永磁同步變頻離心機的能效分析

張治平，劉華，王升

（空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，廣東珠海 519070）

0 引言

在公共建筑能耗中，空調能耗是其重要組成部分。離心式冷水機組一直是公共建筑尤其是大型公共建筑空調系統的主力機型，其能效水平對公共建筑能耗具有重大影響[1]。永磁同步變頻離心式冷水機組采用了雙級壓縮中間補氣循環、壓縮機全工況氣動設計、高速電機直接驅動結構、高速大功率永磁同步變頻調速電機及相應變頻器等關鍵技術[2-4]，其額定工況下的能效比（Coefficient of Performance，COP）和綜合部分符合性能系數（Integrated Part Load Value，IPLV）得到了大幅提升[5-7]。目前COP和IPLV為評價離心機的重要指標[8]，但是動態仿真可以實現不同地區多工況全年逐時性能的評價，評價結果更加準確。

張野等[9]和夏建軍等[10-11]詳細闡述了DeST模擬軟件中冷源和水系統模型及冷源模擬分析方法。有研究者建立了不同離心式冷水機組的數學模型[12-13]，并研究了不同運行策略下的冷機能耗[14]。然而，以上研究并無全面地考慮冷機的基礎部件及其控制過程（比如開/關機過程、載荷過程和未載荷過程），這對總能耗的計算有很大影響。所以，在考慮內部控制過程的前提下，搭建以離心機為核心的水系統模型，定量分析永磁同步變頻離心式冷水機組在不同應用場合的全年運行能耗，對推廣高效變頻離心機技術，實現空調系統節能具有重要意義。

1 仿真平臺介紹

1.1 空調系統模型

如果仿真不同控制策略下的系統運行參數和性能，空調系統的動態模型應有以下特征：

1）每個設備模型（比如冷機、泵和冷卻塔等）應包括不同工況下動態參數、性能的計算模型以及決定其控制參數（比如頻率變化速度、入口導葉閥開度邏輯等）的控制模型；

2）冷凍總管水溫應隨著冷機制冷量和末端冷量的需求實時變化，在變化過程中應體現冷凍總管水的熱慣性。空調系統的仿真步長設定為10 s。

1.2 冷機模型

離心式冷水機組的動態仿真模型應該能夠模擬不同控制過程的性能。系統包括以下4個部分。

1）壓縮機模型，是從冷機的實驗數據獲益有相互關系的模型，輸入參數包括冷凝器和蒸發器的壓力比、頻率和壓縮機的入口導葉開度，輸出參數包括COP、制冷量和冷凝熱負荷。

2）控制模式，包含壓縮機的實際控制策略，比如頻率變化的速度和各個過程時的入口導葉開度控制等。

3）蒸發器模型，是從蒸發器的實驗數據獲益有相互關系的模型，輸入參數有冷凍水供回水溫度和流量，輸出參數為蒸發溫度。

4）冷凝器模型，是從冷凝器的實驗數據獲益有相互關系的模型，輸入參數包括冷卻水的供回水溫度和流量，輸出參數為冷凝溫度。圖1是冷機模型的典型仿真結果。

考慮到各個設備部件和控制過程，建立的以離心機為核心的空調水系統動態仿真平臺還應包括冷凍泵模型、冷卻泵模型和冷卻塔模型等[15]。

圖1 冷機模型的典型仿真結果

2 仿真結果

2.1 搭建仿真平臺

冷站中采用了4臺650 RT永磁同步變頻離心機。相應的冷卻水泵（定頻）、冷凍水泵（定頻）、冷卻塔都是4臺，采用先并聯后串聯方式。不同區域的不同類型建筑模型，需根據最大設計冷負荷確定空調面積。空調系統原理如圖2所示。空調系統的基本條件如表1所示。

2.2 系統控制策略

系統控制策略對空調系統和冷水機組的性能有重要影響。根據數據中心設計規范GB 50174，數據機房空調冷凍出水溫度設定為12 ℃。空調系統中使用的系統控制策略如表2所示。

圖2 空調系統原理圖

表1 空調系統基本條件

表2 空調系統控制策略

2.3 典型日冷站的仿真結果

以北京辦公樓為例，圖3～圖5是7月27日仿真結果。大部分時段有4臺冷機運行，永磁同步變頻離心機全天能效比相對于定頻離心機提升了1.5左右。圖6～圖8是5月9日的仿真結果。大部分時段有兩臺冷機運行，永磁同步變頻離心機全天能效比相對于定頻離心機提升了6.0左右，節能效果更加顯著。

圖3 7月27日1#永磁同步變頻離心機水溫

圖4 7月27日永磁同步變頻離心機逐時負荷率

圖5 7月27日永磁同步變頻離心機和常規定頻離心機COP對比

圖6 5月9日永磁同步變頻離心機水溫

圖7 5月9日永磁同步變頻離心機逐時負荷率

圖8 5月9日永磁同步變頻離心機和常規定頻離心機COP對比

2.4 冷站年度仿真結果

為了定量分析以永磁同步變頻離心式冷水機組為核心的冷站系統在北京辦公樓的全年運行能耗，本文對5月至10月的空調系統進行了全年模擬。冷站主要設備單位平米月耗電量的模擬結果如圖9所示。冷機的年制冷量約為9,555,475 kW·h（115.0 kW·h/m2）。冷水機組年耗電量約為1,009,348 kW·h（12.1 kW·h/m2），冷站年耗電量為1,103,658 kW·h（15.8 kW·h/m2）。并統計了永磁同步變頻離心機和普通定頻離心機單位平米月耗電量如圖10所示。冷機節能率是同工況下永磁同步變頻離心機相對普通定頻離心機的月平均節能率，采用永磁同步變頻離心機在辦公樓中應用的月平均節能率達到了24.1%～43.3%，年平均節能率達到了30.0%。

圖9 冷站主要設備月耗電量

圖10 冷機單位面積月耗電量

2.5 不同場合冷機年度仿真結果

為了評估冷機在不同地區、不同建筑類型應用的全年運行性能及能耗，分別模擬了永磁同步變頻離心機和常規定頻離心機在北上廣三地辦公樓和數據機房中應用的全年運行性能及能耗。設計參數及運行條件如表3所示。模擬結果如表4所示。

表3 設計參數及運行條件

表4 北上廣三地辦公樓和數據機房的模擬結果

從表4北上廣三地辦公樓和數據機房的仿真結果可以看出：

1）永磁同步變頻離心機的運行效果明顯優于常規定頻離心機；

2）北上廣三地的節能率，隨著地域從南到北，節能率越來越高；

3）在同一地點辦公樓和數據機房相比較，數據機房全年平均節能率高于辦公樓；

4）采用永磁同步變頻離心機在辦公樓中應用的全年節能率達到了27.8%～30.0%，在數據機房中應用的全年節能率達到了39.5%～41.0%。

3 結論

本文建立了以4臺離心機為核心的空調水系統動態仿真平臺，并對空調系統北上廣三地的辦公樓和數據機房工況進行了仿真研究。結果顯示，永磁同步變頻離心機相較于常規定頻離心機，從廣州到北京全年平均節能率逐漸增加，在同一地點數據機房全年平均節能率高于辦公樓。采用700 RT永磁同步變頻離心機在辦公樓中應用的全年節能率達到了27.8%～30.0%，在數據機房中應用的全年節能率達到了39.5%～41.0%。