運行工況對冷水機組性能的影響

江明旒

（北京涵智博雅能源科技有限公司，北京 100025）

0 引言

壓縮式冷水機組按其壓縮形式可分為離心式、螺桿式、活塞式和渦旋式等，離心式冷水機組因其結構緊湊、單機制冷量大、占地面積少、可實現無級自動調節、效率高等諸多特點得到廣泛應用[1-5]。研究運行工況的變化對離心冷水機組性能的影響，實現冷水機組的高效運行一直是空調制冷行業研究人員致力于突破的重點所在[6-10]。

冷水機組效率受到諸多因素的影響，除了通過冷水機組自身制造工藝提高效率外[11-13]，還應關注運行工況對其能效的影響。本文試通過對離心冷水機組多年的運行數據記錄結合不同工況選型參數進行發掘分析，為實現冷水機房的高效運行提供指導。

1 冷水機組性能的影響因素

冷水機組性能系數（Coefficient of Performance，COP）是指制冷水機組在特定工況下的制冷量與輸入功率之比。影響冷水機組實際運行性能的因素分為兩大類[14]，即內部因素和外部因素。其中，壓縮機形式、機組設計、制造工藝、制冷劑種類和充填量等為內部因素。除此之外，冷水機組在不同的運行工況下（外部因素），性能也存在明顯差異。

運行工況對冷水機組COP影響包含以下因素：冷凝溫度、蒸發溫度和負荷率。其中，冷凝溫度取決于冷凝器水流量、冷凝器進水溫度以及冷凝器換熱效率（水與制冷劑的換熱溫差）；蒸發溫度取決于蒸發器換熱效率、蒸發器出水溫度、蒸發器水流量。污垢系數、不凝性氣體含量以及換熱器配置等因素會對換熱效率產生一定影響。

通常冷水機組銘牌上所標示的COP為國標名義工況下的效率，依據該COP可在一定范圍比較冷水機組運行性能。但實際冷水機組運行中，運行工況千差萬別，名義工況下COP難以反映冷水機組實際運行能效[15]。本文通過某品牌的離心式冷水機組為例，分別分析不同因素與冷水機組效率之間的規律關系。

2 負載率對性能系數的影響

該離心式冷水機組名義工況下的COP為6.6。在冷卻水和冷凍水定流量、冷凍水出水溫度7 ℃、冷卻水進水溫度30 ℃的條件下，得到不同負荷率下的冷水機組性能特性，該工況下的部分負荷性能曲線如圖1所示。

圖1 冷水機組部分負荷曲線

由圖1可知，離心式冷水機組部分負荷性能曲線從100%開始，隨著負載率下降，COP緩緩升高，在75%～85%的部分負荷段，COP達到最高，隨著負載率繼續下降，COP快速下降。曲線最高處的COP約為滿載工況COP的1.05倍。圖1的部分負荷性能曲線展示了離心機組的普遍性能規律，即離心式冷水機組的COP峰值往往不出現在滿負荷時。

定頻離心式冷水機組在部分負荷運行時，通過導流葉片調節、進口節流調節等方式來實現制冷量調節。導流葉片略微關閉時，減少了制冷劑流量，同時由于部分負荷下換熱器換熱充分（相當于放大了換熱器），因此往往部分負荷下機組效率最高（最高COP往往出現在70%～90%的負載段）。但是當導葉開度過小時，節流作用明顯增加，效率大為下降。值得注意的是隨著運行工況的不同，最高COP對應的負荷率（即最佳負荷率）也是動態變化的。

因此，現場運行人員發現并分析冷水機組的最佳運行負荷段，根據末端負荷需求變化，合理控制冷水機組開機臺數，對提升整個機房能效和安全性都有重要意義。

3 冷凍水出水溫度對性能系數的影響

在相同冷凝溫度下，不同蒸發器出水溫度也會對冷水機組COP產生影響。在冷卻水和冷凍水定流量、冷凝器進水溫度為30 ℃條件下，得到不同蒸發器出水溫度下的冷水機組性能特性，如圖2所示。

圖2 冷凍水出水溫度對冷水機組性能的影響

由圖2可知，冷水機組性能COP隨著蒸發器出水溫度的提高而提高。通過分析比較，蒸發器出水溫度每提升1 ℃，冷水機組COP提升1.5%～3%，具體提升效果與實際運行工況相關。3條冷水機組性能曲線COP峰值均出現在75%～85%負載率下。

