高效變頻螺桿機在制冷機房中的應用能效分析

卓明勝1,，王升*1,，韓廣宇，何玉雪

（1-空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，廣東珠海 519070；2-珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

“十三五”規劃是國家重點發展中心城市的重要時期，隨著人口向大都市集聚，城市軌道交通作為中心城市、都市圈的基礎，也迎來了爆發式的增長。國家發改委2019年2月發布的《關于培育發展現代化都市圈的指導意見》[1-4]提出，要大力發展都市圈市域（郊）鐵路，都市圈逐步同城化，這對中央空調的發展又是一個契機。清華大學發表《中國建筑節能年度發展研究報告 2018》中指出，在2016年供冷季對5座城市40余座典型車站進行了現場測試[5]，得到冷機COP實測值大多處于3～5之間，若考慮冷卻水泵和冷卻塔耗電后，制冷機房綜合能效（Energy Efficiency Ratio，EER）小于3.5，能效偏低。因此，提升制冷機房運行能效對軌道交通空調系統節能具有重要意義。

目前在軌道交通行業中，地鐵車站制冷機房主機多采用螺桿式冷水機組，隨著地鐵站空調系統能效需求的逐年提高，更多高效節能的螺桿式冷水機組應運而生。2018年推出永磁同步變頻螺桿式冷水機組[6]，該機組采用半封閉永磁同步變頻螺桿式壓縮、高效降膜式換熱器、全工況寬范圍轉速-容積協同設計、高效雙側驅動轉子型線和永磁同步變頻電機等關鍵技術，全工況能效水平明顯提升。

本文基于DeST軟件和冷水機組全工況性能曲線，采用逐時能耗模擬方法，對比研究了常規定頻螺桿式冷水機組與永磁同步變頻螺桿式冷水機組的運行能效，這對提升地鐵車站制冷機房能效具有重要意義。

1 研究方法

本文基于由清華大學開發的建筑負荷模擬軟件DeST[7-11]和冷水機組全工況性能曲線，通過全年逐時能耗模擬的方法，對主機為常規定頻螺桿式冷水機組和永磁同步變頻螺桿式冷水機組的制冷機房分別進行全年能耗模擬分析，通過典型日、逐月和全年3個方面，對兩種制冷機房的運行能效進行對比。

2 工程概況及負荷分析

2.1 工程概況

本工程位于武漢核心區的某地鐵車站，總建筑面積約為15,000 m2，地下兩層。建筑主要功能有站廳和站臺等。地鐵站空調系統分為空調大系統和空調小系統兩部分。其中，地鐵車站站廳和站臺公共區空調系統統稱為空調大系統，地鐵車站設備管理用房空調系統統稱為空調小系統。空調大系統的作用主要是為乘客在公共區域提供舒適、安全和衛生的過渡性環境，空調小系統的作用主要是為車站工作人員提供安全舒適的工作環境以及為車站設備提供適宜的運行環境。為了研究螺桿式冷水機組的運行能效，本文僅討論空調大系統情況，具體的空調大系統室內設計參數如表1所示。

表1 空調大系統室內設計參數

2.2 建筑負荷模擬

基于DeST軟件建立的地鐵站空調大系統模型以及室內外設計參數，對其負荷進行逐時模擬計算。圖1所示為地鐵車站客流比例隨時間的變化。圖2所示為武漢設計日的冷負荷和濕球溫度隨時間的變化。空調冷負荷計算結果為：設計日空調最大時刻冷負荷為1,614 kW，設計日總冷負荷為21,232 kW·h。由于早7:00—8:00和下午17:00分別是人員上班和下班的高峰時段，地鐵站停留人員密集，因而負荷出現兩個高峰。

圖1 地鐵車站客流比例圖比例隨時間的變化

圖2 設計日濕球溫度及空調逐時冷負荷

3 方案設計

冷水機組和制冷機房能效的評估，需要計算冷水機組性能系數（Coefficient of Performance，COP），冷水機組耗電量、制冷機房耗電量以及制冷機房系統綜合EER等參數。COP指冷水機組制備的冷量與冷水機組能耗之比。EER指空調系統制備的總冷量與制冷機房總能耗之比。制冷機房總能耗包含冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機的耗電量[12-16]。

為了研究不同螺桿式冷水機組的能效及能耗情況，本文采用2臺相同額定制冷量為749.4 kW的冷水機組進行仿真模擬。表2所示為模擬計算時所采用的兩種螺桿式冷水機組類型的主要參數。

表2 空調系統方案主要參數

圖3所示為冷凍水出水溫度T0=7℃時，不同冷卻水進水溫度T工況下，定頻螺桿式冷水機組和永磁同步變頻螺桿式冷水機組 COP隨負荷率的變化。表3所示為機組在不同月份的運行工況。

