空調系統運行能效評價研究

劉 成

(咸寧職業技術學院 工學院，湖北 咸寧 437100)

我國公共建筑的面積在不斷擴大，能耗也隨之增加。如何控制空調能耗的快速增長、提高節能減排水平、緩解能源供應緊張局面具有非常重要的意義。空調系統的運行能耗包括制冷主機、水泵、風機和空調末端裝置等，各部分相互影響、互相關聯，這導致傳統的空調運行能耗指標具有局限性，無法有效評測空調的實際能耗，因此有必要采取科學有效的方法對實際運行的空調系統進行評測，提升整體的運行效能，降低能源消耗。實際運行中，不僅要考慮單個設備的運行情況和設備間的耦合特性，還要考慮制冷機組是處于部分負荷還是全負荷狀態，因此需采用動態評價指標，科學評價系統的整體運行情況。

1 空調系統運行能耗指標

1.1 空調系統能耗系數(CEC)

它表示空調系統全年總耗能量與假想空調負荷全年累計值之比，可以判斷空調系統全年能量使用效率大小。由于全年假想的空調負荷計算需要利用詳細的氣象資料，但建筑類型多樣，導致這些資料不全且難于收集[1]。此外，全年負荷包括內部熱濕負荷、新風負荷及建筑傳熱等多項負荷，由于是假想值，計算該值又與實際運行時的負荷有很大差別，可見 CEC 指標的實用性并不高。若評定空調系統制冷及不同控制策略運行的優劣，需要測定它在某一時間段內不同時刻的瞬時能效，采用CEC指標評定無法實現。

1.2 季節能效比(SEER)

它表示空調(供熱)季節總的制冷(熱)量與總輸入功率之比。SEER反映了空調系統實際能耗水平，為總能耗及設備性能的選型提供了科學依據。季節能效比的數值越大，表明空調系統的運行效率越高，在相同的制冷(熱)條件下，總輸入功率越小，越節能。目前，對于不同類型的機組，季節能效比指標大小的限定值還處于不確定狀態，國內相關標準與規范并沒有給出明確的規定，評價等級不好確定[2]。

1.3 單位空調面積年耗電量指標(AEC)

它表示空調系統年耗電量與空調面積之比。指標僅以空調系統的年度單位面積耗電量來表示，并沒有考慮空調系統的實際制冷量和建筑用途，可能造成與系統運行事實不符。如以城市購物廣場和辦公建筑的空調系統為例，由于購物廣場空調系統運行時間長，各項負荷累加值大，所需的制冷量明顯比辦公建筑制冷量大得多，假定最終測算的能耗均為120 kWh/m2，就不能直接判斷購物廣場的空調系統和辦公建筑的空調系統具有同樣的耗能。事實上，購物廣場空調系統在運行中，單位電量產生的制冷量比辦公建筑高得多，應該更節能。因此，片面強調單位面積耗電量指標顯然不適用于不同類型建筑的空調系統比較。

1.4 全年能源消耗效率(APF)

它表示室內空氣中除去的冷量與送入室內的熱量總和與同期間內消耗電量的總和之比[3]。該指標綜合考慮了空調的制冷能力和制熱能力的能耗水平，可以較全面地表示全年能耗水平。空調的能效比越大，在相同制冷量條件下就越節約電能。由于全年的空調負荷計算難度較大，導致在中央空調系統中實際使用并不廣泛，主要應用于小型空調系統，如分體式空調等。

上述4種空調系統能耗評價指標在實施過程中存在數據獲取困難、標準不確定、適用性小等問題，并不能完全滿足空調系統綜合運行能效評價的要求，因此提出一種專門針對空調系統運行能效的評價指標，該評價指標既可以為空調系統節能提供指導，又方便獲取參數，可保證計算的精準性，廣泛適用于不同類型的中央空調系統。同時，該指標也可滿足對瞬時能效和平均能效計算的要求。

2 空調系統運行能效比的計算

2.1 計算公式

在實際運行過程中，空調系統的能效會隨很多因素的變化而變化，需要對運行階段不同工況下的空調能效進行評價[4]。空調系統運行能效比是在空調系統運行的某時刻，空調系統的部分制冷量與其電耗 (非電耗折算成電耗)之比。其計算式為：

(1)

式中，Q—空調系統在部分負荷下的制冷量(kW)，規定是額定制冷量在 0～100%范圍內的取值；制冷量是按照公式Q=CpmΔt進行計算的(其中，Cp—水的定壓比熱容，通常情況下取4.2 kJ/kg·℃；m—空調系統運行中冷凍水的流量kg/s；Δt—進出蒸發器時，冷凍水的溫差，℃)。此外，冷凍水進出水溫差Δt一般是利用溫度計取數，而冷凍水的質量流量m一般是用流量計取數。

