變頻冷水機組在某實驗樓空調系統的應用及節能分析

劉洋

（大連市建筑設計研究院有限公司，遼寧大連116021）

變頻冷水機組在某實驗樓空調系統的應用及節能分析

劉洋

（大連市建筑設計研究院有限公司，遼寧大連116021）

介紹了某實驗樓中央空調及空氣凈化系統，分析了該項目的空調負荷特點。文章指出，針對負荷變化大、制冷周期長的空調項目，變頻冷水機組具有較強的適用性。運行數據表明離心式冷水機組加裝變頻節能裝置后具有較好的投資回報率和節能效益。

變頻冷水機組；空氣凈化空調；IPLV；技術經濟分析

0 引言

大連地區某實驗綜合樓建筑面積58665m2，地下二層，地上四層裙樓，五至二十七層為塔樓，建筑高度96.75m，主要是由營業大廳、辦公室及各種實驗室組成。大樓的舒適性空調及實驗室凈化空調均采用集中冷熱源的中央空調系統，與寒冷地區常規舒適性空調相比，由于實驗樓的空調系統對溫濕度的設計精度要求較高，冷水機組運行時間較長，一般可持續至過渡季末期或初冬，所以冷源系統的運行節能顯得尤為重要。

介紹了實驗樓的舒適性空調、潔凈實驗室及恒溫恒濕實驗室通風空調的主要設計思路。針對該項目的實際情況，分析了變頻冷水機組的技術特點及其對實驗樓空調系統的適用性，分析離心式冷水機組加裝變頻節能裝置后的技術經濟性及運行效果。

1 空調系統概述

1.1 舒適性空調系統

工程大空間區域如營業大廳、會議室等均采用單風機全空氣空調系統，過渡季可以使用全新風免費供冷，節省運行費用。小空間區域如辦公室等采用風機盤管+新風的空調系統；樓內的末端空調設備均已納入中央群控系統之中，可進行集中調控，主動節能措施運行較好。

1.2 潔凈空調系統

工程具有19個用于檢驗檢疫的生物實驗潔凈室，各實驗室為避免回風交叉污染，影響實驗結果，采用全新風空調系統或獨立空調系統。設計采用凈化空調機組，空調機組功能段設置有初效過濾、中效過濾、表冷（加熱）段、再熱（電加熱）段、風機段、出風段。對于新風比大于30%的4臺空調機組增加電極加濕器，以保證實驗室溫濕度滿足規范要求。

每個潔凈室一般設有萬級實驗潔凈室并設置了十萬級的緩沖間。萬級潔凈室的換氣次數[1]在25-30次/h，十萬級潔凈區域的換氣次數在15-20次/h。各級差潔凈區域的設計壓差值為20Pa。氣流組織一般是從高精度的萬級潔凈室流向十萬級潔凈緩沖區域。氣流組織為上送下回的形式。

1.3 恒溫恒濕空調系統

紡織實驗室及包裝實驗室對溫濕度精度要求高，設計采用自帶壓縮機+風冷冷凝器的專用恒溫恒濕精密空調機組。實驗室專用精密空調應能按要求自動調節室內溫、濕度，具有同時實現制冷、加熱、加濕、除濕等功能的能力。氣流組織為吊頂孔板送風+地板回風。送風采用雙層吊頂形式，雙層吊頂之間空間作為靜壓箱，專用空調加裝管道送風進靜壓箱，氣流再經孔板整體均勻向下送風。地面設300mm高的架空地板作為回風靜壓箱。

2 變頻機組的設計應用

2.1 空調冷負荷的特點

和普通辦公樓的空調系統相比較，本項目含有潔凈室的空調系統具有單位面積冷指標較高、空調負荷晝夜變化大、制冷周期長等特點。

本項目的空調冷負荷主要分為二部分，其中舒適性空調系統的冷負荷與一般空調負荷的計算一致，主要由圍護結構、人員、照明、新風、設備等負荷組成。潔凈空調的冷負荷與舒適性空調差異較大，相關文獻表明[2]，潔凈室能耗較普通空調辦公樓耗能多10-30倍。其主要特點是：換氣次數高、空調風量大、風壓較常規空調高300-400Pa高，風機能耗高；新風比例大，以本項目為例，動物飼養室要求全新風運行，PCR、細菌實驗室等的新風量所占比例都在30%左右；工藝設備多，散熱量大。

分析空調冷負荷的變化規律，本項目空調冷負荷除了隨季節天氣變化外，在某一相對穩定的時間段內也具有比較明顯的運行變化特點：在常規的工作時間段，營業場所、普通辦公室的舒適性空調系統和潔凈區的空調系統均運行。在節假日或者夜間，營業場所、大部分辦公區域的空調系統處于關閉狀態，但少部分工作區及潔凈區因實驗工作的需求會連續工作，夜間及節假日會有一定的值班負荷，而且與正常負荷的差異量較大。

大連地區一般舒適性空調的運行周期是從6月初至10月初，120天左右。而潔凈室空調系統的運行周期則長很多，主要原因是空調新風量較大，除濕要求高。為滿足系統的送風溫濕度的精度要求，制冷機組在5月份即開始要求制冷，制冷周期延續到10月底至11月初，運行周期約為6個月，180d左右，運行時間較普通舒適性空調增加50%。

有文獻研究指出[3]，在中央空調系統能耗中，冷凍水泵能耗只占整個冷水機房內能耗的15%-20%，而冷水機組的能耗占冷水機房內能耗70%左右的比例。綜合以上分析，提高冷水機組的效率，要求機組部分負荷條件下IPLV值高，減小冷水機組的能耗是影響整個中央空調系統能耗的關鍵因素。本工程采用離心式冷水機組變頻技術作為機房節能的主要控制手段。其工作原理[4]是根據冷凍水實際溫度、設計溫度、蒸發/冷凝壓力等參數，通過控制主軸轉速和導流葉片開度控制壓縮機的輸出負荷，優化壓縮機的做功能力，降低無用功的比例，從而使機組可以在較大的范圍內運行，達到節能目的。冷水系統控制相對簡單、安全可靠。

