冷水機組運行組合方式的節(jié)能控制策略

摘 要

摘要：結合工程實例，以能效比(EER)作為評價指標，探討了空調(diào)系統(tǒng)冷水機組最佳運行組合方式。與根據(jù)實測冷負荷開啟相應制冷量冷水機組的運行組合方式相比，冷水機組、冷水泵、冷卻
摘要：結合工程實例，以能效比(EER)作為評價指標，探討了空調(diào)系統(tǒng)冷水機組最佳運行組合方式。與根據(jù)實測冷負荷開啟相應制冷量冷水機組的運行組合方式相比，冷水機組、冷水泵、冷卻塔、冷卻水泵的總耗電量可降低4.8%。
關鍵詞：冷水機組；能效比；制冷性能系數(shù)
Control Strategy for Energy Saving of Combined Operation Mode of Chiller
GAO Ya-feng，LI Bai-zhan，ZHANG Wen-iie，CHEN Yu-yuan
Abstract：Based on case study，taking the energy efficiency ratio(EER)as an evaluation index，the optimal combined operation mode of chillers in air-conditioning system is investigated and compared with the combined operation mode of chillers generating the corresponding refrigerating capacity simply based on the measured cooling load. The total electric consumption of chillers，cold water pumps，cooling towers and cooling water pumps can be reduced by 4.8%.
Key words：chiller；energy efficiency ratio(EER)；coefficient of performance
1 概述
    目前，中國每年竣工的建筑面積中公共建筑約4×108m2，在酒店、辦公、商場、教學樓等大型公共建筑中，空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的50%以上，因此公共建筑的節(jié)能更應引起社會各方的關注[1～4]。公共建筑的節(jié)能應著手于每個環(huán)節(jié)，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能首當其沖?？照{(diào)系統(tǒng)中，冷水機組、冷水泵、冷卻水泵及冷卻塔是系統(tǒng)中耗能較高的設備，根據(jù)冷負荷對冷水機的運行合理配置，可以提高空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率，且易于實現(xiàn)。
   對于冷水機組運行的控制是在滿足末端負荷要求的前提下，根據(jù)冷負荷合理確定冷水機組的運行組合方式，使空調(diào)系統(tǒng)具有較高的工作效率，又不至于頻繁啟停冷水機組，這對于保障冷水機組安全、可靠、節(jié)能運行有著重要意義。冷水機組的運行的控制方法有壓差旁通控制法、回水溫度控制法、負荷控制法[5]。目前由于旁通管的選擇、溫度和流量傳感器精度不高等因素，不同程度降低了以上3種方法對冷水機組運行的控制精度。雖然這3種方法可以滿足末端負荷需求，卻不一定具有最佳的節(jié)能效果[6]。對于由多臺冷水機組構成的冷源系統(tǒng)，某一負荷下開啟冷水機組的方式多樣，必然存在一種使得能耗最小的組合，且相對于以上3種控制方式而言易于實現(xiàn)。本文結合工程實例，對冷水機組運行組合方式的節(jié)能控制策略進行分析。
2 冷源及空調(diào)負荷概況
    某教學樓是集教學、科研、辦公、會議等功能于一體的綜合性建筑?？偨ㄖ娣e約70032m2，地下3層，地上26層，建筑高99.1m，空調(diào)面積約37000m2，教學樓的使用時間為8:00—24:00。空調(diào)系統(tǒng)在實際運行中，負荷隨著室外溫度變化?？照{(diào)系統(tǒng)在冷負荷范圍為0～10%、10%～20%、20%～30%、30%～40%、40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%的運行時間，分別占總運行時間的11.5%、17.5%、13.3%、12.7%、13.3%、13.3%、8.7%、6.6%、2.3%、0.8%。
    對于大型空調(diào)系統(tǒng)，為使空調(diào)系統(tǒng)在低負荷運行時也有較高的效率，設計人員多采用大容量離心式冷水機組與小容量螺桿式冷水機組進行組合。當負荷較小時，運行螺桿式機組即可。在進行螺桿式機組選型時，可按照離心式機組制冷能力的40%進行選擇[6]。該空調(diào)系統(tǒng)選用3臺離心式機組與1臺螺桿式機組，冷水進、出水溫度為13、7℃，冷卻水進、出水溫為32、37℃。冷水機組與附屬設備見表1[7]，冷水系統(tǒng)流程見圖1。
表1 冷水機組與附屬設備[7]
設備名稱
參數(shù)
數(shù)量/臺
備注
離心式冷水機組
制冷量為2637kW，功率為490kW
3
—
螺桿式冷水機組
制冷量為1167kW，功率為251kW
1
—
冷水泵
流量為324m3/h，揚程為37m，功率為45kW
4
3用1備
流量為128m3/h，揚程為37m，功率為18.5kW
2
1用1備
冷卻水泵
流量為700m3/h，揚程為32m，功率為75kW
4
3用1備
流量為350m3/h，揚程為32m，功率為55kW
2
1用1備
冷卻塔
流量為700m3/h，功率為22kW
3
—
流量為350m3/h，功率為11kW
1
—
 
