冷水機組變頻改造節(jié)能性能分析

馮勁梅 許 俊上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)

冷水機組變頻改造節(jié)能性能分析

馮勁梅 許 俊
上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)

通過對上海金山區(qū)某公司冷水機組系統(tǒng)變頻改造前后進行數(shù)據(jù)采集及工況監(jiān)視，分析改造前后節(jié)能情況,采用冷水機組系統(tǒng)COP值和外部效率ICOP、內(nèi)部效率DCOP綜合評價冷水機組的運行性能。數(shù)據(jù)顯示：改造前后COP節(jié)能率為24.56%；改造前后ICOP節(jié)能率為39.63%；改造前后DCOP節(jié)能率為-20.45%。本次變頻改造外部系統(tǒng)運行節(jié)能效果較明顯，COP和ICOP提高顯著；但冷水機組本身效率不升反降，內(nèi)部因素DCOP有一定的下降，這表明，傳輸系統(tǒng)以及相應(yīng)的冷機系統(tǒng)變頻改造使系統(tǒng)總能耗降低，但冷水機組的功效利用還有挖掘潛力。系統(tǒng)總體的COP值的提高不能保證機組內(nèi)部效率的提升，在變頻節(jié)能改造工程中，需要考慮充分提高冷水機組運行效率，達到進一步降低系統(tǒng)運行的能耗的效果。

冷水機組；COP；DCOP；ICOP；節(jié)能改造

Fund Item: Shanghai Alliance Program Project（LM2016031）

冷水機組廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代民用與工業(yè)的各種領(lǐng)域，發(fā)揮著重要作用，但冷水機組的運行也消耗了大量的能源，為了達到節(jié)能目的，往往需要對冷水機組進行節(jié)能改造。為了達到冷水機組的節(jié)能，采用變頻驅(qū)動裝置的冷水機組目前得到廣泛使用[1-4]。已有的文獻表明，中央空調(diào)系統(tǒng)采用變頻機，在80%的負(fù)荷下達到最佳的節(jié)能效果，節(jié)能33%，年運行費用平均可節(jié)省15%[5]；冷水機組采用變頻VSD裝置，約2年左右即可收回投資[6]?，F(xiàn)以上海金山區(qū)某公司冷水機組的變頻改造測試為例，進行節(jié)能效果分析，并對冷水機組在工業(yè)中運用的實際效果進行分析預(yù)測，提出最大程度上發(fā)揮變頻的冷水機組節(jié)能效果的方法，有助于節(jié)能改造時，提高冷水機組運行效率，降低能耗。

1 評價指標(biāo)

目前用于評價冷水機組的能效特性主要有冷水機組的名義工況性能系數(shù)COP和綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV兩個重要指標(biāo)[7]。

其中A、B、C、D分別是冷水機組在100%、75%、50%和25%負(fù)荷下的EER或COP。本次實測項目冷水機組節(jié)能改造前后的負(fù)荷率（PLR）改造前在55%～75%間波動，改造后在35%～55%況基本穩(wěn)定，運用IPLV指標(biāo)評價并不合適，故采用COP指標(biāo)進行評價。冷水機組負(fù)荷率變化詳見圖1。

圖1 冷水機組改造前后負(fù)荷率PLR

將COP作為單一指標(biāo)來評價冷水機組運行性能及進行節(jié)能診斷時有其不足之處。其一，COP是指冷量與電耗的比值，其值反映了冷水機組運行的經(jīng)濟性好壞，COP直觀地反映了冷水機組的整體運行性能，但是卻忽略了不同因素的影響；其二，在進行節(jié)能分析計算對冷水機組的性能進行數(shù)學(xué)描述時，一般采用的方法是將COP擬合成負(fù)荷率PLR的函數(shù)，這樣實際上主觀的認(rèn)為冷水機組的COP只與負(fù)荷率有關(guān)，而與冷水機組所處的運行條件無關(guān)，是不科學(xué)的[8]。故在此基礎(chǔ)上，本文采用文獻[8]提出的ICOP（外部效率）及DCOP（內(nèi)部效率）概念，將機組運行多方面因素綜合起來評價冷水機組的運行性能。

式中：ICOP——冷水機組運行外部效率，即理想COP；Tev——蒸發(fā)溫度，K；Tcd——冷凝溫度，K。

式中：DCOP ——冷水機組運行內(nèi)部效率。

2 冷水機組運行性能評價及節(jié)能分析

2.1 測試情況

上海金山區(qū)某公司原有組件區(qū)冷水機組系統(tǒng)（包括機組、冷凍水循環(huán)水泵、冷卻水循環(huán)水泵、室外冷卻塔等）均為定頻運轉(zhuǎn)，沒有根據(jù)系統(tǒng)流量、溫度變化、室外氣象條件變化進行相應(yīng)的運行模式調(diào)整，該公司對整個冷水機組系統(tǒng)進行變頻節(jié)能改造。冷水機組裝機情況如表1所示。

