寧太剛 劉文浩 沈丹丹
(1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州;2.蘇州愛博斯蒂低碳能源技術(shù)有限公司,蘇州)
根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),2018年我國建筑運(yùn)行能耗占總能源消耗的21.7%,建筑運(yùn)行階段碳排放占全國碳排放的21.9%[1];文獻(xiàn)[2]指出,建筑空調(diào)能耗約占建筑總運(yùn)行能耗的50%,其中冷水機(jī)組是影響空調(diào)能耗的關(guān)鍵。GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》規(guī)定:新建公共建筑平均設(shè)計(jì)能耗水平應(yīng)在2016年執(zhí)行的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上降低20%,碳排放強(qiáng)度平均降低7 kg/(m2·a)以上;建筑全年供冷和供暖總耗電量采用全年累計(jì)冷熱量與冷熱源系統(tǒng)綜合性能系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)給出了不同建筑氣候分區(qū)冷熱源系統(tǒng)的綜合性能系數(shù)取值。GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,冷熱源能源消耗量計(jì)算應(yīng)考慮能源系統(tǒng)形式、效率、部分負(fù)荷特性等的影響。上述標(biāo)準(zhǔn)均針對(duì)冷熱源能源消耗量計(jì)算進(jìn)行了規(guī)定。GB 55015—2021給出了不同建筑氣候分區(qū)冷熱源系統(tǒng)的綜合性能系數(shù)取值,由于建筑類型、建筑功能及使用條件的區(qū)別,同時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷受壓縮機(jī)類型、供回水溫度、冷卻水溫度等內(nèi)外部因素的影響,采用綜合性能系數(shù)法計(jì)算冷熱源能源消耗量勢(shì)必存在一定的誤差,而GB/T 51366—2019中并未給出具體的冷水機(jī)組運(yùn)行能耗計(jì)算方法。
綜上,本文對(duì)離心式冷水機(jī)組性能特性進(jìn)行分析,結(jié)合市場(chǎng)上主流廠家提供的離心式冷水機(jī)組變工況運(yùn)行能效數(shù)據(jù)進(jìn)行性能曲線擬合、驗(yàn)證,并以杭州市某辦公建筑為例采用不同計(jì)算方法對(duì)比分析冷水機(jī)組運(yùn)行能耗,為類似冷水機(jī)組運(yùn)行能耗計(jì)算及運(yùn)行策略制定提供參考。
影響冷水機(jī)組能效的因素可分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要涉及機(jī)組型式、壓縮機(jī)性能、換熱器性能、制冷劑熱力學(xué)性質(zhì)等。外部因素則是指機(jī)組負(fù)荷率、冷水溫度、冷卻水溫度等影響壓縮機(jī)性能的因素。由于影響因素較多,冷水機(jī)組能效計(jì)算模型數(shù)學(xué)方程階次高,求解復(fù)雜,因此有必要對(duì)影響因素進(jìn)行選擇性剔除以簡(jiǎn)化計(jì)算模型,同時(shí)保持模型的穩(wěn)定性和可靠性。
冷水機(jī)組的負(fù)荷率及蒸發(fā)器、冷凝器的進(jìn)出水溫度對(duì)壓縮機(jī)能效有著直接的影響,進(jìn)而影響機(jī)組能耗。其中,當(dāng)冷水出水溫度一定時(shí),冷水回水溫度變化對(duì)機(jī)組蒸發(fā)溫度及壓縮機(jī)性能系數(shù)影響較小[3],冷卻水出水溫度可根據(jù)機(jī)組負(fù)荷率及冷卻水進(jìn)口溫度與冷卻水流量計(jì)算得出,故本文將冷水機(jī)組負(fù)荷率、冷水出水溫度、冷卻水進(jìn)水溫度作為主要擬合變量,并根據(jù)壓縮機(jī)是否變頻、冷卻水是否變流量設(shè)定4種運(yùn)行策略,見表1。
表1 運(yùn)行策略
1.2.1冷水機(jī)組不同運(yùn)行工況下的性能
目前用于集中空調(diào)的離心式冷水機(jī)組主要分單級(jí)壓縮、雙級(jí)壓縮及多級(jí)壓縮制冷形式,制冷劑常見類型為R407C、R404A、R410A、R134a等。受篇幅限制,筆者主要以市場(chǎng)主流廠家提供的使用R134a制冷劑的雙級(jí)壓縮離心式冷水機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。設(shè)定冷水系統(tǒng)變流量運(yùn)行,冷水進(jìn)出水溫差為5 ℃。冷卻水系統(tǒng)變流量運(yùn)行時(shí)冷卻水進(jìn)出水溫差為5 ℃。采用不同工況下多個(gè)型號(hào)冷水機(jī)組的COP均值作為依據(jù),根據(jù)表1運(yùn)行策略,繪制得到不同負(fù)荷率下機(jī)組性能系數(shù)隨冷水出水及冷卻水進(jìn)水溫度變化的曲線,見圖1、2。
