冷水機組配置及運行策略探討

李 超 劉 東

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840； 2.同濟大學，上海 200092)

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冷水機組配置及運行策略探討

李 超1劉 東2

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840； 2.同濟大學，上海 200092)

以某品牌某系列離心式冷水機組的運行測試數據為基礎，從配置臺數、配置方式及運行策略三方面，分析了影響冷水機組運行能耗的主要因素，對實際工程中冷水機組的運行調節有一定的參考價值。

冷水機組，機組配置，運行策略，負荷率

0 引言

冷水機組是空調系統的關鍵部件，實現冷水機組的節能對降低空調系統能耗具有十分重要的意義。在空調系統設計過程中，相同冷量需求下，不同的機組臺數、容量的配置都會影響冷水機組的運行能耗，而在相同機組配置條件下，不同的運行策略也會導致冷水機組的能耗不同[1]。

1 冷水機組的臺數及配置方式

查閱文獻[2]發現公共建筑中離心式冷水機組應用最為廣泛，因此本文以某品牌的某個系列的離心式冷水機組(400 RT～2 000 RT)的運行測試數據為基礎，進行相應分析。冷水機組的配置臺數選取2臺～4臺，配置方式分為“對稱設計”和“非對稱設計”，“非對稱設計”又分為“N大配一小”和“N小配一大”。“對稱設計”即將設計容量按照冷機臺數進行平均分配，選用相同型號機組；“非對稱設計”即采用不同容量的主機大小搭配。

多臺機組選型配置方案見表1。

表1 多臺機組選型配置方案

2 冷水機組的運行控制策略

根據調查及查閱文獻[3]，共擬定4種運行方案：

方案一：逐臺啟動，相同負荷率運行。

以2臺冷水機組為例，先開啟1臺冷水機組來滿足冷量需求；當系統冷負荷大于1臺冷水機組最大制冷量時，由兩臺機組按相同的負荷率承擔系統負荷。

方案二：臺階式運行。

將冷水機組的所有搭配形式按照制冷量大小排序，運行時選取恰好能滿足當下冷量需求的配置形式。以(800×3+400)RT的配置為例，將4臺冷水機組進行如下編號：400 RT機組為A1，3臺800 RT機組依次為A2,A3和A4，這4臺冷水機組的制冷量共有7種組合，如表2所示，按照臺階式運行的控制策略見表3。

表2 方案二冷水機組的組合方式 RT

表3 臺階式運行方案的控制策略 RT

方案三：最優的相同負荷率運行方案。

計算出冷機所有配置形式在不同冷負荷需求下的綜合運行效率，運行過程中根據建筑實時冷負荷選用效率最高的配置方式運行，開啟的機組均以相同負荷率運行。仍以800×3+400的配置為例，計算7種配置方式在不同冷負荷需求下的綜合COP。

理想的運行方式即在每個負荷率區間采用綜合COP值最高的機組配置。

最優的相同負荷率運行方案控制策略見表4。

表4 最優的相同負荷率運行方案控制策略

方案四：基于負荷分配的優化方案。

1)冷水機組基于負荷分配的優化策略控制邏輯。

該方案指的是將各型號的冷水機組的功率—負荷率進行公式擬合，對給定的冷量需求，以機組群總能耗最小為目標函數，進行最優化求解，求得的各機組負荷率可使機組群的綜合COP最高。

圖1中，Q為空調系統總負荷;Ni為各冷水機組的耗功率N與負荷率PLR的函數關系,Ni=f(PLRi)；Xi為求解出的每臺冷水機組的最優運行負荷率；Qi為每臺冷水機組應承擔的冷負荷，即制冷量。

2)冷水機組耗功率N與機組負荷率PLR之間的關系。

機組的耗功率N與部分負荷率PLR可以近似表述為n次多項式的關系：

(1)

其中，ai，bi，ci,…,fi均為待擬合的系數。

根據冷水機組廠商提供的數據，擬合獲得該系列的冷水機組耗功率N與負荷率PLR的函數關系,見表5。

表5 冷水機組功率—負荷率擬合公式

目標方程及約束條件：

目標方程：

(2)

約束條件：

(3)

其中，Nch為機組群總能耗，kW；Qe,i為第i臺冷水機組的額定制冷量，kW；Xi為冷水機組運行負荷率，范圍0.1～1.0；Q為建筑的實時冷負荷需求。

優化問題即求解式(2)的最小值，故約束條件為負荷匹配約束：冷水機組的總制冷量應等于建筑物的實時冷負荷。

3 不同方案的運行結果分析

當空調系統冷負荷發生波動時，不同的負荷區段存在不同的開機組合策略，各方案的系統能耗也不同。本文對各運行策略在制冷季的綜合性能系數COP綜進行分析，進而尋找最節能的運行策略。

