卓明勝，姜春苗，韓廣宇

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

隨著我國城市的迅速發(fā)展，城市中公共建筑占比逐年提高，而在公共建筑能耗中，空調(diào)系統(tǒng)能耗占 30%～50%，其中制冷主機(jī)、水泵和冷卻塔能耗（統(tǒng)稱為制冷站能耗）占70%以上。經(jīng)過閱讀大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，如今大部分普通中央空調(diào)系統(tǒng)的綜合能效比在 2.5～3.0[1-3]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的冷機(jī)標(biāo)稱冷量不低于系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量，但99%的時(shí)間都在部分負(fù)荷下運(yùn)行[4]，國內(nèi)大部分的空調(diào)系統(tǒng)都處于大馬拉小車的工況，節(jié)能前景非常大。

目前的變頻離心式冷水機(jī)組在市場應(yīng)用廣泛，相對(duì)于其它類型的冷水機(jī)組發(fā)展很快，比如應(yīng)用于各大地鐵站的永磁同步變頻離心式冷水機(jī)組以及磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組[5-8]。對(duì)于中央空調(diào)水系統(tǒng)而言，耗能最大的冷水機(jī)組容易受到冷凍側(cè)水流量、冷卻側(cè)水流量、冷凍出水、溫度、冷卻回水溫度等不同工況影響[9-14]，多數(shù)研究者只是將這些不同影響因素進(jìn)行了簡要分析和匯總，缺乏對(duì)主機(jī)為變頻離心式機(jī)組的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的研究驗(yàn)證。因此本文以永磁同步變頻離心式冷水機(jī)組作為研究對(duì)象，從機(jī)組的特性上研究冷源機(jī)房的節(jié)能方案并對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略進(jìn)行具體的案例仿真驗(yàn)證，這對(duì)深入研究在應(yīng)用優(yōu)化運(yùn)行控制策略下的中央空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行控制策略研究

以額定制冷量為 650RT的永磁同步變頻離心機(jī)為例，表1是650RT離心機(jī)性能參數(shù)表，分別改變機(jī)組的冷凍側(cè)水流量、冷卻側(cè)水流量、冷凍出水溫度、冷卻回水溫度等條件，得到各種優(yōu)化控制策略的測試數(shù)據(jù)樣本。

1.1 機(jī)組性能參數(shù)表

表1為650RT離心機(jī)性能參數(shù)表。適用工況：冷凍側(cè)出水溫度 7 ℃，冷凍側(cè)進(jìn)水溫度 12 ℃，冷卻側(cè)進(jìn)水溫度 30 ℃，冷凍水流量、冷卻水流量均為額定流量。

表1 650RT離心機(jī)性能參數(shù)表

1.2 冷凍側(cè)變流量控制策略

冷水機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行控制策略采用基于恒5 ℃溫差的冷凍側(cè)變流量控制策略，機(jī)組冷凍出水溫度為 7 ℃；冷卻水量為額定流量，冷卻回水溫度為30 ℃，離心機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)如表2所示。

如表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)冷凍水泵運(yùn)行頻率下降時(shí)，對(duì)應(yīng)機(jī)組冷凍側(cè)的水流量也減少，機(jī)組的制冷量、功耗基本不變，機(jī)組的COP變化微乎其微。因此在部分負(fù)荷下，只要保證空調(diào)末端冷負(fù)荷的需求和機(jī)組基本流量需求，冷凍水泵的頻率可以不斷降低，以達(dá)到水泵高效節(jié)能的目標(biāo)。

表2 不同負(fù)荷下冷凍側(cè)變流量下的機(jī)能性能變化表

1.3 冷卻側(cè)變流量控制策略

冷水機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行控制策略采用冷卻側(cè)變流量控制，冷凍水為額定流量，機(jī)組冷凍出水溫度為 7 ℃，冷卻回水溫度為 30 ℃，離心機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)如表 3所示?？傻贸觯档蜋C(jī)組冷卻側(cè)的水流量，機(jī)組的性能系統(tǒng)COP值會(huì)下降。

表3 不同負(fù)荷下冷卻側(cè)變流量控制的機(jī)能性能變化表

假設(shè)某項(xiàng)目的冷卻水泵額定功率為 55 kW，50 Hz運(yùn)行時(shí)水流量剛好為機(jī)組的額定流量。由于冷卻水系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，水泵的等效率曲線與管路特性曲線并不重合，但考慮到冷卻塔塔體揚(yáng)程通常遠(yuǎn)小于整個(gè)冷卻水系統(tǒng)的阻力，在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，可認(rèn)為相似定律仍近似成立[15]。整體的節(jié)能效果計(jì)算如表4所示。

