高效變頻螺桿機(jī)在制冷機(jī)房中的應(yīng)用能效分析

卓明勝1,，王升*1,，韓廣宇，何玉雪

（1-空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海 519070；2-珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

“十三五”規(guī)劃是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展中心城市的重要時(shí)期，隨著人口向大都市集聚，城市軌道交通作為中心城市、都市圈的基礎(chǔ)，也迎來(lái)了爆發(fā)式的增長(zhǎng)。國(guó)家發(fā)改委2019年2月發(fā)布的《關(guān)于培育發(fā)展現(xiàn)代化都市圈的指導(dǎo)意見(jiàn)》[1-4]提出，要大力發(fā)展都市圈市域（郊）鐵路，都市圈逐步同城化，這對(duì)中央空調(diào)的發(fā)展又是一個(gè)契機(jī)。清華大學(xué)發(fā)表《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告 2018》中指出，在2016年供冷季對(duì)5座城市40余座典型車(chē)站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[5]，得到冷機(jī)COP實(shí)測(cè)值大多處于3～5之間，若考慮冷卻水泵和冷卻塔耗電后，制冷機(jī)房綜合能效（Energy Efficiency Ratio，EER）小于3.5，能效偏低。因此，提升制冷機(jī)房運(yùn)行能效對(duì)軌道交通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能具有重要意義。

目前在軌道交通行業(yè)中，地鐵車(chē)站制冷機(jī)房主機(jī)多采用螺桿式冷水機(jī)組，隨著地鐵站空調(diào)系統(tǒng)能效需求的逐年提高，更多高效節(jié)能的螺桿式冷水機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生。2018年推出永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組[6]，該機(jī)組采用半封閉永磁同步變頻螺桿式壓縮、高效降膜式換熱器、全工況寬范圍轉(zhuǎn)速-容積協(xié)同設(shè)計(jì)、高效雙側(cè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子型線和永磁同步變頻電機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)，全工況能效水平明顯提升。

本文基于DeST軟件和冷水機(jī)組全工況性能曲線，采用逐時(shí)能耗模擬方法，對(duì)比研究了常規(guī)定頻螺桿式冷水機(jī)組與永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的運(yùn)行能效，這對(duì)提升地鐵車(chē)站制冷機(jī)房能效具有重要意義。

1 研究方法

本文基于由清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的建筑負(fù)荷模擬軟件DeST[7-11]和冷水機(jī)組全工況性能曲線，通過(guò)全年逐時(shí)能耗模擬的方法，對(duì)主機(jī)為常規(guī)定頻螺桿式冷水機(jī)組和永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的制冷機(jī)房分別進(jìn)行全年能耗模擬分析，通過(guò)典型日、逐月和全年3個(gè)方面，對(duì)兩種制冷機(jī)房的運(yùn)行能效進(jìn)行對(duì)比。

2 工程概況及負(fù)荷分析

2.1 工程概況

本工程位于武漢核心區(qū)的某地鐵車(chē)站，總建筑面積約為15,000 m2，地下兩層。建筑主要功能有站廳和站臺(tái)等。地鐵站空調(diào)系統(tǒng)分為空調(diào)大系統(tǒng)和空調(diào)小系統(tǒng)兩部分。其中，地鐵車(chē)站站廳和站臺(tái)公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)稱為空調(diào)大系統(tǒng)，地鐵車(chē)站設(shè)備管理用房空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)稱為空調(diào)小系統(tǒng)。空調(diào)大系統(tǒng)的作用主要是為乘客在公共區(qū)域提供舒適、安全和衛(wèi)生的過(guò)渡性環(huán)境，空調(diào)小系統(tǒng)的作用主要是為車(chē)站工作人員提供安全舒適的工作環(huán)境以及為車(chē)站設(shè)備提供適宜的運(yùn)行環(huán)境。為了研究螺桿式冷水機(jī)組的運(yùn)行能效，本文僅討論空調(diào)大系統(tǒng)情況，具體的空調(diào)大系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 空調(diào)大系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 建筑負(fù)荷模擬

