空調用冷水機組部分負荷性能與空調系統(tǒng)的匹配分析

簡介： 本文分析研究了反映空調用冷水機組在部分負荷運行時的綜合性能相關參數(shù), 討論了不同部分負荷性能冷水機組的能耗評價方法和節(jié)能潛力,劃分了冷水機組在不同負荷段的部分負荷性能與全負荷性能的關系，指出美國空調與制冷學會標準（ARI-550/590-98）中提出的綜合部分負荷性能系數(shù)IPLV的技術意義及其變化, 提示了制冷系統(tǒng)的設計與運行能耗與空調動態(tài)負荷的相關性，給出了空調用冷水機組部分負荷性能與空調系統(tǒng)匹配的基本思路。
關鍵字：冷水機組部分負荷性能空調系統(tǒng) 匹配

在空調工程中,制冷系統(tǒng)的設計、安裝和運行對整個空調系統(tǒng)的能耗影響很大。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，空調的使用日趨廣泛，空調面積數(shù)量大幅度上升，各類風冷式、水冷式甚至蒸發(fā)式的冷水機組已經(jīng)成為空調用冷源的主力軍，冷水機組的能耗也越來越大，采用合理、科學和經(jīng)濟的設計、選型和運行方案，就成為降低冷水機組消耗的關鍵問題。

　　空調用冷水機組的全年運行能耗與冷水機組的性能有關，而冷水機組的性能主要包括全負荷性能和部分負荷性能，兩者在選擇和匹配冷水機組時均起著重要的作用。由于空調系統(tǒng)的冷負荷總是隨室外氣象參數(shù)擾動和室內狀態(tài)的改變而變化的，在供冷期間空調系統(tǒng)在部分負荷下運行的時間較多，所以冷水機組的實際運行過程中大部分時間都是處于部分負荷運行狀態(tài),因此冷水機組部分負荷時的性能對其運行能耗的影響是很大的。研究冷水機組、空調系統(tǒng)的部分負荷特性及其相互之間的匹配關系，對于挖掘空調制冷總能系統(tǒng)的節(jié)能潛力無疑是十分重要的。

1冷水機組部分負荷綜合性能參數(shù)

　　在規(guī)定的名義工況條件下,冷水機組的制冷量與能耗之比稱為冷水機組的能效比EER(Energy Efficiency Ratio),它是標志冷水機組能耗的重要指標。在上個世紀的八十年代，節(jié)能研究的重點一直集中在如何提高冷水機組的EER。但是，EER所表示的僅僅是名義工況條件下的能耗。隨著系統(tǒng)負荷的減少，它會大幅度的下降。例如某機組，在100%負荷（滿負荷）時，它的EER是3.0左右的話，當系統(tǒng)調節(jié)為40%附近的負荷率時，EER已經(jīng)降為1.4了。事實上，系統(tǒng)負荷與冷水機組的制冷量完全匹配的情況幾乎是沒有的。為此，必須考慮冷水機組在各種負荷下綜合能耗。季節(jié)能效比SEER(Seasonal Energy Efficiency Rate) 和由美國空調與制冷學會標準（ARI—550/590 –98）中提出的綜合部分負荷性能系數(shù)IPLV（Integrate Partial Load Value）來評價不同類型冷水機組在整個空調季節(jié)中的綜合性能，可以更準確的反映冷水機組的能耗。這里重點分析綜合部分負荷性能系數(shù)IPLV。