圖3 機組性能曲線圖

表3 機組運行工況

4 仿真結果

4.1 典型日情況

圖4所示為冷水機組性能參數隨時間的變化。

圖4 典型日逐時能效和逐時耗電量

由圖4(a)可知，兩種冷水機組均在早高峰期時段的機組運行能效較高，下午時段略低，隨后COP或EER呈現波動平穩的趨勢。與定頻螺桿式冷水機組相比，永磁同步變頻螺桿式冷水機組的 COP和系統逐時綜合EER較高。由圖4(b)可知，兩種冷水機組的耗電量均呈現先上升后下降，波動上升再下降。在7:00—8:00和17:00兩個客流高峰時段，設備耗電量相繼出現兩個高峰。對于主機和系統，與定頻螺桿式冷水機組相比，永磁同步變頻螺桿式冷水機組的耗電量較小。

4.2 逐月情況

表4所示為冷水機組從5月至9月的逐月單位面積制冷量。

表4 逐月制單位面積制冷量

其中 5月的單位面積制冷量最低，制冷量為14 (kW·h)/m2；7月份的單位面積制冷量最高，制冷量為39 (kW·h)/m2。整個機組系統運行期間，整體上單位制冷量呈現出先增加后降低的趨勢。

表5和表6所示為定頻和變頻螺桿式冷水機組制冷機房分項能耗。圖6所示為兩種冷水機組的逐月機組的性能參數的變化。由圖6(a)可知，同一月份時，從機組考慮，與定頻螺桿式冷水機組相比，永磁同步變頻螺桿式冷水機組的 COP較高；從系統考慮，與定頻螺桿式冷水機組相比，永磁同步變頻螺桿式冷水機組的EER較高。在過渡季，永磁同步變頻螺桿式冷水機組節能效果更明顯，5月份的制冷機房節能率達到40%。圖6(b)中，整個機組運行期間，同一月份定頻螺桿式冷水機組的機組耗電量和系統耗電量均比永磁同步變頻螺桿式冷水機組高。

表5 主機為定頻螺桿式冷水機組的制冷機房分項能耗匯總

表6 主機為永磁同步變頻螺桿式冷水機組的制冷機房分項能耗匯總

4.3 全年冷水機組和制冷機房參數

表7所示為全年仿真結果。由表7可知，使用永磁同步變頻螺桿式冷水機組的全年 COP較高為7.9；定頻螺桿式冷水機組COP較低為5.3。永磁同步變頻螺桿式冷水機組的單位面積耗電量較低，為17.5 (kW·h)/m2；定頻螺桿式冷水機組的單位面積耗電量較高，為26.4 (kW·h)/m2。永磁同步變頻螺桿式冷水機組相對于定頻螺桿式冷水機組的節能率為33.7%。可以看出在制取同樣制冷量的前提下，永磁同步變頻螺桿式冷水機組的節能效果明顯。主機為永磁同步變頻螺桿式冷水機組的全年制冷機房EER較高，機組EER=6.1；主機為定頻螺桿式冷水機組的EER較低，為4.5。主機為永磁同步變頻螺桿式冷水機組的制冷機房單位面積耗電量較低，為22.6 (kW·h)/m2；定頻螺桿式冷水機組的單位面積耗電量較高，為31.2 (kW·h)/m2。永磁同步變頻螺桿式冷水機組相對于定頻螺桿式冷水機組的節能率為27.5%。可以看出在制取同樣制冷量的前提下，應用永磁同步變頻螺桿式冷水機組的制冷機房節能效果明顯。

圖6 逐月能效和單位面積耗電量

表7 全年仿真結果

表8所示為全年制冷機房各設備能耗占比。由表7可知，主機為永磁同步變頻螺桿式冷水機組的制冷機房主機能耗占比相對于定頻螺桿式冷水機組降低了7.3%，而其余設備能耗占比相對于定頻螺桿式冷水機組略微偏高了7.3%。在本文中，水泵、冷卻塔和末端等設備尚未按照高效冷站進行全面優化[17-21]，如果進行系統全面優化，制冷機房系統能效尚存在一定的提升空間。

表8 全年制冷機房各設備能耗占比

5 結論

本文研究了高效變頻螺桿機在制冷機房中的應用能效，采用逐時能耗模擬方法，得到如下結論：

1）從全年地鐵站制冷機房的能耗仿真結果來看，在只考慮冷水機組情況下，永磁同步變頻螺桿式冷水機組的機組COP較高，達到7.9，相對于主機為定頻螺桿式冷水機組的節能率為33.7%；因此永磁同步變頻螺桿式冷水機組更加節能；

2）典型日、逐月和全年 3種方案的能效和能耗規律一致，在制取相同制冷量的情況下，主機為永磁同步變頻螺桿式冷水機組的制冷機房綜合能效比較高，達到 6.1，相對于主機為定頻螺桿式冷水機組的全年系統節能率為27.5%；

3）在5月和9月過渡季節時，主機為永磁同步變頻螺桿式冷水機組的制冷機房的節能效果更明顯。