基于DeST軟件建立的地鐵站空調(diào)大系統(tǒng)模型以及室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)其負(fù)荷進(jìn)行逐時(shí)模擬計(jì)算。圖1所示為地鐵車(chē)站客流比例隨時(shí)間的變化。圖2所示為武漢設(shè)計(jì)日的冷負(fù)荷和濕球溫度隨時(shí)間的變化?？照{(diào)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果為：設(shè)計(jì)日空調(diào)最大時(shí)刻冷負(fù)荷為1,614 kW，設(shè)計(jì)日總冷負(fù)荷為21,232 kW·h。由于早7:00—8:00和下午17:00分別是人員上班和下班的高峰時(shí)段，地鐵站停留人員密集，因而負(fù)荷出現(xiàn)兩個(gè)高峰。

圖1 地鐵車(chē)站客流比例圖比例隨時(shí)間的變化

圖2 設(shè)計(jì)日濕球溫度及空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷

3 方案設(shè)計(jì)

冷水機(jī)組和制冷機(jī)房能效的評(píng)估，需要計(jì)算冷水機(jī)組性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP），冷水機(jī)組耗電量、制冷機(jī)房耗電量以及制冷機(jī)房系統(tǒng)綜合EER等參數(shù)。COP指冷水機(jī)組制備的冷量與冷水機(jī)組能耗之比。EER指空調(diào)系統(tǒng)制備的總冷量與制冷機(jī)房總能耗之比。制冷機(jī)房總能耗包含冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的耗電量[12-16]。

為了研究不同螺桿式冷水機(jī)組的能效及能耗情況，本文采用2臺(tái)相同額定制冷量為749.4 kW的冷水機(jī)組進(jìn)行仿真模擬。表2所示為模擬計(jì)算時(shí)所采用的兩種螺桿式冷水機(jī)組類(lèi)型的主要參數(shù)。

表2 空調(diào)系統(tǒng)方案主要參數(shù)

圖3所示為冷凍水出水溫度T0=7℃時(shí)，不同冷卻水進(jìn)水溫度T工況下，定頻螺桿式冷水機(jī)組和永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組 COP隨負(fù)荷率的變化。表3所示為機(jī)組在不同月份的運(yùn)行工況。

圖3 機(jī)組性能曲線圖

表3 機(jī)組運(yùn)行工況

4 仿真結(jié)果

4.1 典型日情況

圖4所示為冷水機(jī)組性能參數(shù)隨時(shí)間的變化。

圖4 典型日逐時(shí)能效和逐時(shí)耗電量

由圖4(a)可知，兩種冷水機(jī)組均在早高峰期時(shí)段的機(jī)組運(yùn)行能效較高，下午時(shí)段略低，隨后COP或EER呈現(xiàn)波動(dòng)平穩(wěn)的趨勢(shì)。與定頻螺桿式冷水機(jī)組相比，永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的 COP和系統(tǒng)逐時(shí)綜合EER較高。由圖4(b)可知，兩種冷水機(jī)組的耗電量均呈現(xiàn)先上升后下降，波動(dòng)上升再下降。在7:00—8:00和17:00兩個(gè)客流高峰時(shí)段，設(shè)備耗電量相繼出現(xiàn)兩個(gè)高峰。對(duì)于主機(jī)和系統(tǒng)，與定頻螺桿式冷水機(jī)組相比，永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的耗電量較小。

4.2 逐月情況

表4所示為冷水機(jī)組從5月至9月的逐月單位面積制冷量。

表4 逐月制單位面積制冷量

其中 5月的單位面積制冷量最低，制冷量為14 (kW·h)/m2；7月份的單位面積制冷量最高，制冷量為39 (kW·h)/m2。整個(gè)機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行期間，整體上單位制冷量呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。

