馬一太 田 華 李敏霞

(天津大學熱能研究所 天津 300072)

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和城市化的進程，中央空調(diào)的應用越來越多，我國的大城市相應的電耗已占總電量的20%～30%，加劇我國的能源緊張和大氣污染。為促進中央空調(diào)的節(jié)能，在制定冷水機組的能效標準時，除額定工況下EER值應有限定外，在部分負荷下的EER值也應得到重視。美國相關標準中提出的冷水機組的綜合部分負荷值IPLV(Integrated Part Load Value)的概念類似家用空調(diào)中的季節(jié)能效比SEER。IPLV在1986年起源于美國，1988年被ARI采用，1992年和1998年進行了兩次修訂。目前全美主要的冷水機組制造商一致通過了1998年版的IPLV。IPLV作為冷水機組的能耗考核指標已被廣泛采用，當今采用IPLV的有ASHRAE90.1建筑節(jié)能標準、FEMP(美國聯(lián)邦能源管理程序，作為采購冷水機組的標準)、多數(shù)美國建筑節(jié)能標志、加拿大建筑節(jié)能標志等；擬采用的有ISO全球冷水機組標準(TC86/SC6/WG9)、歐洲冷水機組標準(EECCAC)、英國冷水機組標準(London)和意大利冷水機組標準(EMPE)[1,2]；可以說IPLV已在全世界得到了認可。我國也開展了適用于我國的IPLV的制定工作，在能效標準方面，只是僅在多聯(lián)機系統(tǒng)上開始使用。

提出測量IPLV的目的是進一步挖掘冷水機組的節(jié)能潛力。眾所周知環(huán)境氣溫是周期性變化的，絕大多數(shù)地區(qū)夏季高溫天氣只占很小的比例，而且各地的氣象參數(shù)雖不相同，但其變化規(guī)律即溫度—小時數(shù)有一定的相似性，可以認為空調(diào)設備大多數(shù)時間是在部分負荷下工作的。

1 IPLV的節(jié)能意義

圖1和圖2是美國和中國的溫度帶劃分圖[2]，表1是我國八個典型城市的夏季溫度-小時數(shù)[3]?？梢钥闯鲱~定工況(或超過)的小時數(shù)很少。

圖1 美國溫度帶劃分圖Fig.1 Division of temperature belt in U.S.

圖2 中國溫度帶劃分圖Fig.2 Division of temperature belt in China

表1 我國八個城市30年氣象資料(單位:小時)Tab.1 Weather data during 30 years of eight cities in China

為了在空調(diào)設備中體現(xiàn)節(jié)能的原則，首先應提高設備在額定負荷下EER，這是最基本的保障。然后在部分負荷下，有如下提高性能系統(tǒng)的措施：

1)環(huán)境溫度較低時可以降低冷卻水的溫度，即降低冷凝溫度；

2)由于部分負荷下壓縮機和兩個換熱器有一定的余量，在較小的冷熱量輸出時可減小換熱器的傳熱溫差，即適當提高蒸發(fā)溫度或降低冷凝溫度，可以減小壓縮機的壓縮比；

3)較低負荷下制冷劑的流量較小，換熱器和管路流動損失較小，也可減小壓縮比，有關的分析結果可以直觀地從圖3得出。

圖3 額定負荷與部分負荷工況分析Fig.3 Analysis to work condition of rating load and part load

在空調(diào)工況下，冷凝溫度降低1℃或蒸發(fā)溫度升高1℃，EER可提高4%～5%?？梢哉f在部分負荷下通過調(diào)節(jié)和優(yōu)化蒸發(fā)溫度和冷凝溫度來取得最佳的EER，主要是采用微電子控制技術來實現(xiàn)，在部分負荷下有比額定負荷下更高的EER，即可以得到高的IPLV值。這包括壓縮機容量控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電子膨脹閥、變頻器控制水泵等措施。可以說額定負荷下EER體現(xiàn)了設備機械制造水平，IPLV體現(xiàn)了設備的電子控制水平。