提高蒸發器出水溫度可以提高冷水機組COP值，因為蒸發溫度的提高，意味著壓縮機壓縮比的降低。同時，制冷循環中的制冷劑容積制冷量隨壓縮機的吸氣狀態而變，制冷循環中的制冷劑蒸氣比體積隨蒸發溫度的降低而加大。冷凝溫度確定情況下，離心冷水機組的制冷量將隨蒸發溫度的提高而增大，冷水機組COP隨著蒸發溫度的提高而提升。

雖然提高冷凍水出水溫度以提升冷水機組性能的效果顯著，但是工廠工程中出于對工藝的要求，尤其半導體工廠潔凈室車間對空調溫濕度、換氣次數有嚴格的要求，冷凍水出水溫度調節范圍比較窄。這就需要操作人員在保證工藝需求的前提下，盡量優化出水溫度，使冷水機組在COP峰值點運行，進一步提升冷水機組性能。而在商業樓宇建筑中，冷凍水出水溫度重置不失為有效提高空調冷水機房整體能效的重要途徑，當春秋過渡季節或夜間低負荷時段，適當提高出水溫度可實現冷水機組效率提升。

4 冷凝器進水溫度對性能系數的影響

冷水機組的冷凝溫度由冷水機組冷卻側的換熱過程決定，熱量從冷水機組排到室外環境中，依次經歷三個換熱過程：冷凝器中制冷劑冷凝熱傳給冷卻水、冷卻水將熱量從冷水機組搬運至冷卻塔、冷卻塔中冷卻水與外部空氣換熱。

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冷凝器進水溫度受到冷卻塔出力及濕球溫度的影響。在冷卻水和冷凍水定流量，蒸發器出水溫度7 ℃的條件下，冷水機組性能隨不同冷凝器進水溫度的曲線如圖3所示。圖3可知，隨著冷凝器進水溫度降低，冷水機組COP逐漸提升，冷凝器進水溫度每降低1 ℃，冷水機組COP提升2%～5%，冷水機組節能效果明顯。

圖3 冷凝器進水溫度對冷水機組性能的影響

冷凝器進水溫度對冷水機組性能影響密切，對冷凝器進水溫度的控制是空調冷水機房傳統節能措施，市場上已有許多自控廠家或節能公司通過對冷卻水溫的優化控制取得了一定的節能效果。其原理在于，當冷凝器進水溫度降低時，冷凝壓力下降，壓縮機出口氣體的焓值下降，輸入的電能降低，進而提高冷水機組COP。

值得一提的是，降低冷卻水溫必須提高冷卻塔的散熱能力，但會增加冷卻風機的能耗。因此，實際運行管理中，不能一味追求降低冷卻水溫，當冷卻水溫降低到一定范圍時，若繼續降低冷卻水溫度，冷水機組COP提升節省的能耗可能不足以抵消冷卻水輸配排熱設備增加的能耗。實際操作控制中，還需要根據室外濕球溫度以及冷卻塔與冷水機組的實際配置情況，結合機組冷卻水允許最低進水溫度等條件，合理調配冷水機組與冷卻水輸配排熱設備的能耗權重，以達到機房整體能效提升。

5 冷凍水變流量對性能系數的影響

文獻[18]指出了冷凍水變流量控制中，常見的3種方式：1）供回水干管壓差恒定的壓差控制法；2）最不利末端環路壓差保持恒定的末端壓差控制法；3）定供回干管溫差的定溫差控制法。

3種變流量控制的差別在此不做討論，下面以冷凍水采用定溫差變流量控制進行分析。在冷卻水定流量，冷凝器進水溫度30 ℃，蒸發器出水溫度7 ℃的條件下，蒸發器在不同進出水溫差下的冷水機組特性如圖4所示。

圖4 冷凍水變流量對冷水機組性能的影響

由圖4可知，冷水機組蒸發器變流量性能曲線在部分負荷大于80%時，三條變流量的性能曲線極為接近。相比定流量運行時，冷水機組COP下降僅在0.5%以內；在80%以下的部分負荷段，蒸發器側變流量引起冷水機組COP的下降也在2%以內。上述結果表明當冷凝器條件一定時，冷凍水流量變化引起的冷水機組性能變化很小。

