廣州某商場離心式冷水機(jī)組能耗分析與運(yùn)行優(yōu)化

陳昌宜，汪愛珍，許曉彬

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

國家發(fā)改委聯(lián)合工信部等七部委印發(fā)《綠色高效制冷行動方案》，指出開展綠色高效制冷行動，促進(jìn)節(jié)能減排，應(yīng)對氣候變化，是我國加快生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措。方案提出到2030年，我國大型公共建筑制冷能效提升30%，因此，提升綠色高效制冷產(chǎn)品供給、促進(jìn)綠色高效制冷消費(fèi)、推進(jìn)節(jié)能改造成為主要手段。

本文針對廣州某大型商場集中式空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能需求，以系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行能耗為基礎(chǔ)，對空調(diào)系統(tǒng)中主要耗能設(shè)備運(yùn)行情況與能耗進(jìn)行記錄與分析，提出針對性改善建議［1］。

1 空調(diào)系統(tǒng)概況

該大型商場位于位于廣州市白云區(qū)廣州大道，屬于商場建筑。建筑地上5層，地下1層，空調(diào)面積約35000m2。建筑的主要功能為商場、餐廳、超市等。建筑的冷凍機(jī)房位于頂層樓頂，為露天放置。冷站由3臺離心式冷水機(jī)、3臺冷凍泵、3臺冷卻泵，8臺冷卻塔組成。

圖1 冷凍機(jī)房系統(tǒng)圖

冷站沒有自控系統(tǒng)，操作均通過人工完成，制冷機(jī)組采用永磁同步變頻離心式冷水機(jī)，冷凍水系統(tǒng)為一次泵定流量系統(tǒng)，冷機(jī)與對應(yīng)的冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔連鎖啟停。由于各水泵定頻運(yùn)行，冷凍水供、回水管上設(shè)有旁通閥，因此在冷機(jī)啟停狀態(tài)相同時，冷凍水及冷卻水的流量基本不變［2］。

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)情況，計(jì)劃對節(jié)能潛力較大的冷水機(jī)組進(jìn)行分析與改進(jìn)，以提升系統(tǒng)能效［3。冷站由2臺600RT，1臺400RT的離心式冷水機(jī)組作為冷源，機(jī)組主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 離心機(jī)組參數(shù)表

由于水系統(tǒng)為一次泵定流量系統(tǒng)，管路沿程阻力變化很小，因此假定在相同的冷機(jī)開啟方式下，冷機(jī)的水流量不變。測量了不同冷機(jī)開啟狀態(tài)下的水流量，并通過冷機(jī)導(dǎo)出數(shù)據(jù)中的壓縮機(jī)電流負(fù)載率估算冷機(jī)的電功率，選取某典型日對3#冷機(jī)的連續(xù)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了分析。

通過圖2和圖3進(jìn)出水溫度數(shù)據(jù)對3#冷機(jī)制冷量進(jìn)行估算，并結(jié)合機(jī)組內(nèi)部電壓與電流數(shù)據(jù)，計(jì)算壓縮機(jī)功率，結(jié)果如圖4所示。機(jī)組參數(shù)除部分時段蒸發(fā)溫度高于水溫以外，水溫及壓縮機(jī)功率波動趨勢一致，可用于機(jī)組參數(shù)計(jì)算與合理性分析。針對蒸發(fā)溫度異常問題，需要結(jié)合實(shí)際工程測試分析。

圖2 3#冷機(jī)冷卻水進(jìn)出溫度圖

圖3 3#冷機(jī)冷凍水進(jìn)出溫度圖

圖4 3#冷機(jī)壓縮機(jī)功率與制冷量圖

從圖5、圖6數(shù)據(jù)可以看出1#冷機(jī)COP主要分布在4.5～6.8之間，低于額定標(biāo)稱值。在負(fù)荷率50%-75%附近區(qū)域，機(jī)組COP與導(dǎo)葉開度明顯分為兩個部分，且機(jī)組導(dǎo)葉開度在負(fù)荷率較高情況下，仍然出現(xiàn)開度較小情況，影響整機(jī)效率。

圖5 3#冷機(jī)負(fù)荷率與COP關(guān)系圖

圖6 3#冷機(jī)負(fù)荷率與導(dǎo)葉開度關(guān)系圖

基于上述問題，開展空調(diào)系統(tǒng)測試與問題分析工作。

2 空調(diào)系統(tǒng)測試與問題分析

針對存在的問題，我們分析了變頻離心機(jī)變頻、開關(guān)導(dǎo)葉開度、旁通等調(diào)整負(fù)荷的方式［4］，選取了若干組典型工況，對冷機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過現(xiàn)場實(shí)測情況，調(diào)節(jié)了冷機(jī)相關(guān)參數(shù)，對比調(diào)節(jié)前后的性能。