我國有關IPLV的討論由來已久[3]。較簡單的空氣-空氣制冷(熱泵)系統(tǒng)用于家用空調(diào)、單元式空調(diào)或多聯(lián)機，中間沒有蓄能或二次換熱，其SEER或IPLV意義非常顯現(xiàn)，需要考核主機變?nèi)萘肯碌哪苄П?。由于冷?熱泵)機組還要有一個外圍的水系統(tǒng)才能實現(xiàn)制冷空調(diào)，而且往往是多臺機組關聯(lián)工作，機組的IPLV顯得不太重要，一個主要的理由是，如果能將多臺冷水機組都工作在最佳EER下，再由水系統(tǒng)調(diào)配制冷量大小，也能實現(xiàn)高效的季節(jié)供冷[4]。

我國近年來為了在空調(diào)領域落實“節(jié)能減排”，2007年國務院辦公廳關于嚴格執(zhí)行公共建筑空調(diào)溫度控制標準的通知提出空調(diào)溫度不低于26℃的指標。通知規(guī)定“所有公共建筑內(nèi)的單位，包括國家機關、社會團體、企事業(yè)組織和個體工商戶，除醫(yī)院等特殊單位以及在生產(chǎn)工藝上對溫度有特定要求并經(jīng)批準的用戶之外，夏季室內(nèi)空調(diào)溫度設置不得低于26攝氏度，冬季室內(nèi)空調(diào)溫度設置不得高于20攝氏度?！边@個規(guī)定將顯著節(jié)省我國空調(diào)和采暖的能量，在原則上是可行的，但是在具體操作中會遇到很多有待解決的問題。26℃或更高的溫度，可能是原設計負荷為50%和25%冷量范圍，可以不供冷(但可能還需要除濕)，這與原來的運行模式有很大的不同。這里將對此進行探討。

2 IPLV的測試和計算方法

2.1 IPLV的理論基礎

IPLV的概念來自美國，ARI550/590－98給出了IPLV的計算公式：

式中：A－機組在100%容量且部分負荷條件下的能效比；B－機組在75%容量且部分負荷條件下的能效比；C－機組在50%容量且部分負荷條件下的能效比；D－機組在25%容量且部分負荷條件下的能效比。

這個加權系數(shù)，據(jù)說是綜合了美國19個城市的條件得出的。事實上，很少有機組能恰好運行在上述四個工況點，為此在計算IPLV時要先把不在標準指定的工況點下的能效比換算成那四個點的能效比，ARI550/590－98也給出了相應的計算方法。

美國以外的一些國家和地區(qū)也提出了IPLV計算公式，這些公式的結構與美國的類似，不同之處在于部分負荷下的權重不同，見表2。

表2 不同國家和地區(qū)的IPLV負荷權重Tab.2 Load weight to IPLV in vary countries and regions

除冷水機組外，單元式空調(diào)機也能采用IPLV能耗指標，但它的計算方法與冷水機組的不同，ARI210/240－03公式為：

式中：PLF－部分負荷因子，按圖4取值；n－可調(diào)節(jié)的容量總數(shù)；下標1代表100%容量且在部分負荷條件下；下標2，3等代表指定容量且在部分負荷條件下。而圖4的曲線，是一個精確的冪函數(shù)方程。

圖4 部分負荷因子曲線(資料來源：ARI550/590-98)Fig.4 Curve of part-load factor (source: ARI 550/590-98)

為了對IPLV有一個直觀認識，以某制冷量為1342kW水冷式冷水機組為例來具體說明。以滿負荷時EER為5.57/(W/W)的情況為計算起點，四個部分負荷點的EER使用機組容量控制模型計算，以ARI550/590－98規(guī)定的部分負荷性能測試條件作為輸入?yún)?shù)來模擬計算。然后以不同國家和地區(qū)的IPLV公式來計算相應的IPLV，結果見表3。