究其原因，一方面蒸發器側水流量的降低導致蒸發器側換熱效率下降，使機組COP降低；另一方面，定溫差的變流量控制下，由于蒸發器出水溫度相同，蒸發器回水溫度的不同會引起蒸發溫度的變化，蒸發器側進出水溫度平均值在部分負荷下比定流量的蒸發器側進出水溫度平均值高，也就意味著冷水機組蒸發溫度較高，從而機組COP提高。上述兩個方面的綜合影響使得機組在不同溫差下的COP基本保持不變。

冷凍水泵變流量后，節省的能耗往往占到冷水機房運行能耗的3%～8%，當滿足末端換熱除濕需求時，通過水泵變頻來調節冷凍水流量是流量調節的重要手段。

冷凍水泵變頻，近年來已有許多成功案例，通過水泵變頻來調節冷凍水流量，其水泵能耗明顯降低，筆者在此不多贅述。文獻[19]指出，水泵采用變頻控制后，其能耗并非如廠商所宣傳的那樣，與流量的三次方成正，功率和流量的實際關系和水泵性能曲線、管網曲線以及控制方式都有關系。同時還應考慮控制精度和工藝要求，進而確定冷凍水泵變頻采用定溫差控制抑或壓差控制法。此外，變流量時還應考慮機組允許的流量變化速率，以及機組允許的流量上下限。

6 冷卻水變流量對COP的影響

當冷凝側進水溫度相同時，隨著冷卻水流量的減小，引起系統排熱量的減小和冷凝器換熱效率的下降。在冷凍水定流量、冷凝器進水溫度30 ℃、蒸發器出水溫度7 ℃的條件下，冷凝器在不同進出水溫差下的冷水機組特性如圖5所示。由圖5可知，當蒸發器側條件相同及冷凝器進水溫度一定時，冷卻水變流量對冷水機組性能影響較大。定溫差變流量控制下，隨著負載率的減少，冷水機組冷凝側的冷卻水流量逐漸減少，相對定流量運行而言，冷水機組COP下降在3%～8%。

圖5 冷凝器變流量對冷水機組性能的影響

與冷凍水泵類似，冷卻水泵變流量后，節省的能耗往往占到冷水機組運行能耗在3%～8%。具體節能率大小的變化方向與冷水機組COP下降的趨勢方向一致，即負載率愈小，冷卻水泵節省的能耗越多，而冷水機組COP下降得也越多。

綜上所述，冷卻水泵的變頻控制對冷水機組性能影響較大，冷卻水泵變頻節省的電能是否抵消了冷水機組能耗的增加后仍有富余，這是決定采用這一技術的關鍵因素。

文獻[20]給出了通過冷卻水泵與冷機功率的占比來確定冷卻水泵變頻的可行性依據，提出當冷卻水泵功率和冷機功率占比不低于10%，可適用冷卻水泵變流量控制。但是該結論僅基于廠家提供的標準機樣本中的部分負荷工況性能作出的計算，由此筆者認為冷水機組對冷卻水流量比較敏感，冷卻水變流量的控制工藝需更為細致謹慎，只有熟悉各設備的性能，尤其是冷水機組性能曲線，方能更好保證冷凍機房能動態地運行在最佳效率點上實現最佳節能目標。

5 結論

本文分別對影響冷水機組性能的5個主要因素即冷水機組負載率、冷凝器進水溫度、蒸發器出水溫度、蒸發器水流量和冷凝器水流量）進行了定量分析，得出如下結論：

1）離心式冷水機組的COP峰值往往不出現在滿負荷時，更多情況是負載率在70%～90%時，冷水機組性能最高；

2）蒸發器出水溫度每提升1 ℃，冷水機組COP提升1.5%～3%，在滿足末端換熱需求的前提下，提高蒸發器出水溫度可有效提高冷水機房效率；

3）冷凝器進水溫度每降低1 ℃，冷水機組COP提升2%～5%，實際操作控制中，需要合理調配冷水機組與冷卻水輸配排熱設備的能耗權重，以達到冷水機房整體能效提升；

4）合理調節蒸發器水流量，可大量節省冷凍水泵能耗，不同冷凍水流量下，冷水機組性能幾乎沒有差別，因此可在保證末端需求的前提下盡量降低冷凍水流量；

5）冷卻水變流量對冷水機組性能影響較大，冷卻水變流量需要充分了解冷水機組性能與冷卻水泵、冷卻塔性能；

6）冷水機房內各設備間能效相互影響，優秀的機房操作、控制與管理應以實際設備的基本運行特性為基礎，統籌兼顧，從而提升機房整體能效，提高能源利用率。