磁懸浮冷水機組在公建項目中的應用分析

姜凱迪 崔紅社* 高屾 孫銳 林巍

青島理工大學環(huán)境與市政工程學院

自磁懸浮冷水機組誕生以來，關于磁懸浮冷水機組能效的理論研究已較多[1-3]，但關于磁懸浮機組在實際工程中運行能效的研究卻較少。本文對多個實際工程同一制冷季的實測數(shù)據(jù)進行分析，對比傳統(tǒng)冷機的運行效率，合理評價磁懸浮機組能效水平，并針對降低機房整體能耗提出優(yōu)化建議。

1 磁懸浮機組性能

磁懸浮變頻離心式冷水機組采用磁懸浮壓縮機，比傳統(tǒng)式壓縮機運行效率高30%，實現(xiàn)無潤滑油高速旋轉，機組效率得到提高。磁懸浮機組運轉噪聲低于同制冷量的螺桿機組和離心機組，噪聲一般在70-75DB。磁懸浮技術的應用使機組造價升高，磁懸浮機組成本高于傳統(tǒng)冷機10%～20%左右。磁懸浮機組的實際節(jié)能效果及技術經(jīng)濟性存在一定爭議，需對其在實際工程中的可應用性進行綜合客觀評價，結合機組運行特點最大限度地發(fā)揮其性能優(yōu)勢，推動這一節(jié)能技術健康發(fā)展。

1.1 磁懸浮機組與傳統(tǒng)冷機能效對比

名義工況性能系數(shù)COP 和綜合部分負荷性能系數(shù)IPLV 是評價冷水機組能效特性的重要指標。根據(jù)這兩個指標可有效促進冷水機組的優(yōu)化和運行管理。

機組COP 表示冷機運行效率，其定義式為：

式中：COP 為冷水機組運行能效；Q 為冷水機組制冷量；W1冷水機組輸入電功率。

綜合部分負荷性能系數(shù)IPLV 表示冷水機組部分負荷效率指標，其定義式為：

式中：A 為100%負荷時的性能系數(shù)，kW/kW，冷卻水進水溫度30 ℃；B 為75%負荷時的性能系數(shù)，kW/kW，冷卻水進水溫度26 ℃；C 為50%負荷時的性能系數(shù)，kW/kW，冷卻水進水溫度23 ℃；D 為25%負荷時的性能系數(shù)，kW/kW，冷卻水進水溫度19 ℃。

通過以國內(nèi)外主流廠家提供的500RT 機組性能參數(shù)為例，比較磁懸浮機組和傳統(tǒng)機組名義工況COP和IPLV，如圖1～2。

圖1 不同冷水機組COP

圖2 不同冷水機組IPLV

由圖可知，磁懸浮機組名義工況COP 低于定頻螺桿機組，但磁懸浮機組IPLV 為10.79，部分負荷能效較高，遠超一級能效標準[4]。磁懸浮機組IPLV 相比定頻螺桿機組提高51%，相比其他變頻機組平均提升5.5%，在IPLV 上表現(xiàn)出很大優(yōu)勢。

1.2 磁懸浮機組的運行特點

針對青島地區(qū)某酒店建筑進行實測，該酒店建筑采用一臺150 RT 磁懸浮冷水機組全天運行，根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析磁懸浮機組的實際運行特點，如圖3～4。

圖3 磁懸浮機組COP 與負荷率關系圖

圖4 磁懸浮機組COP 與冷卻水回水溫度關系圖

圖3 可見，磁懸浮機組單點COP 最高能達到10左右，平均COP 為7.11，達到一級能效標準[5]。機組負荷率基本集中在20%-50%之間，隨著負荷率的升高，磁懸浮機組COP 逐漸減小，部分負荷運行能效較高，滿負載能效偏低。圖4 可見，磁懸浮機組COP 與冷卻水回水溫度存在明顯線性關系，隨著冷卻水回水溫度降低，機組實際運行能效逐漸升高。冷卻水回水溫度范圍為23-33 ℃，溫度每降低1 ℃，機組COP 提升5.6%左右。

綜上所述，磁懸浮機組運行特點如下：1）機組部分負荷運行能效較高。2）低冷卻水回水溫度下機組運行效率高。機組負荷率和冷卻水回水溫度對磁懸浮機組實際運行能效有較大影響。

2 磁懸浮機組在公建項目中能效實測分析

根據(jù)項目實際情況，準確測定空調系統(tǒng)中冷機的能效，并做出符合實際情況的評價與診斷，是判斷空調系統(tǒng)是否節(jié)能的重要部分[6]。建筑負荷和機組使用條件不同，直接對比實測結果會降低冷機能效之間的可比性。在同一制冷季對各項目進行建筑能耗實時監(jiān)測，修正數(shù)據(jù)到同一工況下，綜合客觀的對比不同類型冷機能效水平，實測公建項目的基本信息如表1 所示。

表1 實測項目基本信息

2.1 實測項目機組能效

實際運行過程中，根據(jù)空調負荷的變化情況會對機組運行參數(shù)進行調整，適當提高冷凍水供水溫度，降低冷卻水回水溫度以提高機組的運行效率。運行參數(shù)（冷凍水、冷卻水溫度等）的調節(jié)會影響空調系統(tǒng)的運行效果[5]。實測五個公建項目同一制冷季的機組能效，計算平均值得到實際COP，根據(jù)冷機樣本將實際運行效率修正到同一冷凍水供水溫度和冷卻水回水溫度工況下，得到機組修正COP。對比同一制冷季時間段內(nèi)機組的實際COP 和修正COP，如圖5。