表3 IPLV算例分析Tab.3 Example analysis of IPLV

由表3可看到，不管采用哪個IPLV公式計算，IPLV都比EER高14%～20%，這就是說在設備制造水平一定時，采用運行調(diào)節(jié)方法還可有較大的節(jié)能空間。不同國家和地區(qū)的IPLV不同說明同一臺設備在不同的運行條件下實際能耗是不同的，但前提是制冷系統(tǒng)具有運行參數(shù)調(diào)節(jié)和優(yōu)化的功能。

我國《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189－2005第5.4.6條規(guī)定了冷水(熱泵)機組綜合部分負荷性能系數(shù)；5.4.7條規(guī)定了計算公式：

其中：A、B、C、D：100%、75%、50%、25%時COP(EER)。

我國修訂國標 GB/T18430.1－2007《蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組工商業(yè)用和類似用途的冷水(熱泵)機組》，接受了上述公式[5,6]。

顯然，考察單臺的性能，采用COP和IPLV兩個指標比僅用COP更加科學。所以美國的SHRAE 90.1-2001標準在規(guī)定機組的最低性能門檻值時，采用了COP和IPLV兩個指標來進行判定，見表4。

表4 SHRAE90.1-2001對冷水機組的最低能效要求Tab.4 The minimum allowable values of the energy ef fi ciency for water chillers in SHRAE90.1-2001

通過表4可以給出一個初步結論，當采用往復式壓縮機時，IPLV比COP提升得較多，螺桿式壓縮機為中等水平，到離心式壓縮機，IPLV比COP提升有限。IPLV/COP依次從最高值1.2到中值1.16，再到最低值1.05。目前很少有用活塞機作為較大容量的冷水(熱泵)機組，這里不作討論。螺桿機是用于中型到大型冷水(熱泵)機組的范圍，而且螺桿機通過用滑閥改變制冷劑流量，可以在較大范圍內(nèi)保持高的EER，特別明顯是在50%～70%得到最高的EER值。離心機采用關閉進氣導葉減小工質(zhì)流量，原理上是不適合大幅度改變制冷劑流量，當制冷量小到45%時就會發(fā)生喘振，只好采用犧牲效率的熱氣旁通方式來減小輸出，這可能是離心機IPLV/EER比值偏低的原因。近年出現(xiàn)變頻式離心機組，葉輪的轉速可以改變。這是從原理上改變離心機的壓縮比和工質(zhì)流量，可以較理想地提高較低負荷時的效率。

3 對IPLV的深入了解

美國一直是世界上采用各種空調(diào)和熱泵最多的國家，在部分負荷運行方面積累了很多經(jīng)驗，包括提出IPLV和SEER兩種部分負荷的綜合能效比的概念。這些經(jīng)驗有的是可借鑒的，有的不一定適合我國的情況[7]。

可以推測，公式(1)應來自傳統(tǒng)的活塞機組。早年活塞式4、8缸的多缸機在部分負荷時一般是按100%、75%、50%、和25%方式工作的，這個習慣影響到早期的螺桿機也設計成四個固定的容量。而離心機組由于喘振問題，變負荷最少到40%，而且COP會大大下降，再往下因喘振就不能正常工作，只能用熱氣旁通的方式，估計這個公式的適應性就得少25%負荷一項，但很少有資料或論文研究這個問題，這方面的理論研究比較缺乏，大多研究報告都是不假思索地用現(xiàn)成的IPLV公式。

