中央空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組選型技術(shù)應(yīng)用研究
——以上海豐樹閔行商業(yè)園項目為例

于春輝

上海璞科機(jī)電有限公司 上海 202150

1 冷水機(jī)組的性能簡述

目前，在中央空調(diào)制冷行業(yè)中將冷水機(jī)組分為兩類，一類是以周邊空氣作為冷源和熱源的風(fēng)冷式制冷機(jī)組，其在工作時將熱風(fēng)直接排到戶外并通過制冷冷卻水循環(huán)實現(xiàn)制冷的功效。另一種為以水媒介作為冷熱源的水冷式制冷機(jī)組，其冷凝側(cè)是水水換熱器，所以為了實現(xiàn)制冷功能需要通過冷卻水循環(huán)水泵工作，因此工作時必須配合冷卻塔使用。

無論是哪種冷水機(jī)組，結(jié)構(gòu)上包括四個主要組成部分：壓縮機(jī)，蒸發(fā)器，冷凝器，膨脹閥，各組成部分的協(xié)調(diào)工作從而實現(xiàn)機(jī)組制冷效果。制冷劑在冷水機(jī)組的蒸發(fā)器部件內(nèi)進(jìn)行吸收熱量并且汽化成蒸汽，壓縮機(jī)在工作中將產(chǎn)生的蒸汽從蒸發(fā)器中抽出，并進(jìn)行壓縮，蒸汽經(jīng)過壓縮后形成高溫、高壓的蒸汽，被送到冷凝器內(nèi)向冷卻物質(zhì)（如水、空氣等）進(jìn)行放熱過程，并在冷凝過程中形成高壓液體，而且經(jīng)過節(jié)流機(jī)構(gòu)降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)，二次汽化，同時吸收被冷卻物體的熱量，如此周而復(fù)始循環(huán)。壓縮機(jī)是整個空高制冷環(huán)節(jié)中的核心部件[1]。

對中央空調(diào)系統(tǒng)能耗分析，冷水機(jī)組是中空調(diào)系統(tǒng)的核心設(shè)備，是占比最大的的耗能設(shè)備，耗能通常占到整個空調(diào)系統(tǒng)能耗的50%左右，因此，中央空調(diào)制冷機(jī)組的能效水平是建筑節(jié)能設(shè)計的重要指標(biāo)之一[1]。目前的中央空調(diào)冷源輸出主要采用電制冷，在冷水機(jī)組主機(jī)選型時，多數(shù)只關(guān)冷水機(jī)組主要性能參數(shù)COP（Coefficient of Performance，COP）和綜合部分負(fù)荷能耗參數(shù)（Integrated Part LoadValue，NPLV）。

COP指單位功耗所能獲得的冷量，是制冷系統(tǒng)的一項重要技術(shù)指標(biāo)，其公式[6]為：

其中，Q為中央空調(diào)制冷量之和，W為消耗的功率之和。由公式1可以得出當(dāng)中央空調(diào)COP值的大小越大時，單位輸入功率得到的制冷量越大，該中央空調(diào)的效率也就越高，系統(tǒng)的節(jié)能效果越好[2]。

科學(xué)的評估中央空調(diào)制冷機(jī)組的能源效率即要考慮滿負(fù)荷運行的效率，更要考慮部分負(fù)荷的運行效率。事實上，制冷機(jī)組在實際運行滿負(fù)荷的條件下的時間不到2%，98%的時間在部分負(fù)荷條件下運行。美國制冷空調(diào)學(xué)會（ARI）經(jīng)過大量研究，提出一種廣泛的科學(xué)評估方法，即綜合部分負(fù)荷性能指標(biāo)（NPLV）來全面評估一臺冷水機(jī)組的綜合效率。NPLV最早由美國空調(diào)供熱制冷協(xié)會ARI550/590-1992標(biāo)準(zhǔn)中提出[3]。

美國AHRI提出NPLV后，各個品牌制造商大多采用NPLV來測試部分負(fù)荷性能并對機(jī)組認(rèn)證NPLV指標(biāo)。如今NPLV指標(biāo)不再僅僅原始性的建議，而是一個實際的評價冷水機(jī)組部分負(fù)荷特性的指標(biāo)[4]。

NPLV計算公式為：

其中A，B，C，D分別代表機(jī)組在100%，75%，50%和25%四個點的COP值。

由公式2可以看到NPLV值是加權(quán)平均值，并不是冷水機(jī)組的實際能效，而是一個綜合的指標(biāo)，是評價單臺冷水機(jī)組在部分負(fù)荷條件下的性能指標(biāo)。其中1%、42%、45%、12%為加權(quán)權(quán)重。