通過上述分析，冷卻水泵的相對(duì)功率越大，冷卻水泵節(jié)能效果越好，但冷卻水流量也不是越低越好，在74%額定流量與64%額定流量下的整體節(jié)能效果無太大差別，因此需要根據(jù)機(jī)組的性能和冷卻水泵的工作曲線確定流量的下限值。

表4 節(jié)能效果計(jì)算表

1.4 冷水機(jī)組變出水溫度控制策略

冷水機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行控制策略采用變冷凍出水溫度控制，冷凍水量、冷卻水量為額定流量，冷卻回水溫度為30 ℃，機(jī)組以100%負(fù)荷運(yùn)行，離心機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)如表5所示。

如表5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過測試得到冷凍出水溫度每升高 1 ℃，機(jī)組COP提高 3.5%～4.0%，提高冷凍出水溫度5 ℃，機(jī)組的COP升幅達(dá)18.79%。針對(duì)中、小型中央空調(diào)系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)確定了變水溫調(diào)節(jié)時(shí)冷水機(jī)組的運(yùn)行特性和對(duì)空氣處理效果的影響，在部分負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，變水溫調(diào)節(jié)可以有效提高冷水機(jī)組的運(yùn)行效率[16]。冷凍供水溫度上限要結(jié)合項(xiàng)目的空調(diào)末端的濕度要求進(jìn)行確定，溫度太高會(huì)導(dǎo)致末端的除濕效果差，舒適度較差，也就失去了節(jié)能的意義。

表5 變冷凍出水溫度控制下的機(jī)組性能變化表

1.5 變冷卻側(cè)回水溫度

冷水機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行控制策略采用變冷卻回水溫度控制。冷卻水量、冷凍水量為額定流量，冷凍出水溫度為 7 ℃，機(jī)組以 100%負(fù)荷運(yùn)行，離心機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)如表6所示。

經(jīng)過測試，機(jī)組在10%～100%負(fù)荷下，不同的冷卻回水溫度的機(jī)組“COP-負(fù)荷百分比”如圖1所示。

如表6、圖1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在滿負(fù)荷下冷卻回水溫度每下降1 ℃，機(jī)組節(jié)能提升2.8%以上，在部分負(fù)荷下則提高更多。在變風(fēng)量和變水流量的冷卻塔系統(tǒng)中，室外空氣狀態(tài)主要影響風(fēng)量，而負(fù)荷的變化影響風(fēng)量和水量兩部分。為了達(dá)到冷卻塔優(yōu)化運(yùn)行，應(yīng)充分考慮到冷卻塔熱工性能的影響因數(shù)，制定恰當(dāng)?shù)目刂撇呗訹17]。由于機(jī)組的耗電功率比冷卻塔風(fēng)機(jī)的耗電功率大很多，可以適當(dāng)增多冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，讓冷卻回水溫度更加接近冷卻塔運(yùn)行環(huán)境的濕球溫度，讓機(jī)組發(fā)揮更大的節(jié)能潛力。值得注意的是，不同類型的制冷機(jī)組對(duì)冷卻回水溫度是有下限值要求的，因此在制定冷卻回水溫度下限時(shí)務(wù)必了解機(jī)組的工作溫度。

表6 變冷卻回水溫度控制下的機(jī)組性能變化表

圖1 機(jī)組“COP-負(fù)荷百分比”性能曲線圖

2 采用優(yōu)化運(yùn)行控制策略典型案例分析

根據(jù)北京室外氣象參數(shù)，確定9月冷負(fù)荷較高的9月1日為典型日，圖2展示了北京典型日的單位面積冷負(fù)荷和濕球溫度逐時(shí)變化曲線圖。對(duì)北京地區(qū)建筑面積為 30,952（3×650×1,000/63）m2的公共建筑主要采用典型日處理方式對(duì)4種方案的中央空調(diào)水系統(tǒng)的能效及能耗進(jìn)行分析。

圖2 典型日逐時(shí)單位面積冷負(fù)荷及濕球溫度曲線圖

優(yōu)化運(yùn)行控制策略的分析對(duì)象為北京某辦公樓中央空調(diào)水系統(tǒng)。該工程項(xiàng)目使用了3臺(tái)制冷量為650RT的永磁同步變頻離心式冷水機(jī)組，3臺(tái)額定功率為51.6 kW冷凍定頻水泵，3臺(tái)額定功率為57 kW冷卻定頻水泵，3臺(tái)額定功率為22 kW冷卻塔風(fēng)機(jī)，冷凍供水溫度設(shè)置為7 ℃。本空調(diào)水系統(tǒng)的整體運(yùn)行能耗過高，在某一天的運(yùn)行能耗為6,815.80 kW·h，各設(shè)備的能耗分布如圖3所示。