圖4曲線多用于單元式空調(diào)和空氣源熱泵的變工況季節(jié)能效比SEER計算，也可用于計算IPLV，但得用公式(2)來定義，即可以有多個負荷點[8,9]。將圖4逆時針轉動90o，可發(fā)現(xiàn)這是一個空調(diào)(或采暖)的部分負荷曲線。這說明IPLV與SEER本質(zhì)上是一回事，只不過在不同的產(chǎn)品系列(或不同的行業(yè))有不同的表現(xiàn)形式。如果把冷水機組的4個負荷點排在這個圖上，用四個矩形來代表負荷曲線下的面積，可以說這只不過是用很粗糙的方式來滿足負荷的要求，如圖5所示。比如某機組有45%的時間機組工作在50%的負荷下，實際是在37.5%～62.5%范圍內(nèi)，如果用固定不變的50%出力，必然出現(xiàn)超量或不足。當然，現(xiàn)代空調(diào)熱泵機組大多都能無級調(diào)節(jié)容量，A、B、C、D只是一種公式的形式，不會這么死板地分級調(diào)節(jié)。

圖5 部分負荷曲線與4個部分負荷Fig.5 The four part-loads and its curve

嚴格說起來，如果系統(tǒng)在4個工況點出現(xiàn)超調(diào)或不足，可能會輕微地影響空調(diào)的舒適度，通過非常精確的控制系統(tǒng)，可以由送冷凍水系統(tǒng)再次調(diào)節(jié)。

這里得出的第一個見解是世界各國，也包括中國沒有必要形而上學地再研究A、B、C、D的四個系數(shù)，也沒有必要重新推導PLF曲線[10]。世界各地都能導出當?shù)氐腜LF曲線，其外形有相似性。它們的變化，只很小地改變了IPLV與COP的比值，包括中國給出新的加權系數(shù)，比美國的系數(shù)只不過改變了小數(shù)點后的第二位，對IPLV的計算幾乎沒有作用。而一個國家從若干個城市氣候條件回歸出來的部分負荷特性，在代表性方面很難全面。

第二個見解是空調(diào)50%以下的負荷運行，在我國絕大多數(shù)公共建筑不低于26℃的規(guī)定下是否有必要？對比一下ARI550/590-98給出的運行條件，如下：

A = EER@ 100% 負荷，29.4oC(85oF)ECWT(冷凝器進水溫度)

B = EER@ 75% 負荷，23.9oC(75oF)ECWT

C = EER@ 50% 負荷，18.3oC(65oF)ECWT

D = EER@ 25% 負荷，18.3oC(65oF)ECWT

當環(huán)境溫度已經(jīng)低于26℃，C工況和D工況當冷卻塔可以給出18℃出水時，按我國的規(guī)定這樣的環(huán)境溫度可能不需要空調(diào)機運行，至少25%負荷可能沒有實際意義。

第三個見解是要特別注意空調(diào)或熱泵機組的負荷特性，是不是能很好地跟隨負荷的變化，給出合適的冷(熱)量。也就是通常據(jù)說的變?nèi)萘空{(diào)節(jié)功能。這個功能最好是無級的。在設計空調(diào)或熱泵機組時，應將COP的最大值，設計在50%～70%容量處。這應該容易做到，因為在容量下降時，換熱面積相對增加了，兩器的傳熱溫差減小了，壓縮比可以小一些。當然在壓縮機的性能方面也有潛力，如果是轉速可調(diào)的壓縮機，應該將能效比最高的轉速設計在50%～70%容量處。螺桿機的滑閥調(diào)節(jié)也可有類似的追求。如圖6所示。

圖6 理想機組的部分負荷COPFig.6 COP on part load of ideal units

第四個見解是目前IPLV的計算只考慮了氣候條件所帶來的部分負荷權重系數(shù)，實際上脫離氣候條件的部分負荷運行也是存在的。當冷凝器進水溫度高于29.4oC 時，目前的IPLV公式按照100%負荷計算權重系數(shù)，然而可能會因為需要導致機組運行在部分負荷條件下。也就是說，當氣候條件一定時，機組壓縮比相對一致，而此時需要部分負荷，如何能使機組高效運行呢？采用多機頭可以有用，通過開停機頭的數(shù)量能調(diào)節(jié)上述原因造成的負荷變化，使得機組始終處在高效運行的工況下。另外，IPLV僅是評價單臺冷水機組在滿負荷及部分負荷條件下按時間百分比加權平均的能效指標，不能準確反映單臺機組的全年能耗，因為它未考慮機組負荷對冷水機組全年耗電量的權重影響。