2 COP 與NPLV 在冷水機(jī)組選型計算應(yīng)用

現(xiàn)以上海市豐樹閔行商業(yè)園辦公樓項目為例，詳細(xì)介紹COP與NPLV的技術(shù)應(yīng)用。該項目為五A級辦公樓，由A-H共八棟建筑組成，總建筑面積為31萬平方米，每座建筑高度60-80米不等，地下兩層，冷源機(jī)房設(shè)置在地下一層。

原設(shè)計：空調(diào)計算總冷負(fù)荷為21100kW，單位空調(diào)面積冷負(fù)荷指標(biāo)為139W/m2，單位建筑面積熱負(fù)荷指標(biāo)為68W/m2。原設(shè)計采用6臺離心式冷水機(jī)組(單臺制冷量為2989kW)和2臺螺桿式冷水機(jī)組(制冷量為1583kW)，所提供的冷凍水供/回水溫度為7/13℃，所要求的冷卻水進(jìn)/出水溫度為32/37℃，設(shè)備COP不小于6.0。

現(xiàn)對原設(shè)計進(jìn)行COP分析，COP按照6.2計算，得：

圖1 離心式冷水機(jī)組3516kW 選型參數(shù)

此項目對辦公環(huán)境的溫度和濕度要求高，臺數(shù)過少或過多都會對整個中央空調(diào)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、整體COP都會產(chǎn)生較為明顯的影響。綜合這些條件，采用同等容量的機(jī)組，大小機(jī)組相配合的方式，進(jìn)行冷水機(jī)組的選型，并根據(jù)選型對COP和NPLV值進(jìn)行計算和分析。擬選定冷水機(jī)組配置方案：5臺離心式冷水機(jī)組（單臺制冷量為3516kW，具體選型參數(shù)詳見圖1）和2臺螺桿式冷水機(jī)組（制冷量為2107kW，具體選型參數(shù)詳見圖2），所提供的冷凍水供/回水溫度為6/15℃，所要求的冷卻水進(jìn)/出水溫度為31/38℃。總計制冷量21794kW，滿足計算總冷負(fù)荷需求。

圖2 離心式冷水機(jī)組2107kW 選型參數(shù)

選型計算的耗總電功率W=5*558.3KW+2*353KW=3498KW，即所有冷凍機(jī)組滿負(fù)荷運行一小時，所消耗的電功率為3498KW。整體COP：21100kw/3498KW=6.0。由此看出，原設(shè)計與選型計算對比，所有冷水機(jī)組的整體COP水平相當(dāng)。列出冷凍機(jī)組在部分負(fù)荷條件下的COP性能統(tǒng)計，詳見表1：

表1 離心式冷水機(jī)組部分負(fù)荷下的COP 統(tǒng)計表

根據(jù)冷水機(jī)組的加載性能參數(shù)，得出COP負(fù)荷曲線（1Kw/ton=3.517/COP），如下圖3、圖4：

經(jīng)計算，離心式冷水機(jī)組3516kW，NPLV=0.469；離心式冷水機(jī)組2107kW，NPLV=0.368。由圖3、圖4中，可以看出，離心式冷水機(jī)組3516kW在40%-80%區(qū)間的能效最好，離心式冷水機(jī)組2107kW在30-60%區(qū)間的能效最好。與原設(shè)計對比，滿足總空調(diào)負(fù)荷且在同等當(dāng)量COP條件下，減少兩臺機(jī)組，總體初投資相對減少，給客戶提供更優(yōu)的優(yōu)選方案。

對于冷水機(jī)組，當(dāng)末端負(fù)荷發(fā)生變化時，對于定頻離心式冷水機(jī)組形式的壓縮機(jī)，壓縮機(jī)工作原理主要是通過改變進(jìn)氣葉片的角度來調(diào)節(jié)輸出制冷量，當(dāng)冷水機(jī)組的輸送負(fù)荷從100%至90%卸載時，由于進(jìn)口導(dǎo)流片的預(yù)導(dǎo)流作用，實現(xiàn)提升冷水機(jī)組的綜合效率，當(dāng)負(fù)荷的繼續(xù)下降，導(dǎo)流葉片繼續(xù)收緊并降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速[4]。對于變頻離心式冷水機(jī)組則是調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速和導(dǎo)流葉片的角度，通過將這兩種方式相結(jié)合，但是此種機(jī)組在部分負(fù)荷條件下，容易發(fā)生喘震，具體要根據(jù)系統(tǒng)流量、主機(jī)的喘震特性曲線來確定期喘震區(qū)間，因此變頻離心機(jī)組與定頻離心機(jī)組在系統(tǒng)搭配選用時，應(yīng)考慮喘震對整個系統(tǒng)的影響[5]。