圖1 冷水機(jī)組不同負(fù)荷率下性能系數(shù)隨冷水出水溫度的變化
圖2 冷水機(jī)組不同負(fù)荷率下性能系數(shù)隨冷卻水進(jìn)水溫度的變化
1.2.2冷水機(jī)組調(diào)節(jié)性能
定頻離心式冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下運(yùn)行時(shí),通過改變導(dǎo)流葉片的開度控制制冷工質(zhì)流量來調(diào)節(jié)機(jī)組容量輸出。當(dāng)導(dǎo)流葉片關(guān)小時(shí),在絕大部分調(diào)節(jié)范圍內(nèi),導(dǎo)流葉片阻礙了制冷劑的流動(dòng),從而降低了壓縮機(jī)的效率,使得部分負(fù)荷時(shí)機(jī)組的制冷性能變差。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷率降低至一定幅度(如30%以下)時(shí),控制裝置將使壓縮機(jī)入口導(dǎo)流葉片慢慢關(guān)閉,這就減少了壓縮機(jī)吸入制冷劑的量,當(dāng)制冷劑流量小到一定值時(shí),壓縮機(jī)的氣體無法被壓出,在葉輪內(nèi)造成渦流,冷凝器中的高壓氣體會(huì)被導(dǎo)流至葉輪,使壓縮機(jī)內(nèi)的氣體瞬時(shí)增加,但由于蒸發(fā)器中氣體流量較小,且固定不變,以致產(chǎn)生氣體分離。如此周而復(fù)始,就出現(xiàn)周期性的來回脈動(dòng)氣流,這種現(xiàn)象叫作“喘振”。有些冷水機(jī)組生產(chǎn)廠家為達(dá)到在較低機(jī)組負(fù)荷率下延遲喘振,經(jīng)常采用熱氣旁通調(diào)節(jié)。當(dāng)冷負(fù)荷較小、逼近喘振點(diǎn)時(shí),通過開啟旁通管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥讓一部分制冷劑氣體從冷凝器旁通到壓縮機(jī)的吸氣口,維持一定流量的制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī),這部分制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)消耗壓縮機(jī)功而不制冷,嚴(yán)格講,這是一個(gè)避免壓縮機(jī)喘振的措施,而不能作為負(fù)荷調(diào)節(jié)的措施。圖1、2中運(yùn)行策略1、2冷水機(jī)組負(fù)荷率低于30%時(shí)性能發(fā)生陡降正是基于上述原因,而60%~100%負(fù)荷率區(qū)間機(jī)組效率較高。
變頻離心式冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)采用變頻調(diào)節(jié),壓縮機(jī)的功耗與轉(zhuǎn)速的三次冪成正比,在部分負(fù)荷時(shí)通過優(yōu)化電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和導(dǎo)流葉片的開度使機(jī)組在高效區(qū)運(yùn)行。機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)在大部分負(fù)荷率下導(dǎo)流葉片全開,通過變頻來控制機(jī)組加減載,確保壓縮機(jī)高效運(yùn)行。由圖1、2中運(yùn)行策略3、4可知,變頻離心式冷水機(jī)組部分負(fù)荷率時(shí)的調(diào)節(jié)能力明顯優(yōu)于定頻機(jī)組,同時(shí)隨著冷水出水溫度升高或冷卻水進(jìn)水溫度降低,機(jī)組運(yùn)行高效區(qū)逐漸擴(kuò)大,高效點(diǎn)逐步趨近于50%負(fù)荷率,機(jī)組能效整體提升明顯。
為直觀對(duì)比4種運(yùn)行策略下負(fù)荷率對(duì)冷水機(jī)組能效的影響,規(guī)定各種策略滿負(fù)荷時(shí)的COP為5.8,冷水出水溫度7 ℃、冷卻水進(jìn)水溫度30 ℃時(shí)冷水機(jī)組在不同負(fù)荷率下的COP如圖3所示。由圖3可知,在部分負(fù)荷率下冷水機(jī)組冷卻水定流量運(yùn)行相比變流量運(yùn)行能效均有所提升,變頻壓縮式冷水機(jī)相對(duì)定頻冷水機(jī)組能效提升更明顯。冷卻水變流量運(yùn)行常規(guī)控制邏輯為定溫差變流量運(yùn)行,冷卻水定流量運(yùn)行機(jī)組部分負(fù)荷率時(shí)因冷卻水流量不變、換熱溫差減小,冷凝器出水溫度降低,故對(duì)于冷水機(jī)組而言,定冷卻水流量運(yùn)行更為有利。但該工況由于定流量運(yùn)行,冷卻水泵能耗加大,故需權(quán)衡判斷綜合能耗。
