基于性能曲線的離心式冷水機組能耗分析

寧太剛 劉文浩 沈丹丹

(1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司,杭州;2.蘇州愛博斯蒂低碳能源技術(shù)有限公司,蘇州)

0 引言

根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會統(tǒng)計,2018年我國建筑運行能耗占總能源消耗的21.7%,建筑運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)能耗約占建筑總運行能耗的50%,其中冷水機組是影響空調(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)計能耗水平應(yīng)在2016年執(zhí)行的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上降低20%,碳排放強度平均降低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冷熱量與冷熱源系統(tǒng)綜合性能系數(shù)進(jìn)行計算,同時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《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,冷熱源能源消耗量計算應(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)均針對冷熱源能源消耗量計算進(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,同時空調(diào)冷負(fù)荷受壓縮機類型、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)法計算冷熱源能源消耗量勢必存在一定的誤差,而GB/T 51366—2019中并未給出具體的冷水機組運行能耗計算方法。

綜上,本文對離心式冷水機組性能特性進(jìn)行分析,結(jié)合市場上主流廠家提供的離心式冷水機組變工況運行能效數(shù)據(jù)進(jìn)行性能曲線擬合、驗證,并以杭州市某辦公建筑為例采用不同計算方法對比分析冷水機組運行能耗,為類似冷水機組運行能耗計算及運行策略制定提供參考。

1 冷水機組性能特性分析

1.1 冷水機組能效影響因素

影響冷水機組能效的因素可分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要涉及機組型式、壓縮機性能、換熱器性能、制冷劑熱力學(xué)性質(zhì)等。外部因素則是指機組負(fù)荷率、冷水溫度、冷卻水溫度等影響壓縮機性能的因素。由于影響因素較多,冷水機組能效計算模型數(shù)學(xué)方程階次高,求解復(fù)雜,因此有必要對影響因素進(jìn)行選擇性剔除以簡化計算模型,同時保持模型的穩(wěn)定性和可靠性。

冷水機組的負(fù)荷率及蒸發(fā)器、冷凝器的進(jìn)出水溫度對壓縮機能效有著直接的影響,進(jìn)而影響機組能耗。其中,當(dāng)冷水出水溫度一定時,冷水回水溫度變化對機組蒸發(fā)溫度及壓縮機性能系數(shù)影響較小[3],冷卻水出水溫度可根據(jù)機組負(fù)荷率及冷卻水進(jìn)口溫度與冷卻水流量計算得出,故本文將冷水機組負(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)壓縮機是否變頻、冷卻水是否變流量設(shè)定4種運行策略,見表1。

表1 運行策略

1.2 冷水機組運行工況分析

1.2.1冷水機組不同運行工況下的性能

目前用于集中空調(diào)的離心式冷水機組主要分單級壓縮、雙級壓縮及多級壓縮制冷形式,制冷劑常見類型為R407C、R404A、R410A、R134a等。受篇幅限制,筆者主要以市場主流廠家提供的使用R134a制冷劑的雙級壓縮離心式冷水機組的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。設(shè)定冷水系統(tǒng)變流量運行,冷水進(jìn)出水溫差為5 ℃。冷卻水系統(tǒng)變流量運行時冷卻水進(jìn)出水溫差為5 ℃。采用不同工況下多個型號冷水機組的COP均值作為依據(jù),根據(jù)表1運行策略,繪制得到不同負(fù)荷率下機組性能系數(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冷水機組調(diào)節(jié)性能

定頻離心式冷水機組在部分負(fù)荷下運行時,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)機組容量輸出。當(dāng)導(dǎo)流葉片關(guān)小時,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,從而降低了壓縮機的效率,使得部分負(fù)荷時機組的制冷性能變差。當(dāng)機組負(fù)荷率降低至一定幅度(如30%以下)時,控制裝置將使壓縮機入口導(dǎo)流葉片慢慢關(guān)閉,這就減少了壓縮機吸入制冷劑的量,當(dāng)制冷劑流量小到一定值時,壓縮機的氣體無法被壓出,在葉輪內(nèi)造成渦流,冷凝器中的高壓氣體會被導(dǎo)流至葉輪,使壓縮機內(nèi)的氣體瞬時增加,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)周期性的來回脈動氣流,這種現(xiàn)象叫作“喘振”。有些冷水機組生產(chǎn)廠家為達(dá)到在較低機組負(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、逼近喘振點時,通過開啟旁通管上的電動調(diào)節(jié)閥讓一部分制冷劑氣體從冷凝器旁通到壓縮機的吸氣口,維持一定流量的制冷劑進(jìn)入壓縮機,這部分制冷劑在壓縮機內(nèi)消耗壓縮機功而不制冷,嚴(yán)格講,這是一個避免壓縮機喘振的措施,而不能作為負(fù)荷調(diào)節(jié)的措施。圖1、2中運行策略1、2冷水機組負(fù)荷率低于30%時性能發(fā)生陡降正是基于上述原因,而60%～100%負(fù)荷率區(qū)間機組效率較高。