∑Ni—空調系統在部分負荷下，各設備所消耗的電量的總和，kW；

N1、N2、N3—分別表示在部分負荷下，冷水機組、冷卻塔和冷卻泵消耗的電量(kW)；

N4—部分負荷下，冷凍水泵耗電量的總和(kW)；

N5—部分負荷下，空調末端設備耗電量的總和(kW)。

2.2 空調系統運行能效比(SOEER)的計算分析

SOEER計算公式中考慮了空調系統機組制冷量和系統各設備的綜合耗電量的大小，體現了系統運行的綜合能效水平。它的各項數值獲取容易，可以利用相關儀器快速獲取，也便于計算，因此利用SOEER值可評估空調系統瞬時能耗水平，如通過測定某一時刻的各項指標值就可以得到對應的能效比值，也可評估一段時間內的平均能耗水平。可以獲取某一段內的各項指標值求得平均能效比。在保證建筑用戶舒適度的前提條件下，其值越低則說明系統越耗能，處于低效能運行狀態，因此增大SOEER的值，可以減少空調系統的總能耗。

SOEER值與制冷機組的選型密切相關。制冷機組的能耗占比較大，超過總能耗的50%，對整個系統的影響非常大；制冷機組COP值直接決定其值大小。通常情況下，當系統其他設備運行正常時，COP值越大則表示SOEER也可能較大。

3 實例分析

以夏熱冬冷地區的某商業辦公建筑為例，該中央空調系統由離心式冷水機組、定流量的二次冷凍水系統、冷卻水系統和空調機組和新風機組等組成。空調系統能效指標測算的相關監測參數，包括冷凍水流量、進出口溫度、輸入功率、冷卻水流量、進出口溫度、輸入巧率、冷卻塔輸入功率、冷水機組輸入功率等的監測數據等[5]，相關數值見表1，運行能效比由公式(1)確定。

表1 檢測數據數值計算一覽表Tab.1 Numerical calculation of test data

測試結果分析。

A.冷水機組的COP。

設冷水機組功耗占空調系統總功耗的權重為：

(2)

則空調系統的運行能效為：

(3)

由公式(3)得，SOEER是由COP值和冷水機組功耗與空調系統總能耗的權重x共同決定的，其中x的數值由公式(2)確定。從表2可知，COP值與運行能效存在三次多項式關系，見圖2。當冷水機組運行的COP值超過它的額定值時，COP值對SOEER值影響最大，如時點1、2中的實際COP值超過額定數值為6.26，此時SOEER值較大。

圖2 冷水機組COP值與SOEER的相互關系圖示Tab.2 Relationship between COP value and SOEER of the water chilling unit

當冷水機組運行的COP值低于它的額定值時，SOEER受x值影響較大，COP值的約束作用表現較弱。當空調系統實際上處于部分負荷運行時，應通過采取合理措施，盡量增加x的權重值。一般可將冷凍供回水的溫差設定為合理值，減低水泵的流量，若水泵有變頻調節裝置，可以降低它的輸入功率，令x增大；也可以通過關停不必要的末端裝置，杜絕浪費，減少該裝置的輸出，達到減少設備能耗的目的。以時點3為例，當空調末端輸入功率降至與時點2為相同值時，則SOEER值與時點2相同，冷水機組的COP值和運行能效值見表2。

表2 冷水機組的COP值和運行能效值Tab.2 COP value and operation energy efficiency value of the water chilling unit

B.水泵的效率。

水泵效率決定了功率的大小，從而影響SOEER值。在相同的流量和揚程下，水泵的效率越高，消耗的功率反而小，空調系統的運行能效就越高。以時點4和11為例，冷卻水泵的流量幾乎相同，但由于時點4的效率高，導致時點4的運行效能高于時點11。

C.水的溫差。

水的溫差對運行能效比和COP值的影響并不顯著。以冷凍水為例，通過擬合冷凍水溫差分別與COP值、運行能效比，發現它們并不存在顯著關系。從圖3可以看出，在部分時點處，冷凍水溫差增大，COP值同步增大；在其他點，兩者出現了反向變化的趨勢，冷凍水的溫差隨COP值進行無規律性變化。

圖3 冷凍水溫差、COP值和SOEER的變化趨勢Fig.3 Changing trend of chilled water temperature difference, COP value and SOEER

4 結語

評價指標可充分考慮各運行設備的實際輸入功率，客觀真實地反映空調系統實際能耗水平。空調系統運行能效比的提出為空調系統評價提供了一套簡單易行的指標體系，可操作性強，也可進行圖表化顯示。通過對其運行狀況進行測定和計算，為空調科學運行提供了數據支撐，可指導系統維護人員按照空調負荷的動態變化規律，改進和提高空調系統在部分負荷下的運行效率。通過選擇科學合理的運行策略，如設定不同冷凍供水溫度，比較在不同部分負荷下的SOEER值大小，選取較優的運行方式，對比設計和運行能效值的大小，輔以相關理論指導，判定空調系統是否節能。通過尋找空調系統負荷和SOEER值變化規律，指導運行管理人員科學精準地調節空調系統，在提升制冷機組運行的COP值基礎上，應盡量提升水泵工作效率，可以在一定程度滿足室內環境熱舒適性，同步提高空調系統運行能效，達到系統節能的目的。