圖3 冷水機(jī)組不同運(yùn)行策略下的性能系數(shù)
1.2.3溫度對(duì)冷水機(jī)組性能的影響
由圖1、2可知:冷水機(jī)組性能隨冷水出水溫度升高或冷卻水進(jìn)水溫度降低而提升;變頻冷水機(jī)組相比定頻機(jī)組在冷水和冷卻水溫度變化時(shí)能效變化更為敏感,較低負(fù)荷率時(shí)尤為敏感,具體敏感度見表2。
表2 冷水機(jī)組隨冷水出水、冷卻水進(jìn)水溫度變化的能效敏感度
本文采用最小二乘法進(jìn)行擬合,離心式冷水機(jī)組性能曲線擬合公式見式(1)[4]。式(1)確保了名義工況下計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,并且保證了名義工況下COP數(shù)值不同的冷水機(jī)組的可擴(kuò)展性。以平均絕對(duì)誤差E1及均方誤差E2對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),具體結(jié)果見表3。
表3 冷水機(jī)組不同運(yùn)行策略下的性能擬合系數(shù)及E1和E2
(1)
式中η為冷水機(jī)組運(yùn)行性能系數(shù);η0為名義工況下冷水機(jī)組性能系數(shù);t1,0為名義工況冷水出水溫度,℃,取7 ℃;t2,0為名義工況冷卻水進(jìn)水溫度,℃,取30 ℃;n為冷水機(jī)組負(fù)荷率;k1~k8為擬合系數(shù),見表3。
本文選取某工程冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合驗(yàn)證。分別對(duì)該工程3臺(tái)冷水機(jī)組進(jìn)行驗(yàn)證,具體參數(shù)見表4。運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2021年9月至2022年9月,包括:室外溫濕度、冷水機(jī)組輸入功率、蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度、冷凝器進(jìn)出口溫度、機(jī)組負(fù)荷率。其中,蒸發(fā)器及冷凝器進(jìn)出口溫差相對(duì)不固定,大部分在4~5 ℃之間波動(dòng),且不超過5 ℃,冷卻水流量隨負(fù)荷率的變化如圖4所示,基本表現(xiàn)為冷卻水定流量運(yùn)行。
圖4 冷卻水流量隨負(fù)荷率的變化
表4 驗(yàn)證用冷水機(jī)組參數(shù)
針對(duì)以上3臺(tái)冷水機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù),采用式(1)及表3中的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的誤差如表5所示。隨機(jī)選取部分運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證的結(jié)果如表6所示。由表5可見,E1及E2的值與表3中對(duì)應(yīng)的值較為接近,且平均相對(duì)誤差較小,證明擬合有效可行。
表5 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)誤差
表6 數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果
目前冷水機(jī)組運(yùn)行能耗的計(jì)算方法主要包括以下幾種:
1) 采用IPLV值進(jìn)行全年運(yùn)行能耗的計(jì)算,IPLV分別采用ARI 590-98及GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的公式進(jìn)行計(jì)算,分別記為ζA、ζG。
ζA=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D
(2)
ζG=0.012A+0.328B+0.397C+0.263D
(3)
式(2)、(3)中A為100%負(fù)荷率、冷卻水進(jìn)水溫度30 ℃時(shí)的性能系數(shù);B為75%負(fù)荷率、冷卻水進(jìn)水溫度26 ℃時(shí)的性能系數(shù);C為50%負(fù)荷率、冷卻水進(jìn)水溫度23 ℃時(shí)的性能系數(shù);D為25%負(fù)荷率、冷卻水進(jìn)水溫度19 ℃時(shí)的性能系數(shù)。