圖5 機組實際COP 與修正COP 對比

可見，項目A 磁懸浮機組實際運行能效最高，實際COP 為7.11，遠超冷機一級能效標準[4]。應用磁懸浮機組的項目A、B 實測能效差別很大，分析原因如下：項目B 機組接近滿負載運行，負荷率在70%以上的運行時長超過總運行時間的50%，而磁懸浮機組高效負荷段在40%-70%之間。且由于負荷率長時間保持在較高水平，項目B 的冷凍水出水溫度設置較低，實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)項目A 冷凍水平均溫度為10.9 ℃，項目B 為8.8 ℃。冷凍水出水溫度降低，蒸發(fā)溫度下降，會導致機組效率降低。

磁懸浮機組修正COP 平均在5.5 左右，傳統(tǒng)冷水機組為5.7，磁懸浮機組低于傳統(tǒng)冷機，沒有表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。針對項目A、D 的實測數(shù)據(jù)分析磁懸浮機組修正COP 低于高效螺桿機的原因，如圖6～7。

圖6 磁懸浮機組修正COP 與負荷率關系圖

圖7 高效螺桿機修正COP 與負荷率關系圖

項目A 磁懸浮機組修正COP 為5.51，項目D 高效螺桿機為5.98。圖6 可見，磁懸浮機組實際COP 隨負荷率增大而降低。項目A 磁懸浮機組負荷率偏低，機組平均負荷率為35%，冷水機組裝機容量偏大，偏離機組高效運行范圍，機組與建筑負荷供需不匹配影響其運行效果。圖7 可見，高效螺桿機負荷率范圍在60%～100%，項目D 機組高負荷運行時間長，保持高效運行狀態(tài)，表現(xiàn)出良好的運行效果。由此可見，傳統(tǒng)冷水機組與建筑負荷供需匹配，搭配控制策略合理，能達到高效運行的效果，高于磁懸浮機組能效。

2.2 實測機房整體能效

機房整體能效EER 是評價高效機房的標準，其與冷水機組和水泵等輔助設備的耗電量有很大聯(lián)系。用機房EER 來表示機房整體能效，其定義式為：

式中：W總為機房總輸入電功率；W2為冷凍水泵輸入電功率；W3為冷卻水泵輸入電功率；W4為冷卻塔輸入電功率。

對實測項目的機房EER 進行對比，如圖8。

圖8 機房整體能耗EER

項目C 機房整體能效EER 最高，項目A 最低。項目A 磁懸浮機組COP 為7.11，機房EER 為3.4，主機能效較高，機房效率偏低。根據(jù)美國ASHER 暖通協(xié)會制定的冷站能效標準[7]，EER 在3.5 以上為一般能效水平，4.1 以上為良好，項目A 未達到此能效標準?？照{系統(tǒng)可調控參數(shù)較多且參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能影響不同，導致冷站運行能耗偏高的原因有：1）機組與建筑負荷供需不匹配，偏離機組高效運行負荷區(qū)間，機組能耗偏高。2）水系統(tǒng)不匹配，輸配系統(tǒng)能耗偏高。對項目A、C 進行詳細分析，分項能耗如圖9～10。

圖9 項目A 機房分項能耗餅狀圖

圖10 項目C 機房分項能耗餅狀圖

可見，項目A、C 的輸配系統(tǒng)能耗分別占比為45.88%、32.45%。項目A 的輸配系統(tǒng)能耗占比偏大，接近機房總能耗一半，水泵選型不合理。實測顯示，項目A 磁懸浮機組、水泵都存在選型過大的問題，出現(xiàn)大流量小溫差的現(xiàn)象，造成機組負荷率過低，磁懸浮機組大部分運行時間并未處于高效區(qū)間內(nèi)。水泵選型過大，且無變頻，能耗過高，進一步抵消磁懸浮的節(jié)能效果。

3 結語

1）磁懸浮機組無摩擦、噪音低，名義工況COP 與普通機組相比無明顯優(yōu)勢，部分負荷效率IPLV 高，相比定頻機組提高51%，相比其他變頻機組平均提升5.5%。

2）實測發(fā)現(xiàn)，隨著負荷率和冷卻水回水溫度的降低，磁懸浮機組能效逐漸升高。磁懸浮機組的高效負荷段在40%～70%之間，冷卻水回水溫度每降低1 ℃，機組COP 提升5.6%左右。

3）由項目A 實測數(shù)據(jù)可得，磁懸浮機組實際COP達到7.11，修正COP 為5.51，磁懸浮機組未與建筑負荷做良好匹配，偏離高效負荷段運行，修正機組能效低于傳統(tǒng)冷機。

4）輔助設備選型過大，會抵消磁懸浮機組的節(jié)能效果，導致機房整體能效降低。提高機房整體能效應根據(jù)建筑負荷變化，結合機組運行特點選擇合適的輔助設備，同時搭配合理機房群控策略來實現(xiàn)。