2.2 冷水機組選型

工程選擇二臺變頻離心式冷水機組(環保冷媒R134a)，單臺機組額定工況制冷量為2110kW（600RT），額定輸入功率N=396kW，標況COP=5.33。空調水系統夏季運行供回水溫度為7℃/12℃，空調冷卻水供回水溫度為32℃/37℃。冷水機房內設全自動軟水器，軟化水箱和補水泵，冷凍水泵采用軟化水，冷卻水系統設自動加藥裝置。空調系統采用膨脹水箱定壓，膨脹水箱設高低液壓信號，控制冷水機房內補水泵啟停，高液位時補水泵停，低液位時補水泵開始系統補水。本工程空調末端水系統采用分區二管制，舒適性空調與潔凈空調分別為獨立的干管系統，可以保證不同功能的空調系統分區域運行。

3 技術經濟比較及運行分析

3.1 技術經濟分析

為比較冷水機組加裝變頻器后的實際運行效果，本文針對項目實際選型，對制冷量相同配置的定頻與變頻離心冷水機組的耗能情況進行計算比較，圖1是業主采購冷水機組生產商提供的選型機組在定頻工況與變頻工況下，在各種負荷下的性能系數COP值的比較?？梢钥闯觯评淞吭?00%到90%時，變頻機和定頻機的COP值差別很小，因為這時變頻機的轉速和定頻機的轉速差異很小。從90%到10%時，COP值的差異很大，變頻機的COP比定頻機高很多，因此，在部分負荷時，變頻機較定頻機有明顯的節能效果。

圖1 600RT變頻與定頻離心式冷水機組部分負荷性能系數比較

項目采用綜合部分負荷性能系數IPLV指標[5]計算方法來評估變頻與定頻冷水機組二種方案下的年運行費用，具體見下式：

式中A—100%負荷時的性能系數，W/W；

B—75%負荷時的性能系數，W/W；

C—50%負荷時的性能系數，W/W；

D—100%負荷時的性能系數，W/W。

表1 變頻冷水機組與定頻冷水機組的技術經濟分析

表1列出了二種設計方案的能耗指標及年運行費用。其它相關設定參數如下：空調機組運行時間為夏季：5-10月份，10h/d，運行時間為10h/d×6個月× 30d/月=1800h；電費按0.842元/kWh計算。

從表中可看出，600TR空調系統其加裝VSD變頻驅動器后，優化了主機能耗指標，相比恒速離心機組，年運行費用可節省約13.4萬（約27.8%）。如果按冷水機組能耗占比整個冷水機房70%考慮，則整個冷水機房大約可節能19.5%左右。600TR離心式冷水機組的VSD變頻調速驅動裝置需增加投資約30萬，則收回VSD裝置的期限為：30/13.4=2.3a，具有較好的投資回報率。

3.2 運行效果分析

該工程自2013年秋季投入使用后，通過業主反饋，目前系統運行狀況良好，特別在過渡季及假日值班時，節能效果較明顯。筆者在2014年10月上旬分別選擇一個工作日及一個節假日對該制冷機組進行了運行數據收集，在該時段內氣候涼爽，整個大樓僅開一臺制冷機組即可空調制冷需求。通過對工作日及假日值班工況時的空調冷凍水供回水溫度、運行電流等數據進行收集分析后，機組的COP值計算值如圖2所示。分析可得，由于節假日僅有潔凈空調系統運行，離心機組在部分負荷下的輸入電流較工作日有較明顯的降低，體現出較好的節能效果。本項目采用變頻離心冷水機組的另一個明顯優勢是可以不必設置假日或夜間值班機組，減少機房建設費用和初投資。

圖2 節假日與工作日600RT變頻離心式冷水機組的計算COP值

4 結語

制冷主機變頻系統具有控制簡單、安全可靠，機組部分負荷條件下IPLV值高等特點。特別是對于制冷周期較長、負荷變化較大的項目，經技術經濟分析具有較強的節能性。

[1] 馮樹根.空氣潔凈技術與工程應用[M].1版.北京：機械工業出版社，2010．

[2] 許鐘麟.潔凈室及其受控環境設計[M].1版.北京：化學工業出版社，2008．

[3] 錢以明.高層建筑空調與節能[M].1版.上海：同濟大學出版社，1993．

[4] 王鋒，劉媛，段希希.離心冷水機組加裝變頻節能裝置的經濟性評估[J].中國科技信息（制造），2011，（9）:134-136.

[5] GB50189-2015，公共建筑節能設計標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

修回日期：2016-12-12

Application and Energy Saving Analysis of Variable Frequency Refrigeration Unit in Air Conditioning System of an Laboratory Building

LIU Yang
（Dalian Institute of Architectural Design and Research，Dalian 116021，China）

This paper introduces an experimental building central air conditioning and air purification system, analyzes the characteristics of the air conditioning load of the project. For load change, long cycle refrigeration air conditioning project, the article points out that the inverter chiller has strong applicability. The operating data show that the centrifugal chiller with frequency conversion energy-saving device has better investment returns and energy efficiency.

variable frequency refrigeration unit；air purifying conditioning；IPLV；technical and economic analysis

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.023

TU831

B

2095-3429（2016）06-0092-03

劉洋（1978-），男，遼寧營口人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：建筑能耗分析。

2016-11-04