2) 根據(jù)JGJ/T 288—2012《建筑能效標(biāo)識(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,將冷負(fù)荷率劃分為0~25%、25%~50%、50%~75%、75%~100%共4個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算式如下:
(4)
式中Ea為全年冷水機(jī)組耗電量,kW·h;Qa~Qd分別為建筑負(fù)荷率0~25%、25%~50%、50%~75%、75%~100%區(qū)間內(nèi)的累計(jì)冷負(fù)荷,kW·h;ηa~ηd分別為建筑負(fù)荷率0~25%、25%~50%、50%~75%、75%~100%區(qū)間內(nèi)的機(jī)組性能系數(shù)。
3) 將全年的冷負(fù)荷進(jìn)行分組計(jì)算冷水機(jī)組運(yùn)行能耗。張志剛根據(jù)機(jī)組啟停的不同將全年分為3個(gè)組,每個(gè)組內(nèi)采用固定的COP進(jìn)行計(jì)算[5];陶嘉楠等人根據(jù)每日累計(jì)建筑負(fù)荷將全年劃分為10個(gè)組,并將最靠近組中平均負(fù)荷的日子定為組中典型日,以其耗電量代替組中其余天數(shù)耗電量,將典型日中不同負(fù)荷率下的機(jī)組COP視為室外濕球溫度的一次函數(shù),得到多個(gè)負(fù)荷率下的性能曲線,該研究還指出劃分組數(shù)較少時(shí)誤差將變得較為明顯[6]。
4) 性能曲線法。采用性能曲線法計(jì)算冷水機(jī)組運(yùn)行能耗一般認(rèn)為其計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確,但需要較全面的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)或者廠商提供的性能曲線[7]。由上述擬合驗(yàn)證可知,采用本文擬合得到的性能曲線,能夠在設(shè)計(jì)階段較好地表征實(shí)際運(yùn)行的冷水機(jī)組性能曲線,為能耗計(jì)算提供支持。
本文采用IPLV、JGJ/T 288—2012《建筑能效標(biāo)識(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、陶嘉楠等人的典型日法[6]及本文的性能曲線法分別計(jì)算某建筑冷水機(jī)組的運(yùn)行能耗,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
建筑位于浙江省杭州市,為20層的辦公建筑,高86.2 m,空調(diào)房間面積共計(jì)36 300 m2,空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)比如圖5所示。設(shè)計(jì)日最大冷負(fù)荷為7 000 kW,采用某能耗軟件計(jì)算全年逐時(shí)冷負(fù)荷,結(jié)果如圖6所示,計(jì)算日空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷曲線如圖7所示。設(shè)計(jì)采用2臺(tái)單臺(tái)制冷量為3 517 kW的離心式冷水機(jī)組,冷水系統(tǒng)變流量運(yùn)行,冷水進(jìn)出水溫差為5 ℃,冷卻水系統(tǒng)變流量運(yùn)行時(shí)冷卻水進(jìn)出水溫差為5 ℃,名義工況定頻機(jī)組COP為5.908,變頻機(jī)組COP為5.818。運(yùn)行策略設(shè)定為當(dāng)所需冷負(fù)荷達(dá)到最大冷負(fù)荷的45%時(shí),開啟2臺(tái)機(jī)組,平均承擔(dān)冷負(fù)荷,否則由1臺(tái)機(jī)組承擔(dān)全部冷負(fù)荷。
圖5 建筑空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)比
圖6 建筑全年逐時(shí)冷負(fù)荷
圖7 計(jì)算日空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷
冷水機(jī)組不同運(yùn)行策略下的IPLV計(jì)算結(jié)果見表7。按JGJ/T 288—2012《建筑能效標(biāo)識(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算的各部分累計(jì)冷負(fù)荷及不同運(yùn)行策略COP見表8。在典型日法及性能曲線法計(jì)算中,冷水出水溫度設(shè)定為7 ℃,冷卻水進(jìn)水溫度受室外氣象影響,本文以冷卻塔逼近度4 ℃進(jìn)行計(jì)算,典型日法不同負(fù)荷率對(duì)應(yīng)天數(shù)的劃分見圖8,累計(jì)負(fù)荷及冷水機(jī)組能耗見表9,不同計(jì)算方法對(duì)應(yīng)的冷水機(jī)組運(yùn)行能耗見表10。
圖8 典型日累計(jì)負(fù)荷率對(duì)應(yīng)天數(shù)