　　冷水機組的部分負荷性能一般是以名義工況輸入功率百分數(shù)和名義工況制冷量的百分數(shù)來表示。一般來說，冷水機組的部分負荷性能大致可以有在整個負荷段冷水機組的全負荷性能好于、差于部分負荷性能和部分負荷段好于、部分負荷段差于部分負荷性能這三種情況。由于冷水機組的實際運行情況（串、并聯(lián)臺數(shù)；負荷調節(jié)方法；地理位置和建筑特點；室內外參數(shù)條件和機組運行方案）是有較大差異的，難以準確作出冷水機組的負荷特性曲線，需要尋求一個能描述不同類型冷水機組共同的部分負荷性能評價指標。綜合部分負荷性能系數(shù)的概念是最早于1986年首先提出來的，后來經(jīng)過多次修改完善，形成了美國空調與制冷學會ARI550-92《離心式和回轉式螺桿式冷水機組》以及ARI590-92《容積式冷水機組》兩個標準中規(guī)定的綜合部分負荷性能系數(shù)IPLV（Integrate Partial Load Value），在部分負荷下求得制冷性能系數(shù)，再按加權系數(shù)公式計算出冷水機組部分負荷性能值，主要反映冷水機組的部分負荷調節(jié)功能。這一方程是對于提供冷水機組平均負荷性能的一種進展，使得這一指標能夠準確地描述在一個標準年周期內冷水機組運轉的實際過程，這樣就可以通過擴展的計算機數(shù)據(jù)分析用來解決冷水機組在不同地理區(qū)域和不同應用場合中的模型問題，而不是針對單機平均值的概念。按照部分負荷ARI550-92《離心式和回轉式螺桿式冷水機組》以及ARI590-92《容積式冷水機組》兩個標準中規(guī)定的綜合部分負荷性能系數(shù)IPLV的計算公式為：

　　IPLV = 0.17A + 0.39 B + 0.33 C + 0.11 D

　　其中A、B、C、D分別是冷水機組在100%、75%、50%和25%負荷下的EER或COP.

　　方程式中的系數(shù)是冷水機組在評價負荷點運行時的權重系數(shù).

　　由于在通常情況下, 冷水機組滿負荷的運行時間不到總運行時間的3%,其絕大部分時間都是在部分負荷下運行,因此冷水機組的負荷特性就成為衡量冷水機組性能優(yōu)劣的一個十分重要的指標?？梢钥吹剑C合部分負荷性能系數(shù)IPLV是在25%、50%、75%部分負荷及滿負荷情況下的COP或EER的加權平均值，它為衡量冷水機組的部分負荷特性提供了很好的依據(jù)。比如說比較不同類型的冷水機組、同類型不同廠家的冷水機組、同類型同廠家運用在不同地區(qū)或和不同類型建筑及空調的冷水機組、不同類型機組組合方式等，等于提供了一個技術平臺，規(guī)定了相應的測試工況和技術標準。

　　經(jīng)過一段試驗運作后，美國空調與制冷學會ARI又于1998年推出了新的標準（ARI—550/590 –98），將所有采用蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的冷水機組統(tǒng)一為一個相同的部分負荷評價標準，提出了新的IPLV計算公式[1]：

　　IPLV = 0.01A + 0.42 B + 0.45 C + 0.12 D

　　新標準有了較大的變化，其中部分負荷加權系數(shù)的基準由原來取自美國佐治亞州的亞特蘭大市、對象是辦公大樓，變?yōu)橐悦绹?9個城市（25年當中美國的冷水機組有80%銷售在這些城市）的平均氣候作為基礎，并以大部分建筑類型（基于DOE的研究）作為評價對象。舊標準以小時數(shù)的直線平均定義評價負荷點，新標準改為冷噸-運行小時數(shù)。98標準提供了更加寬廣范圍的運行條件，可以用來表述每一種冷水機組應用的平均值，而不是針對某一種特殊設施條件下的狀況，例如可以利用詳盡的分析來反映實際氣象資料、建筑物的負荷特性、冷水機組的數(shù)量、運行小時數(shù)、經(jīng)濟優(yōu)化能力和使用水泵、冷卻塔等輔機的能量。另外許多冷水機組都是在非標準工況條件下選擇和使用的，統(tǒng)一為使用蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的冷水機組，也反映了冷水機組容量確定和測試的變化，在比較實際工程中的設施時，這些變化更能真實地反映冷水機組的性能。

　　參考美國空調與制冷學會計算綜合部分負荷性能系數(shù)IPLV的有關標準，國內制冷空調界也作了大量工作，適應我國具體國情和技術現(xiàn)狀的有關行業(yè)標準已經(jīng)制定和正在制定。通過借鑒美國空調與制冷學會計算綜合部分負荷性能系數(shù)IPLV的計算方法，運用于工程實際和科學研究，如通過計算部分負荷性能系數(shù)正確選擇不同類型冷水機組[2][3]；運用部分負荷計算的思路對并聯(lián)機組與空調動態(tài)負荷匹配的研究[4]；根據(jù)部分負荷性能合理選擇冷水機組臺數(shù)[5]；對風冷和水冷機組的運行能耗進行分析[6]；不同類型機組在主從機組配置條件下部分負荷對運行能耗的影響評價[7]；燃氣發(fā)動機驅動熱泵型冷熱水機的部分負荷分析[8]；制冷裝置部分負荷時冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能[9]；ARI標準與我國相應標準的比較研究[10][11]，部分負荷性能的研究已經(jīng)引起了業(yè)內專業(yè)人員的注意。