對3#冷機(jī)典型工況下的運(yùn)行情況進(jìn)行測試，結(jié)果如下：

圖7 3#冷機(jī)典型工況參數(shù)

此時壓縮機(jī)電流負(fù)載率為93.4%，壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉開度為99.7%。對測試得到的參數(shù)進(jìn)行能量校核，不平衡率為9.4%［5］。

表2 3#冷機(jī)典型工況能量校核

該工況下，冷凍水流量比名義工況額定流量大12%，而供水溫度遠(yuǎn)高于7℃的設(shè)定值。根據(jù)蒸發(fā)溫度及冷凝溫度，計(jì)算得到此工況下逆卡諾循環(huán)COP為8.85，而實(shí)際COP為4.89，熱力完善度為0.55，實(shí)際COP遠(yuǎn)低于額定COP。

蒸發(fā)器與冷凝器的趨近溫度及換熱效率如表3所示。可以看到，兩器的趨近溫度偏高，換熱效率在55%左右。

表3 3#冷機(jī)典型工況蒸發(fā)器、冷凝器換熱情況

在測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷機(jī)負(fù)荷升高，電流達(dá)到甚至超過額定電流時，頻率達(dá)到額定頻率，入口導(dǎo)葉全開，然而電子膨脹閥開度仍然維持在48%左右。膨脹閥開度不足會使得制冷劑流量不足，換熱能力減弱。如圖8（a）所示，此時從蒸發(fā)器示液鏡中無法觀察到制冷劑。

圖8 調(diào)節(jié)前后蒸發(fā)器示液鏡液位

對冷機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行調(diào)節(jié)手段進(jìn)行實(shí)際探究，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)頻率、導(dǎo)葉開度等參數(shù)調(diào)節(jié)均能正常變化，而電子膨脹閥開度則不能隨負(fù)荷率增大正確動作。由此初步推斷，膨脹閥開度不足是導(dǎo)致冷機(jī)制冷量嚴(yán)重偏低的主要原因。

為研究電子膨脹閥開度對冷機(jī)的性能影響，對電子膨脹閥的開度進(jìn)行了手動調(diào)節(jié)，并對調(diào)節(jié)后的冷機(jī)性能進(jìn)行了測試，結(jié)果如下：

表4 3#冷機(jī)調(diào)節(jié)膨脹閥開度后參數(shù)

可以看到，當(dāng)膨脹閥開度增大時，冷機(jī)的COP顯著提升，達(dá)到6.0左右。而蒸發(fā)器示液鏡的液位也顯著升高，可以觀察到制冷劑的存在，機(jī)組換熱性能提升，見圖8（b）。

從3#冷機(jī)導(dǎo)出數(shù)據(jù)中的蒸發(fā)溫度在部分情況下與冷凍水出水溫度非常接近，甚至出現(xiàn)了蒸發(fā)溫度高于出水溫度的情況，由此說明蒸發(fā)溫度或冷凍水出水溫度的測量出現(xiàn)了偏差，而機(jī)組電子膨脹閥開度依據(jù)受吸排氣的過熱度進(jìn)行控制，偏差將會影響電子膨脹閥的調(diào)節(jié)。由于冷機(jī)面板顯示的冷凍水供回水溫差與管壁上安裝的溫度自記儀讀數(shù)相近，可以判斷是蒸發(fā)溫度存在偏差。根據(jù)冷機(jī)面板上顯示的蒸發(fā)溫度進(jìn)行研究，蒸發(fā)溫度是由蒸發(fā)壓力測定值換算得到，由此判斷，導(dǎo)致蒸發(fā)溫度顯示值出現(xiàn)偏差的原因是蒸發(fā)壓力傳感器自身存在偏差，并導(dǎo)致電子膨脹閥控制出現(xiàn)偏差，開度較小。

3 結(jié)論

通過對廣州某商場3臺離心式冷水機(jī)組能耗分析與運(yùn)行優(yōu)化，可以得出以下節(jié)能改善建議：

1）冷機(jī)在高負(fù)荷工況下，電子膨脹閥開度仍然較低，制冷劑流量不足，使得蒸發(fā)器換熱量遠(yuǎn)低于額定值，機(jī)組性能下降。短期內(nèi)可通過調(diào)節(jié)冷機(jī)控制節(jié)流閥的閾值和修正過熱度參數(shù)，使得冷機(jī)負(fù)荷率較大時膨脹閥開度增大；長期來看，需要對有關(guān)傳感器及機(jī)組控制算法進(jìn)行修正，使得冷機(jī)高效運(yùn)行。

2）從系統(tǒng)層面分析，各臺冷機(jī)的冷凍水、冷卻水流量均比額定值大，說明水泵選型偏大，難以達(dá)到最佳額定工況點(diǎn)。

3）部分冷機(jī)冷凝器趨近溫度較大，可能存在結(jié)垢情況，需定時清洗。