表5和表6所示為定頻和變頻螺桿式冷水機(jī)組制冷機(jī)房分項(xiàng)能耗。圖6所示為兩種冷水機(jī)組的逐月機(jī)組的性能參數(shù)的變化。由圖6(a)可知，同一月份時(shí)，從機(jī)組考慮，與定頻螺桿式冷水機(jī)組相比，永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的 COP較高；從系統(tǒng)考慮，與定頻螺桿式冷水機(jī)組相比，永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的EER較高。在過(guò)渡季，永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組節(jié)能效果更明顯，5月份的制冷機(jī)房節(jié)能率達(dá)到40%。圖6(b)中，整個(gè)機(jī)組運(yùn)行期間，同一月份定頻螺桿式冷水機(jī)組的機(jī)組耗電量和系統(tǒng)耗電量均比永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組高。

表5 主機(jī)為定頻螺桿式冷水機(jī)組的制冷機(jī)房分項(xiàng)能耗匯總

表6 主機(jī)為永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的制冷機(jī)房分項(xiàng)能耗匯總

4.3 全年冷水機(jī)組和制冷機(jī)房參數(shù)

表7所示為全年仿真結(jié)果。由表7可知，使用永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的全年 COP較高為7.9；定頻螺桿式冷水機(jī)組COP較低為5.3。永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的單位面積耗電量較低，為17.5 (kW·h)/m2；定頻螺桿式冷水機(jī)組的單位面積耗電量較高，為26.4 (kW·h)/m2。永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組相對(duì)于定頻螺桿式冷水機(jī)組的節(jié)能率為33.7%。可以看出在制取同樣制冷量的前提下，永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的節(jié)能效果明顯。主機(jī)為永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的全年制冷機(jī)房EER較高，機(jī)組EER=6.1；主機(jī)為定頻螺桿式冷水機(jī)組的EER較低，為4.5。主機(jī)為永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的制冷機(jī)房單位面積耗電量較低，為22.6 (kW·h)/m2；定頻螺桿式冷水機(jī)組的單位面積耗電量較高，為31.2 (kW·h)/m2。永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組相對(duì)于定頻螺桿式冷水機(jī)組的節(jié)能率為27.5%?？梢钥闯鲈谥迫⊥瑯又评淞康那疤嵯?，應(yīng)用永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的制冷機(jī)房節(jié)能效果明顯。

圖6 逐月能效和單位面積耗電量

表7 全年仿真結(jié)果

表8所示為全年制冷機(jī)房各設(shè)備能耗占比。由表7可知，主機(jī)為永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的制冷機(jī)房主機(jī)能耗占比相對(duì)于定頻螺桿式冷水機(jī)組降低了7.3%，而其余設(shè)備能耗占比相對(duì)于定頻螺桿式冷水機(jī)組略微偏高了7.3%。在本文中，水泵、冷卻塔和末端等設(shè)備尚未按照高效冷站進(jìn)行全面優(yōu)化[17-21]，如果進(jìn)行系統(tǒng)全面優(yōu)化，制冷機(jī)房系統(tǒng)能效尚存在一定的提升空間。

表8 全年制冷機(jī)房各設(shè)備能耗占比

5 結(jié)論

本文研究了高效變頻螺桿機(jī)在制冷機(jī)房中的應(yīng)用能效，采用逐時(shí)能耗模擬方法，得到如下結(jié)論：

1）從全年地鐵站制冷機(jī)房的能耗仿真結(jié)果來(lái)看，在只考慮冷水機(jī)組情況下，永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的機(jī)組COP較高，達(dá)到7.9，相對(duì)于主機(jī)為定頻螺桿式冷水機(jī)組的節(jié)能率為33.7%；因此永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組更加節(jié)能；

2）典型日、逐月和全年 3種方案的能效和能耗規(guī)律一致，在制取相同制冷量的情況下，主機(jī)為永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的制冷機(jī)房綜合能效比較高，達(dá)到 6.1，相對(duì)于主機(jī)為定頻螺桿式冷水機(jī)組的全年系統(tǒng)節(jié)能率為27.5%；

3）在5月和9月過(guò)渡季節(jié)時(shí)，主機(jī)為永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的制冷機(jī)房的節(jié)能效果更明顯。