圖3 離心式冷水機(jī)組3516kW，COP 性能曲線

圖4 離心式冷水機(jī)組2107kW，COP 性能曲線

NPLV指標(biāo)為冷水機(jī)組在部分負(fù)荷特性下的評價提供了一個全面的基準(zhǔn)平臺，冷水機(jī)組生產(chǎn)廠商一般都相對重視機(jī)組在部分負(fù)荷條件下的性能改善，從而實現(xiàn)有效提高冷水機(jī)組實際性能水平[6]。冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下的性能曲線，直接反應(yīng)冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下運行效率，對設(shè)備的選型有重要的參考價值。

COP是反應(yīng)設(shè)備在滿負(fù)荷運行條件下的能耗系數(shù)，并非越大就越好，而冷水機(jī)組絕大部分都是在部分負(fù)荷條件下運行，單一看COP值無法實現(xiàn)最優(yōu)節(jié)能。NPLV值，反應(yīng)冷水機(jī)組在部分負(fù)荷條件下的實際運行工況，參照項目的空調(diào)計算負(fù)荷和運行數(shù)據(jù)，NPLV值接近于空調(diào)負(fù)荷運行區(qū)間，從而更近于最佳節(jié)能工況點，達(dá)到最優(yōu)節(jié)能。

3 冷水機(jī)組的臺數(shù)配置

一般來說，冷水機(jī)組的設(shè)計和選擇需要在考慮全年負(fù)荷的情況后才能確定，我國對于工程中冷水機(jī)組的選擇也出臺了相關(guān)的文件進(jìn)行規(guī)范，明確規(guī)定冷水機(jī)組要在滿足使用安全和需求的情況下，盡量使得冷水機(jī)臺數(shù)較少，應(yīng)與末端需求相結(jié)合。在考慮制冷機(jī)組的選型和配置時，除了法律法規(guī)中的規(guī)定以外，還應(yīng)避免以下情況的發(fā)生：

（1）臺數(shù)過少。過少影響負(fù)荷的可靠性、系統(tǒng)穩(wěn)定性，無法確保系統(tǒng)的適應(yīng)能力。

（2）臺數(shù)過多。過多造成單臺機(jī)組的總?cè)萘科停瑱C(jī)組COP值較差，從而增加系統(tǒng)的其它設(shè)備如水泵、冷卻塔的并聯(lián)和和系統(tǒng)的故障率。

（3）多機(jī)頭的機(jī)組的不合理。主要是有模塊化集成化冷水機(jī)組、多機(jī)頭風(fēng)冷熱泵、模塊化風(fēng)冷熱泵組成，使用不合適的多機(jī)頭冷水機(jī)組會增加系統(tǒng)絕對故障，同時還會增大啟動電流，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

（4）采用同等容量機(jī)組。一般情況下，采用同等容量冷水機(jī)組可以使機(jī)房表面上看起來整潔，而且會減少備品件。但是，在小區(qū)域范圍的建筑，采用同等容量機(jī)組，容易出現(xiàn)負(fù)荷適應(yīng)性和系統(tǒng)穩(wěn)定的問題。

4 結(jié)語

本文主要從中央空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組的結(jié)構(gòu)和配置進(jìn)行分析，對設(shè)備的COP和NPLV分析研究，對冷水機(jī)組在滿負(fù)荷和部分負(fù)荷情況下運行的能耗進(jìn)行分析，從而給出最優(yōu)的冷水機(jī)組配置方案。

COP和NPLV，是反應(yīng)冷水機(jī)組的直觀性能參數(shù)，對于單臺機(jī)組的中央空調(diào)系統(tǒng)而言，COP和NPLV是可以反應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要參數(shù)指標(biāo)。但是對于多臺冷水機(jī)組的系統(tǒng)，分析整個空調(diào)系統(tǒng)是否節(jié)能，不能單一從冷水機(jī)組的COP和NPLV值下定論，應(yīng)根據(jù)實際項目中冷水機(jī)組全年運行方案，結(jié)合實際的外部氣象參數(shù)、分時電價、機(jī)組臺數(shù)、機(jī)組運行時間和負(fù)荷、建筑負(fù)荷特性等，通過系統(tǒng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)模擬或?qū)I(yè)能耗計算方法，計算出冷水機(jī)組的全年能耗。而且，中央空調(diào)系統(tǒng)制冷機(jī)組在實際運行中，末端的空調(diào)負(fù)荷是動態(tài)變化的，根據(jù)末端的需求負(fù)荷來綜合調(diào)節(jié)冷水機(jī)組的運行臺數(shù)和運行負(fù)荷，使用系統(tǒng)總體運行能耗更低，更趨近最佳節(jié)能工況點。