）作為評價對象。舊標(biāo)準(zhǔn)以小時數(shù)的直線平均定義評價負(fù)荷點(diǎn)，新標(biāo)準(zhǔn)改為冷噸-運(yùn)行小時數(shù)。98標(biāo)準(zhǔn)提供了更加寬廣范圍的運(yùn)行條件，可以用來表述每一種冷水機(jī)組應(yīng)用的平均值，而不是針對某一種特殊設(shè)施條件下的狀況，例如可以利用詳盡的分析來反映實(shí)際氣象資料、建筑物的負(fù)荷特性、冷水機(jī)組的數(shù)量、運(yùn)行小時數(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化能力和使用水泵、冷卻塔等輔機(jī)的能量。另外許多冷水機(jī)組都是在非標(biāo)準(zhǔn)工況條件下選擇和使用的，統(tǒng)一為使用蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的冷水機(jī)組，也反映了冷水機(jī)組容量確定和測試的變化，在比較實(shí)際工程中的設(shè)施時，這些變化更能真實(shí)地反映冷水機(jī)組的性能。

　　參考美國空調(diào)與制冷學(xué)會計算綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)制冷空調(diào)界也作了大量工作，適應(yīng)我國具體國情和技術(shù)現(xiàn)狀的有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制定和正在制定。通過借鑒美國空調(diào)與制冷學(xué)會計算綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV的計算方法，運(yùn)用于工程實(shí)際和科學(xué)研究，如通過計算部分負(fù)荷性能系數(shù)正確選擇不同類型冷水機(jī)組[2][3]；運(yùn)用部分負(fù)荷計算的思路對并聯(lián)機(jī)組與空調(diào)動態(tài)負(fù)荷匹配的研究[4]；根據(jù)部分負(fù)荷性能合理選擇冷水機(jī)組臺數(shù)[5]；對風(fēng)冷和水冷機(jī)組的運(yùn)行能耗進(jìn)行分析[6]；不同類型機(jī)組在主從機(jī)組配置條件下部分負(fù)荷對運(yùn)行能耗的影響評價[7]；燃?xì)獍l(fā)動機(jī)驅(qū)動熱泵型冷熱水機(jī)的部分負(fù)荷分析[8]；制冷裝置部分負(fù)荷時冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能[9]；ARI標(biāo)準(zhǔn)與我國相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的比較研究[10][11]，部分負(fù)荷性能的研究已經(jīng)引起了業(yè)內(nèi)專業(yè)人員的注意。

2冷水機(jī)組部分負(fù)荷與空調(diào)動態(tài)負(fù)荷的相關(guān)性

　　根據(jù)空調(diào)專業(yè)的理論基礎(chǔ)、仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，空調(diào)系統(tǒng)不可能總在設(shè)計負(fù)荷下運(yùn)行，隨著室內(nèi)外負(fù)荷和擾動的變化，空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷是在不斷的發(fā)生變化的,空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際上就是一個動態(tài)的部分負(fù)荷率隨變系統(tǒng)。有統(tǒng)計說明,空調(diào)夏季設(shè)計日部分負(fù)荷出現(xiàn)的時間比率為,低于70%的部分負(fù)荷運(yùn)行時間占全天運(yùn)行時間的63% 圖1表明了室外氣象條件變化對空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)負(fù)荷變化以及對冷水機(jī)組的制冷負(fù)荷的改變的影響,另外空調(diào)系統(tǒng)因?yàn)槭强照{(diào)用冷水機(jī)組的需求側(cè),兩個系統(tǒng)的負(fù)荷關(guān)系是一個強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。

　　冷水機(jī)組的制冷量應(yīng)與空調(diào)負(fù)荷要求的冷量一致，使制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收的熱量正好等于空調(diào)負(fù)荷的熱量，此時的機(jī)組工作點(diǎn)稱為平衡點(diǎn)。事實(shí)上，冷水機(jī)組的產(chǎn)冷能力和負(fù)荷都隨外部條件變化。如圖2，隨室外氣溫的變化，冷水機(jī)組的制冷量和空調(diào)房間的負(fù)變化趨勢相反。在兩條曲線交點(diǎn)A處，制冷量等于空調(diào)荷，A為平衡點(diǎn)。在A點(diǎn)的左側(cè)，冷水機(jī)組的制冷量大于空調(diào)房間的負(fù)荷，陰影部分表示了冷量的過剩；A點(diǎn)的右側(cè)，冷量小于負(fù)荷，陰影部分表示了冷量的不足。工程上總是依最大負(fù)荷情況選擇空調(diào)設(shè)備組成空調(diào)系統(tǒng)，因此空調(diào)設(shè)備經(jīng)常處于A點(diǎn)左側(cè)工作區(qū)，滿負(fù)荷工作的時間一般只有10~20%。機(jī)組制冷量的過剩將使制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)不能充分蒸發(fā)，達(dá)不到規(guī)定的過熱度，將引起熱力膨脹閥關(guān)小，制冷劑流動阻力增大，流量下降，機(jī)組的制冷量下降，直到與負(fù)荷達(dá)到平衡。

3．空調(diào)系統(tǒng)和冷水機(jī)組的優(yōu)化匹配

　　空調(diào)動態(tài)負(fù)荷分析是冷水機(jī)組優(yōu)化配置的基礎(chǔ)。由于不同的建筑物有著不同的符合特性，比如最大負(fù)荷、最小負(fù)荷、負(fù)荷分布和符合頻率等，這些都影響著冷水機(jī)組的容量和數(shù)目的選擇，更重要的是影響兩個系統(tǒng)在部分負(fù)荷情況下的匹配關(guān)系[12]。根據(jù)空調(diào)動態(tài)負(fù)荷的計算分析方法，基于對一定的空調(diào)負(fù)荷率對應(yīng)的時間頻數(shù)的原理，以空調(diào)動態(tài)逐時負(fù)荷中總量、最大量、均值和部分負(fù)荷性能來匹配合適的冷水機(jī)組，制定恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行方案，對于保證空調(diào)用冷水機(jī)組在部分負(fù)荷條件下的有效可靠運(yùn)行十分重要。文獻(xiàn)[13]中對上海市某高層建筑的運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)表明，如果冷水機(jī)組與目標(biāo)建筑物的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化匹配，就可能產(chǎn)生明顯的節(jié)能效果。文獻(xiàn)[14]以一個實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量空調(diào)的廠房為例，分析了VAV空調(diào)水系統(tǒng)在變冷凍水量VWV情況下，當(dāng)部分負(fù)荷時，變頻調(diào)速水泵調(diào)節(jié)冷凍水量與機(jī)組性能和能耗的關(guān)系。在工程上有較多的實(shí)例運(yùn)用冷凍水流量調(diào)節(jié)、冷水機(jī)組臺數(shù)和部分負(fù)荷調(diào)整的方法使得冷水機(jī)組能夠高效運(yùn)行。

　　從空調(diào)用冷水機(jī)組和空調(diào)系統(tǒng)的耦合關(guān)系來看，作為一個總能系統(tǒng)，冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔和空調(diào)表面冷卻器構(gòu)成了相互依存關(guān)系，合理選擇相關(guān)設(shè)備裝置，以保證在部分負(fù)荷下也具有較高的運(yùn)行效率，從而減少全年運(yùn)行的能耗，是需要引起充分注意的。

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