3 冷水機組最佳運行組合方式
    不同部分負荷率下冷水機組的性能曲線見圖2。離心式機組在部分負荷率為60%時制冷性能系數(shù)最大，而后隨著負荷增大而降低。螺桿式機組在滿負荷運行時制冷性能系數(shù)最小，當部分負荷率為30%時最大。
 
    本文選用能效比(EER)來評價冷水系統(tǒng)的運行效率，冷水系統(tǒng)的能效比表示冷水系統(tǒng)總制冷量與冷水機組、冷卻塔、冷水泵、冷卻水泵耗電量之比。根據(jù)冷水機組容量，不同負荷下機組運行組合方式見表2。由于在每臺冷水機組出水管上均安裝了定流量閥，從而確保了冷水機組與冷水泵、冷卻水泵在額定流量下運行。認為冷卻水泵、冷卻塔的運行功率與額定功率近似相等，二者的運行功率按其額定功率計算，冷卻水流量、冷水流量均為機組額定流量。在相同負荷情況下，末端設備(風機盤管)的能耗不變，只考慮冷水機組與冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔的耗電量。
    不同負荷范圍下不同機組運行組合方式的EER變化見圖3～8。由圖3可知，隨著負荷的增加，開啟離心式機組時冷水系統(tǒng)的EER逐漸增加。當負荷為1091kW時，兩者的EER相等。為減少冷水機組頻繁開停機次數(shù)，提高使用壽命，在低負荷情況下，單獨運行螺桿式機組即可。此時，EER較小(1.1～3.3)，若考慮末端風機的耗電，整個空調(diào)系統(tǒng)的EER將會更低。即使采取大小容量機組搭配的方式，在較低負荷時，空調(diào)系統(tǒng)的運行效率仍然很低，因此應減少冷水機組的開啟時間甚至不開啟，盡可能利用新風對室內(nèi)降溫。
表2 不同負荷下機組運行組合方式
負荷范圍@/kW
運行組合方式
范圍1
Φ/kW≤1167
螺桿式機組；1臺離心式機組
范圍2
1167＜Φ/kW≤2637
螺桿式機組+1臺離心式機組；1臺離心式機組；2臺離心式機組
范圍3
2637＜Φ/kW≤3804
2臺離心式機組；螺桿式機組+1臺離心式機組
范圍4
3804＜Φ/kW≤5274
2臺離心式機組；螺桿式機組+2臺離心式機組；3臺離心式機組
范圍5
5274＜Φ/kW≤6441
2臺離心式機組+螺桿式機組；3臺離心式機組；螺桿式機組+3臺離心式機組
范圍6
6441＜Φ/kW≤7911
螺桿式機組+3臺離心式機組；3臺離心式機組
范圍7
7911＜Φ/kW
螺桿式機組+3臺離心式機組
 