第五個見解是在許多情況下，IPLV不一定僅僅是制冷(熱泵)機組的性能，而可以延伸到一個制冷(熱泵)系統(tǒng)下的性能。這點在離心機上體現(xiàn)得比較明顯。離心機不適合小負荷下工作，其EER或COP可能是在100%負荷條件下最高，實際上又大多工作在部分負荷下。最好的解決辦法是：多臺離心機并聯(lián)工作，可以逐臺工作；或是離心機與螺桿機并聯(lián)工作，離心機分段工作，用螺桿機無級調(diào)節(jié)的功能；如果空調(diào)系統(tǒng)只有一臺離心機，可設計較大的貯水箱，離心機滿負荷工況下高EER工作，但采用開?？刂疲到y(tǒng)一直運行并進行變流量的調(diào)節(jié)。

第六個見解是在理論研究上將SEER和IPLV的計算和檢測方式合并考慮[8]。這兩個指標都是分析部分負荷時用的，一個出自家用空調(diào)，一個出自冷水機組并推廣到多聯(lián)機。由于不同的生產(chǎn)企業(yè)的專家往往坐不到一起，兩種指標的測量和計算出現(xiàn)差距，特別在標準中可能有不同的基準，一臺可以用兩種方式評價的設備，可能會得到不同的結果。SEER和IPLV指標，主要為促進制冷與熱泵系統(tǒng)在“容量調(diào)節(jié)”方面的技術進步，即研究各種能在部分負荷下，通過充分利用兩器的換熱面積減小壓縮比來提高瞬時EER的技術。如壓縮機交流變頻技術、直流變速技術、數(shù)碼渦旋壓縮機技術、多壓機技術，螺桿壓縮機的滑閥變?nèi)萘炕蜃冾l技術、離心壓縮機進氣閥調(diào)節(jié)或變頻技術、混合工質(zhì)變濃度技術等，還要有對應的電子膨脹閥調(diào)節(jié)技術和風機水泵變流量技術。這些不同的方案在技術層面上各有千秋，有的方案被稱為VRV、VFV，但其目的是一致的[11-12]。

最后再強調(diào)，根本沒必要掉進制定標準溫度帶和A、B、C、D加權系數(shù)的“旋渦”，關鍵是要研究好什么是最佳的容量調(diào)節(jié)技術。這是指從盡可能小的部分負荷率一直到100%額定負荷條件下，空調(diào)系統(tǒng)都可以達到最好的瞬時EER，這個值可以從理論上計算出來，也可以用穩(wěn)態(tài)法多點測量出來，測量點越多，結果越可信。這并不在乎溫度小時數(shù)是如何分布的，給出任何一個溫度帶，都可計算出或測量出SEER或 IPLV，再給出一個溫度帶，又可計算出或測量出新SEER或 IPLV，它們橫向之間沒有可比性也沒有必要比較，但對確定的溫度帶，SEER或IPLV值高就代表該系統(tǒng)的容量調(diào)節(jié)性能好。

4 結論

在我國節(jié)能減排政策中明確規(guī)定空調(diào)溫度不能低于26℃的前提下，討論如何正確分析和制定我國冷水(熱泵)機組的IPLV的定義的測量方法。沒有必要對IPLV的溫度帶和加權系數(shù)做太多的研究，重點應放在提高冷水(熱泵)機組50%～70%負荷率下的EER或COP。對大型空調(diào)系統(tǒng)，多機組并聯(lián)開停運行并有可調(diào)節(jié)流量的水系統(tǒng)，可能比單獨提高機組SEER或IPLV更為重要。

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