表7 IPLV計(jì)算結(jié)果
表9 典型日累計(jì)負(fù)荷及冷水機(jī)組能耗
表10 冷水機(jī)組能耗計(jì)算結(jié)果 kW·h
表10中ζG與ζA法計(jì)算結(jié)果相比其他方法計(jì)算結(jié)果明顯偏小,這主要是由于ζG、ζA法計(jì)算低負(fù)荷狀態(tài)下的能耗時(shí)采用的冷卻水進(jìn)水溫度偏低。由圖9建筑空調(diào)負(fù)荷率與濕球溫度的散點(diǎn)圖及表11建筑空調(diào)負(fù)荷率對(duì)應(yīng)的平均濕球溫度可知,低負(fù)荷并非意味著低室外濕球溫度,建筑總冷負(fù)荷占比為25%~50%時(shí)的平均濕球溫度為22.2 ℃,冷卻水進(jìn)水溫度約為26.2 ℃,而非式(2)、(3)計(jì)算中采用的23.0 ℃。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的一個(gè)原因是杭州處于夏熱冬冷地區(qū),濕度較大;另一個(gè)原因是新風(fēng)供給量的取值影響。由圖7可知,新風(fēng)負(fù)荷為建筑負(fù)荷的主要組成部分,而濕球溫度是單位新風(fēng)負(fù)荷的重要影響因素,因此圖9建筑負(fù)荷率與濕球溫度的散點(diǎn)圖中顯示的趨勢(shì)線主要受新風(fēng)供給量的影響。
圖9 建筑空調(diào)負(fù)荷率與濕球溫度的散點(diǎn)圖
表11 建筑空調(diào)負(fù)荷率對(duì)應(yīng)的平均濕球溫度
由于JGJ/T 288—2012中給出的冷水機(jī)組能耗計(jì)算方法忽略了冷卻水溫度變化對(duì)主機(jī)能效的影響,對(duì)比表10中策略1~4的計(jì)算結(jié)果可知,JGJ/T 288—2012法在不同運(yùn)行策略下的計(jì)算結(jié)果差異較小,說明該方法未能體現(xiàn)變頻冷水機(jī)組的優(yōu)勢(shì),同時(shí)解釋了冷水機(jī)組在運(yùn)行策略3、4下JGJ/T 288—2012法相比典型日法與性能曲線法運(yùn)行能耗更高的原因。由于JGJ/T 288—2012法中ηa~ηd無法較好地統(tǒng)計(jì)核算,因此本文選取負(fù)荷率為25%、50%、75%、100%時(shí)的機(jī)組性能系數(shù)作為ηa~ηd對(duì)應(yīng)的性能系數(shù),故而在運(yùn)行策略1、2下JGJ/T 288—2012法相較典型日法及性能曲線法計(jì)算結(jié)果更小。
典型日法與性能曲線法不同運(yùn)行策略下的冷水機(jī)組能耗計(jì)算結(jié)果差距較小,約為3%。典型日法將冷水機(jī)組在每個(gè)負(fù)荷率下的COP視為隨冷卻水溫度變化的一次函數(shù),實(shí)際上冷水機(jī)組在每個(gè)負(fù)荷率下隨冷卻水溫度變化能效提升或降低的幅度是存在一定差異的。由圖2中冷水機(jī)組性能曲線疏密程度可知,冷卻水溫度變化對(duì)于冷水機(jī)組COP的影響不完全是線性關(guān)系,因此必須更細(xì)致地分組才能得到更精確的計(jì)算結(jié)果,這也意味著更復(fù)雜的計(jì)算過程。
1) 離心式冷水機(jī)組冷水出水溫度及冷卻水進(jìn)水溫度的變化直接影響冷水機(jī)組的性能,冷卻水溫度變化敏感度高于冷水。
2) 變頻離心式冷水機(jī)組相比定頻離心式冷水機(jī)組對(duì)冷水出水溫度或冷卻水進(jìn)水溫度的變化更為敏感。
3) 離心式冷水機(jī)組在60%~100%負(fù)荷率時(shí)性能較好,變頻機(jī)組隨著冷水出水溫度升高或冷卻水進(jìn)水溫度降低高效區(qū)逐漸擴(kuò)大,高效點(diǎn)逐步趨近于50%負(fù)荷率。
4) IPLV法規(guī)定的冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)水溫度與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)差異較大;JGJ/T 288—2012《建筑能效標(biāo)識(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的方法忽略了冷卻水溫度變化對(duì)冷水機(jī)組能效的影響;典型日法需要較多的空調(diào)冷負(fù)荷區(qū)間分組及更為復(fù)雜的計(jì)算過程。
5) 冷水機(jī)組性能曲線法能夠真實(shí)地反映不同運(yùn)行工況下冷水機(jī)組的運(yùn)行能效。
在設(shè)計(jì)階段基于冷水機(jī)組的性能曲線可優(yōu)化冷源配置,在滿足建筑用冷需求的同時(shí)配置較優(yōu)的冷源方案。至于將機(jī)組性能曲線作為尋優(yōu)控制的依據(jù),限于篇幅本文未深入分析。