COP綜=COP10·τ10+COP20·τ20+…+COP100·τ100

(4)

其中，COP綜為冷水機組群在制冷季的綜合COP；COPn為冷水機組群在系統負荷率為n%時的COP值；τn為冷水機組群在系統負荷率為n%時的時間頻數。

結合實例建筑空調系統的部分負荷頻數，得到冷水機組群制冷季的綜合性能系數，見表6。

表6 不同方案的冷水機組整個制冷季的綜合性能系數

3.1 相同機組配置不同運行策略的運行效率

以800×3+400的配置為例，圖2為該配置在4種運行策略下的綜合COP對比圖。

從圖2中可以看出，方案一運行效率最低，方案二運行策略效率稍高一些，方案三的效率是三種常規策略中最高的，運行效率最高的是優化方案四。經分析，其余7種機組配置方式也遵循相似規律，此處不再贅述。

對于優化方案四，由于各負荷率下的機組負荷分配方式均是經最優化求解得到，故對于本文中固定配置的機組群，無論在何種氣候條件下，空調負荷時間頻數如何變化，該方案的制冷季綜合COP值都為最高。

3.2 相同運行策略機組不同配置的運行效率

現對不同配置的冷水機組在相同的運行策略下的運行效率進行對比分析，運行策略選取常規運行策略中能效比最高的方案三與優化方案四(見表7)。

表7 不同機組配置方式下冷水機組的制冷季綜合COP

從表7可以看出對于對稱設計，優化方案四與方案三綜合COP相同，即對于N臺相同容量的冷水機組配置，開啟機組始終按照相同負荷率運行是最節能的。隨著配置冷水機組臺數增多，機組整個制冷季的運行效率也升高。

對于非對稱設計，優化方案四比方案三效率更高。從表7中可以看出：1)在N大配一小或者N小配一大的同類配置形式中，隨著配置冷水機組臺數增多，機組制冷季的運行效率升高；2)N大配一小的配置形式比N小配一大的配置形式運行效率高。

對比對稱設計與非對稱設計，方案三的對稱設計效率高于非對稱設計，而優化方案非對稱設計高于對稱設計。這是因為機組以相同負荷率運行有利于型號相同的機組配置，而優化后的方案充分發揮了機組大小搭配的靈活性與可調節性，所以非對稱設計效率更高。

實際工程中采用對稱設計較多，這是因為選用同型號同冷量的主機使得機房布置、零部件的互換和檢修非常方便，機組間可互為備用，且實際應用中常與相同負荷率的運行策略相結合，運行效率確實較高，故對稱設計應用比較廣泛。由本文分析可見，單一冷源形式條件下，采用非對稱設計在最優的負荷分配條件下運行效率更高，可以進行推廣應用。

4 結語

通過對不同配置方式及運行策略的對比分析，得到以下結論：1)基于最優化負荷分配的運行策略效率最高。2)隨著配置冷水機組臺數增多，機組制冷季的運行效率升高。3)常規運行策略下，對稱設計的效率高于非對稱設計；優化運行策略下，非對稱設計的效率高于對稱設計。4)多臺冷水機組配置的非對稱設計中，N大配一小的配置形式比N小配一大的配置形式運行效率高。

[1] 吳祥生,劉兆勇.重慶市既有建筑能耗調查分析[A].全國暖通空調制冷2008年學術年會論文集[C].2008.

[2] 范存養,楊國榮,葉大法.高層建筑空調設計及工程實錄[M].北京:中國建筑工業出版社,2014.

[3] Braun J E.Applications of optimal control to chilled water systems without storage[J].ASHRAE Transactions,1989,95(PartⅠ):663-675.

Inquiry on cold water chiller configuration and operation strategies

Li Chao1Liu Dong2

(1.ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd,Beijing100840,China; 2.TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Taking the centrifugal cold water chiller operation testing data of the famous brand as the base, starting from three aspects of allocation number, allocation methods and operation strategies, the paper analyzes major factors influencing cold water chiller operation and energy dissipation, which has certain guiding value for cold water chiller operation and adjustment in actual engineering.

cold water chiller, chiller configuration, operation strategy, load rate

1009-6825(2016)32-0136-03

2016-09-04

李 超(1989- )，女，助理工程師

TU831

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