表1 冷水機組裝機情況

本文根據(jù)連續(xù)測試數(shù)據(jù)對冷水機組系統(tǒng)變頻改造前后性能進行對比分析，對改造后的節(jié)能效果進行綜合評價，為工業(yè)生產(chǎn)中冷水機組節(jié)能改造應(yīng)用效果提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 運行性能評價

（1）機組COP評價

經(jīng)測定，該冷水機組改造前運行綜合COP為3.01，改造后運行綜合COP為3.99，數(shù)據(jù)采樣以1 min為步長，測試時間24 h。瞬時COP與PLR關(guān)系如圖2所示。

圖2 COP-PLR散點關(guān)系

從圖1和圖2可知，變頻節(jié)能改造后，冷水機組運行負(fù)荷率PLR大幅降低，從55%～75%的區(qū)間降低至35%～55%。而COP值有明顯提升。

通過對節(jié)能率測試和計算，得出制冷機及熱泵機組在測試期間的實際平均輸出冷（熱）量Q和相應(yīng)的平均有效輸入功率P，計算出制冷機組及熱泵機組的性能系數(shù)COP(COP=Q/P)?？紤]到測試工況條件參數(shù)的變化，再對改造后的冷（熱）量變化進行可比性修正，最后確定改造后的節(jié)能率。計算公式如下[9]。

由表2可知，節(jié)能率為24.56%，從COP值的單一性能評價角度來說，本次節(jié)能改造效果顯著。

一般情況COP-PLR呈現(xiàn)的曲線為凸曲線，整體呈現(xiàn)先上升后下降趨勢[8]。由圖2可知，由于冷水機組運行負(fù)荷率較為集中，改造前后COP值均隨著PLR的增加呈單邊緩慢上升趨勢，改造后COP值較改造前有明顯提高，但并未達到文獻[8]中所述的凸點，故本次改造功效的利用仍有可繼續(xù)挖掘的潛力。

（2）外部效率ICOP評價

外部因素包括蒸發(fā)溫度和冷凝溫度[10]，其數(shù)值反映的是冷水機組的運行條件好壞，數(shù)值越大，冷水機組運行條件越好，反之越差。

冷水機組改造前后ICOP與PLR的散點關(guān)系如圖3所示。

圖3 ICOP-PLR散點關(guān)系

表2 改造前后冷水機組測試數(shù)據(jù)匯總

長趨勢，幅度較?。桓脑旌箅S著PLR增加，

ICOP呈單調(diào)下降趨勢。在絕對數(shù)值上，ICOP值改造后明顯大于改造前，改造后冷水機組的運行條件得到大幅提升，冷水機組運行性能優(yōu)越，本次改造效果顯著。

表3 改造前后ICOP值匯總

（3）內(nèi)部效率DCOP評價

內(nèi)部因素包括冷水機組的型式、制造水平、壓縮機的匹配、制冷劑的種類以及充裝量等[8]，DCOP反映的是冷水機組的內(nèi)部特性，可以通過一定的調(diào)試方式對其進行調(diào)試，使其對冷水機組運行性能的影響程度降低到最小，達到最佳工作狀態(tài)，屬于可控因素。冷水機組改造前后DCOP與PLR的散點關(guān)系如圖4所示。

圖4 DCOP-PLR散點關(guān)系

由圖4可知，改造前后冷水機組DCOP值均隨著PLR的增加而呈現(xiàn)上升趨勢，提高系統(tǒng)DCOP值的策略是盡量讓冷水機組處于高負(fù)荷率下工作，PLR值越大，DCOP值越大。

本次改造中改造前DCOP值大于改造后，由表4可知，改造后的DCOP比改造前低20%，冷水機組內(nèi)部效率不升反降，從冷水機組內(nèi)部因素角度看，該公司冷水機組改造并不成功，并未達到冷水機組自身高效運行的目的。

表4 改造前后DCOP值匯總

3 分析與結(jié)論

（1）分析

冷水機組在不同負(fù)荷率（PLR）下運行，COP、ICOP、DCOP值均有不同幅度變化。該公司對冷水機組進行變頻改造。變頻驅(qū)動裝置能根據(jù)冷水出水溫度與設(shè)定值的溫差和壓縮機的壓頭來優(yōu)化電機轉(zhuǎn)速和導(dǎo)流葉片的開度，從而滿足負(fù)荷要求，并使機組功能最優(yōu)，效率最高。

改造后冷水機組一直處于低負(fù)荷率工況下運行，改造并未從根本上觸動系統(tǒng)的內(nèi)部因素，僅僅通過變頻使得外部因素（ICOP）與冷水機組運行工況更加匹配，優(yōu)化了運行條件，達到節(jié)能的效果；雖然從單一的綜合COP值角度來講冷水機組節(jié)能效果顯著，改造獲得了極大成功，達到了降低能耗的目的；但是，改造后冷水機組處于低負(fù)荷率工況下運行，DCOP值小于改造前，綜合來講，改造后的冷水機組運行效果比改造前降低了。

（2）結(jié)論

本次測試及數(shù)據(jù)分析分別從COP、ICOP、DCOP與PLR的關(guān)系分析改造前后冷水機組的運行性能，改造前后的冷水機組節(jié)能效果如表5所示。