2冷水機組部分負荷與空調動態(tài)負荷的相關性

　　根據(jù)空調專業(yè)的理論基礎、仿真實驗和實際運行經(jīng)驗，空調系統(tǒng)不可能總在設計負荷下運行，隨著室內外負荷和擾動的變化，空調系統(tǒng)的冷負荷是在不斷的發(fā)生變化的,空調系統(tǒng)實際上就是一個動態(tài)的部分負荷率隨變系統(tǒng)。有統(tǒng)計說明,空調夏季設計日部分負荷出現(xiàn)的時間比率為,低于70%的部分負荷運行時間占全天運行時間的63% 圖1表明了室外氣象條件變化對空調系統(tǒng)的動態(tài)負荷變化以及對冷水機組的制冷負荷的改變的影響,另外空調系統(tǒng)因為是空調用冷水機組的需求側,兩個系統(tǒng)的負荷關系是一個強相關關系。

　　冷水機組的制冷量應與空調負荷要求的冷量一致，使制冷劑在蒸發(fā)器內吸收的熱量正好等于空調負荷的熱量，此時的機組工作點稱為平衡點。事實上，冷水機組的產冷能力和負荷都隨外部條件變化。如圖2，隨室外氣溫的變化，冷水機組的制冷量和空調房間的負變化趨勢相反。在兩條曲線交點A處，制冷量等于空調荷，A為平衡點。在A點的左側，冷水機組的制冷量大于空調房間的負荷，陰影部分表示了冷量的過剩；A點的右側，冷量小于負荷，陰影部分表示了冷量的不足。工程上總是依最大負荷情況選擇空調設備組成空調系統(tǒng)，因此空調設備經(jīng)常處于A點左側工作區(qū)，滿負荷工作的時間一般只有10~20%。機組制冷量的過剩將使制冷劑在蒸發(fā)器內不能充分蒸發(fā)，達不到規(guī)定的過熱度，將引起熱力膨脹閥關小，制冷劑流動阻力增大，流量下降，機組的制冷量下降，直到與負荷達到平衡。

3．空調系統(tǒng)和冷水機組的優(yōu)化匹配

　　空調動態(tài)負荷分析是冷水機組優(yōu)化配置的基礎。由于不同的建筑物有著不同的符合特性，比如最大負荷、最小負荷、負荷分布和符合頻率等，這些都影響著冷水機組的容量和數(shù)目的選擇，更重要的是影響兩個系統(tǒng)在部分負荷情況下的匹配關系[12]。根據(jù)空調動態(tài)負荷的計算分析方法，基于對一定的空調負荷率對應的時間頻數(shù)的原理，以空調動態(tài)逐時負荷中總量、最大量、均值和部分負荷性能來匹配合適的冷水機組，制定恰當?shù)倪\行方案，對于保證空調用冷水機組在部分負荷條件下的有效可靠運行十分重要。文獻[13]中對上海市某高層建筑的運行仿真實驗表明，如果冷水機組與目標建筑物的空調系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化匹配，就可能產生明顯的節(jié)能效果。文獻[14]以一個實現(xiàn)變風量空調的廠房為例，分析了VAV空調水系統(tǒng)在變冷凍水量VWV情況下，當部分負荷時，變頻調速水泵調節(jié)冷凍水量與機組性能和能耗的關系。在工程上有較多的實例運用冷凍水流量調節(jié)、冷水機組臺數(shù)和部分負荷調整的方法使得冷水機組能夠高效運行。

　　從空調用冷水機組和空調系統(tǒng)的耦合關系來看，作為一個總能系統(tǒng)，冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔和空調表面冷卻器構成了相互依存關系，合理選擇相關設備裝置，以保證在部分負荷下也具有較高的運行效率，從而減少全年運行的能耗，是需要引起充分注意的。

參考文獻

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