   由圖4可知，當負荷范圍為1167～2637kW時，只開啟1臺離心式機組，冷水系統(tǒng)的效率將會達到最高，此時EER為3.70～4.22。由圖5可知，當負荷范圍為2637～2910kW時，初期開啟螺桿式機組+1臺離心式機組的EER略高于開啟2臺離心式機組，但隨著負荷的增加，開啟2臺離心式機組的EER將會逐漸增大至4.13，遠高于開啟螺桿式機組+1臺離心式機組。由于負荷范圍2637～2910kW運行時間較短，在實際運行中，負荷范圍為2637～3804kW時，采用開啟2臺離心式機組的方案。此時，冷水系統(tǒng)的EER為3.78～4.13。由圖6可知，當負荷范圍為3804～5274kW時，采用開啟2臺離心式機組的方案，冷水系統(tǒng)EER最高。由圖7、8可知，當負荷范圍為5274～7911kW時，應開啟3臺離心式機組，此時冷水系統(tǒng)的效率最高。冷水機組最佳運行組合方式見表3。
表3 冷水機組最佳運行組合方式
負荷范圍∥kw
冷水系統(tǒng)EER
最佳運行組合方式
Φ/kW≤1091
1.1～3.3
螺桿式機組
1091＜Φ/kW≤2637
3.3～4.1
1臺離心式機組
2637＜Φ/kW≤5274
3.8～4.2
2臺離心式機組
5274＜Φ/kW≤7911
4.1～4.2
3臺離心式機組
4 冷水機組實際運行組合方式
4.1 制冷性能系數(shù)的影響因素
    在實際運行時，冷水機組的運行情況很難做到與額定情況相同，因此冷水機組的最大制冷量、制冷性能系數(shù)與圖1相比存在一定差別。因此，應對不同負荷下冷水機組的冷水出水溫度、冷卻水進水溫度、冷卻水、冷水管道的污垢系數(shù)等進行適當修正。冷水機組的冷水出水溫度每增加1℃或冷卻水進水溫度每降低1℃時，制冷性能系數(shù)增加2%～3%[8]。下面從冷水出水溫度、冷卻水進水溫度、污垢系數(shù)3個方面進行分析。
   ① 冷水出水溫度
   隨著冷水出水溫度的升高，冷水機組的制冷量與制冷性能系數(shù)有所提高。當冷水出水溫度由6℃提高到10℃時，制冷量提高13%，制冷性能系數(shù)提高11%。
   ② 冷卻水進水溫度
   隨著冷卻水進水溫度的降低，冷水機組的制冷量與性能系數(shù)有所提高。當冷卻水進水溫度由32℃降低到26℃時，制冷量與制冷性能系數(shù)均提高約20%。
   ③ 污垢系數(shù)
   受水質(zhì)的影響，冷水機組換熱器會結垢，隨著冷水機組運行時間的延長，結垢現(xiàn)象會越發(fā)嚴重，污垢系數(shù)會增大，換熱器的換熱能力將會下降，機組的制冷量及制冷性能系數(shù)也會隨之降低。
4.2 實際運行組合方式
    增開冷水機組的判斷條件：當一段時間內(nèi)(15～20min)[9]冷水機組冷水出水溫度的實測值高于設定值時，判定冷水機組的制冷量已經(jīng)達到最大值，此時運行的冷水機組已不能滿足末端負荷的需要，應增開一臺冷水機組。根據(jù)以上分析，考慮一定的余量，可得到冷水機組實際運行組合方式(見表4)。
表4 冷水機組實際運行組合方式
負荷范圍Φ/kW
實際運行組合方式
Φ/kW≤1000
螺桿式機組
1000＜Φ/kW≤2400
1臺離心式機組
2400＜Φ/kW≤4800
2臺離心式機組
4800＜Φ/kW≤7200
3臺離心式機組
7200＜Φ/kW
螺桿式機組+3臺離心式機組
5 最佳運行組合方式的節(jié)能分析
    該工程的原有運行組合方式為隨實測負荷增加，逐漸增開大容量的冷水機組，具體開機順序為：螺桿式機組-1臺離心式機組-螺桿式機組+1臺離心式機組-螺桿式機組+2臺離心式機組-螺桿式機組+3臺離心式機組。這種方式為傳統(tǒng)的開停機順序，只是單一根據(jù)負荷增加逐漸增開冷水機組，并未充分考慮冷水機組的制冷性能系數(shù)。
    原有與最佳運行組合方式的比較見表5。其他設備耗電量為冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔耗電量之和。最佳與原有運行組合方式相比，冷水機組的節(jié)電率為7.0%，總節(jié)電率為4.8%。由此可見，最佳運行組合方式的節(jié)電效果相當明顯。
表5 原有運行組合方式與最佳運行組合方式的比較
組合方式
冷水機組配置
運行時間/h
冷水機組耗電量/(kW·h)
其他設備耗電量/(kW·h)
原有方式
螺桿式機組
568
8.8×104
13.7×104
1臺離心式機組
720
22.9×104
33.1×104
螺桿式機組+1臺離心式機組
543
33.2×104
45.5×104
螺桿式機組+2臺離心式機組
714
61.6×104
87.3×104
螺桿式機組+3臺離心式機組
31
3.9×104
5.6×104
最佳方式
螺桿式機組
511
7.5×104
11.9×104
1臺離心式機組
777
24.1×104
35.1×104
2臺離心式機組
1076
69.4×104
99.9.×104
3臺離心式機組
212
20.3×104
9.2×104
6 結論
 合理的冷水相組運行組合方式，不但可以有效提高房間的舒適度，而且可以降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。
參考文獻：
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(本文作者：高亞鋒1 李百戰(zhàn)1 章文潔1 陳玉遠2 1.重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室 重慶 400045：2.中鐵第四勘查設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)