表5 改造前后冷水機組節(jié)能效果

由表5的數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：

等觀念日益深入人心的情況下，環(huán)保政策逐漸出臺、環(huán)保整治壓力逐漸增大，降低水、電、煤、氣能耗，減少產(chǎn)品原材料使用量，推出低碳產(chǎn)品成為陶瓷企業(yè)發(fā)展的必然道路。說它是有相應(yīng)技術(shù)和產(chǎn)品實物的階段，是因為陶瓷行業(yè)面臨節(jié)能降耗的巨大壓力下，陶瓷企業(yè)開發(fā)低碳產(chǎn)品的步子早已邁開，降低燃料和原料用量的陶瓷薄板早已問世。實際上，陶瓷行業(yè)不是缺乏低碳產(chǎn)品，而是缺乏對這些產(chǎn)品的宣傳和大范圍的推廣、使用。但在節(jié)能環(huán)保、降低碳排放量的大趨勢下，瓷磚的薄型化必然會成為行業(yè)未來發(fā)展的主要方向。因此，越早掌握瓷磚薄型化生產(chǎn)技術(shù)就可能使得企業(yè)在競爭中搶得優(yōu)勢。而要在應(yīng)用上推廣薄型磚，企業(yè)負(fù)有生產(chǎn)、說服商家銷售及向消費者宣傳薄型磚性能及使用意義的責(zé)任。而商家越早進入薄型磚的銷售，也能在市場競爭中搶得頭籌。

（1）從單一COP值指標(biāo)來分析，冷水機組改造較為成功，改造后COP值有明顯提升（改造前3.01，改造后3.99），節(jié)能率為24.56%，冷水機組整體運行系統(tǒng)達到了節(jié)能目的。

（2）影響冷水機組運行性能的外部因素ICOP改造后從5.56提高到9.21，節(jié)能率為39.63%，冷水機組節(jié)能改造效果顯著。

（3）影響冷水機組運行性能的內(nèi)部因素DCOP改造后從0.53降低到0.44，節(jié)能率為-20.45%，改造并未達到預(yù)期節(jié)能效果，冷水機組運行性能有一定幅度降低。

4 結(jié)語

在實際冷水機組變頻節(jié)能改造工程中，驗收標(biāo)準(zhǔn)往往注重于降低系統(tǒng)總能耗，提升COP值，而忽略了從冷水機組運行內(nèi)部因素或外部因素的角度來降低能耗，可能導(dǎo)致改造后盡管系統(tǒng)能耗降低，但冷水機組并沒有達到最佳運行性能，其運行工況與額定工況并不匹配。雖然冷水機組內(nèi)部效率DCOP下降能夠達到整體冷水機組運行COP提高，達到系統(tǒng)運行節(jié)能效果，但是改造并不徹底，冷水機組還有相當(dāng)大的節(jié)能潛力。因此，在冷水機組變頻節(jié)能改造時，應(yīng)充分考慮機組特性，有針對性地選擇改造方案，達到最優(yōu)的節(jié)能效果。

為了充分挖掘冷水機組的節(jié)能潛力，在冷水機組的節(jié)能改造工程中除提升ICOP之外，應(yīng)更加關(guān)注DCOP值，通過提高冷水機組負(fù)荷率PLR等相關(guān)措施，使冷水機組盡可能的在高負(fù)荷率下運行；提高壓縮機壓縮比，或?qū)τ诓糠謾C組可采取重新選型等方式來提升冷水機組的DCOP值，以達到冷水機組運行工況與額定工況匹配、運行工況與輸送系統(tǒng)、用戶荷載匹配的最佳節(jié)能效果。

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Performance Analysis of Chiller Plant VFD Energy Saving Renovation

Feng Jinmei, Xu Jun
Shanghai Applied Technology University

Through online monitoring of operation data collection and working condition before and after chiller plant VFD energy saving renovation at some company of Shanghai jinshan district, the author analyzes energy saving effect before and after chiller plant VFD energy saving renovation and applies COP value of chiller plant system and ICOP and DCOP to evaluate operation performance of chiller plant. Data results in 24.56% of COP energy saving rate, 39.63% of ICOP energy saving rate and -20.45% of DCOP energy saving rate before and after chiller plant VFD energy saving renovation, which shows that VFD external system renovation has obvious operation energy savingeffect with COP and ICOP improvement. But self efficiency of chiller plant doesn’t improve and internal factor DCOP decreases at some level. The article shows that transferring system and related chiller plant system VFD renovation reduce whole system energy consumption, but there is still some potential in chiller plant power efficiency utilization. COP of system improvement doesn’t guarantee internal efficiency improvement of chiller plant. We should take full consideration of improving chiller plant operation efficiency to reduce system operation energy consumption during VFD energy saving renovation project

Chiller Plant, COP, DCOP, ICOP, Energy Saving Renovation

上海市聯(lián)盟計劃項目（LM2016031）

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.08.012

馮勁梅：（1969—），女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：建筑設(shè)備節(jié)能，綠色智能建筑。