圖3 原方案各設(shè)備能耗柱狀圖

針對(duì)該項(xiàng)目使用工況，結(jié)合機(jī)組的能效特性，采用了以下節(jié)能改造方案，使用DeST軟件、冷水機(jī)組全工況性能曲線和各水泵的工作曲線，采用典型日逐時(shí)能耗計(jì)算方法在不同技術(shù)方案下進(jìn)行能耗仿真模擬。具體如下：

方案 1：將冷凍水泵改造為變頻泵、其他設(shè)備不變，冷凍供水溫度設(shè)置為7 ℃，冷機(jī)臺(tái)數(shù)按負(fù)荷率進(jìn)行控制；

方案 2：將冷凍水泵改造為變頻控制、冷卻水泵改造為變頻控制，其他設(shè)備不變，冷凍供水溫度設(shè)置為7 ℃，冷機(jī)臺(tái)數(shù)按負(fù)荷率進(jìn)行控制；

方案 3：將冷凍水泵改造為變頻控制、冷卻水泵改造為變頻控制，其他設(shè)備不變，冷凍供水溫度為變水溫控制，控制范圍為 7 ℃～10 ℃，冷機(jī)臺(tái)數(shù)按負(fù)荷率進(jìn)行控制；

該項(xiàng)目的仿真原方案以及方案1、2、3的典型日逐時(shí)各設(shè)備能耗以及機(jī)組綜合能效比COP分別如圖4～圖7所示。

圖4 原方案各設(shè)備能耗和機(jī)組綜合能效比COP曲線圖

圖5 方案1各設(shè)備能耗和機(jī)組綜合能效比COP曲線圖

圖6 方案2各設(shè)備能耗和機(jī)組綜合能效比COP曲線圖

圖7 方案3各設(shè)備能耗和機(jī)組綜合能效比COP曲線圖

各方案下設(shè)備能耗分布如圖8所示。各方案下系統(tǒng)COP的柱狀圖如圖9所示。

圖8 各方案空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備能耗柱狀圖

圖9 各方案空調(diào)系統(tǒng)COP柱狀圖

從圖8可以看出，從原方案到方案3，總電耗依次降低。對(duì)于采用全定頻運(yùn)行的原方案，其總電耗為6,815.80 kW·h。方案1相對(duì)于原方案將定頻冷凍泵調(diào)整為變頻冷凍泵，這時(shí)的冷凍泵節(jié)能66.04%，空調(diào)系統(tǒng)總功率節(jié)能13.11%。方案2相對(duì)于方案1將定頻冷卻泵調(diào)整為變頻冷卻泵，這時(shí)的冷卻泵相對(duì)于方案1節(jié)能77.72%，空調(diào)系統(tǒng)總功率相對(duì)于方案1節(jié)能6.51%，相對(duì)于原方案節(jié)能18.76%。方案3接著方案2調(diào)整了機(jī)組的冷凍出水溫度，這時(shí)的空調(diào)系統(tǒng)總功率為5,005.59 kW·h，相對(duì)于方案2節(jié)能9.60%，相對(duì)于原方案節(jié)能26.56%。這說明，在相同工況下，采用不同的控制策略，其對(duì)應(yīng)節(jié)能效果相差比較大。從仿真的數(shù)據(jù)來看，以機(jī)組的性能作為系統(tǒng)各設(shè)備性能耦合的核心，可以非常簡單地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能。

在相同工況下，采用智能群控優(yōu)化控制策略的中央空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能26.56%。從圖9可以看出，采用不同方案敏捷群控控制策略下中央空調(diào)系統(tǒng)的 COP相對(duì)于不采用敏捷群控控制策略下的原方案的 COP都有著不同程度的提升。其中方案 3的效果最為明顯，能效相對(duì)原方案提升25.96%。

3 結(jié)論

1）對(duì)于確定的中央空調(diào)系統(tǒng)，適當(dāng)?shù)靥岣呃鋬龉┧疁囟?、降低冷卻測進(jìn)水溫度、降低冷凍側(cè)水流量、降低冷卻側(cè)水流量可以提高整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)能效比COP。

2）經(jīng)過優(yōu)化控制理論分析和從案例仿真的結(jié)果來看，采用不同逐級(jí)優(yōu)化控制方案的群控優(yōu)化控制策略，比無群控系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)更加節(jié)能。采用方案3的群控優(yōu)化控制策略的節(jié)能效果最明顯，并且能效也顯著提高，較原方案提高25.96%。