變頻離心式冷水機組在部分負(fù)荷下運行時采用變頻調(diào)節(jié),壓縮機的功耗與轉(zhuǎn)速的三次冪成正比,在部分負(fù)荷時通過優(yōu)化電動機轉(zhuǎn)速和導(dǎo)流葉片的開度使機組在高效區(qū)運行。機組可以實現(xiàn)在大部分負(fù)荷率下導(dǎo)流葉片全開,通過變頻來控制機組加減載,確保壓縮機高效運行。由圖1、2中運行策略3、4可知,變頻離心式冷水機組部分負(fù)荷率時的調(diào)節(jié)能力明顯優(yōu)于定頻機組,同時隨著冷水出水溫度升高或冷卻水進(jìn)水溫度降低,機組運行高效區(qū)逐漸擴大,高效點逐步趨近于50%負(fù)荷率,機組能效整體提升明顯。

為直觀對比4種運行策略下負(fù)荷率對冷水機組能效的影響,規(guī)定各種策略滿負(fù)荷時的COP為5.8,冷水出水溫度7 ℃、冷卻水進(jìn)水溫度30 ℃時冷水機組在不同負(fù)荷率下的COP如圖3所示。由圖3可知,在部分負(fù)荷率下冷水機組冷卻水定流量運行相比變流量運行能效均有所提升,變頻壓縮式冷水機相對定頻冷水機組能效提升更明顯。冷卻水變流量運行常規(guī)控制邏輯為定溫差變流量運行,冷卻水定流量運行機組部分負(fù)荷率時因冷卻水流量不變、換熱溫差減小,冷凝器出水溫度降低,故對于冷水機組而言,定冷卻水流量運行更為有利。但該工況由于定流量運行,冷卻水泵能耗加大,故需權(quán)衡判斷綜合能耗。

圖3 冷水機組不同運行策略下的性能系數(shù)

1.2.3溫度對冷水機組性能的影響

由圖1、2可知:冷水機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;變頻冷水機組相比定頻機組在冷水和冷卻水溫度變化時能效變化更為敏感,較低負(fù)荷率時尤為敏感,具體敏感度見表2。

表2 冷水機組隨冷水出水、冷卻水進(jìn)水溫度變化的能效敏感度

2 冷水機組能效曲線擬合

2.1 擬合公式

本文采用最小二乘法進(jìn)行擬合,離心式冷水機組性能曲線擬合公式見式(1)[4]。式(1)確保了名義工況下計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,并且保證了名義工況下COP數(shù)值不同的冷水機組的可擴展性。以平均絕對誤差E1及均方誤差E2對擬合結(jié)果進(jìn)行評價,具體結(jié)果見表3。

表3 冷水機組不同運行策略下的性能擬合系數(shù)及E1和E2

(1)

式中η為冷水機組運行性能系數(shù);η0為名義工況下冷水機組性能系數(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為冷水機組負(fù)荷率;k1～k8為擬合系數(shù),見表3。

2.2 擬合驗證

本文選取某工程冷水機組實際運行數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合驗證。分別對該工程3臺冷水機組進(jìn)行驗證,具體參數(shù)見表4。運行數(shù)據(jù)時間跨度為2021年9月至2022年9月,包括:室外溫濕度、冷水機組輸入功率、蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度、冷凝器進(jìn)出口溫度、機組負(fù)荷率。其中,蒸發(fā)器及冷凝器進(jìn)出口溫差相對不固定,大部分在4～5 ℃之間波動,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)為冷卻水定流量運行。

圖4 冷卻水流量隨負(fù)荷率的變化

表4 驗證用冷水機組參數(shù)

針對以上3臺冷水機組的運行數(shù)據(jù),采用式(1)及表3中的系數(shù)進(jìn)行計算,預(yù)測數(shù)據(jù)與實際運行數(shù)據(jù)的誤差如表5所示。隨機選取部分運行數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證的結(jié)果如表6所示。由表5可見,E1及E2的值與表3中對應(yīng)的值較為接近,且平均相對誤差較小,證明擬合有效可行。

表5 預(yù)測數(shù)據(jù)與實際運行數(shù)據(jù)誤差

表6 數(shù)據(jù)驗證結(jié)果

3 冷水機組運行能耗計算

目前冷水機組運行能耗的計算方法主要包括以下幾種:

1) 采用IPLV值進(jìn)行全年運行能耗的計算,IPLV分別采用ARI 590-98及GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的公式進(jìn)行計算,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 ℃時的性能系數(shù);B為75%負(fù)荷率、冷卻水進(jìn)水溫度26 ℃時的性能系數(shù);C為50%負(fù)荷率、冷卻水進(jìn)水溫度23 ℃時的性能系數(shù);D為25%負(fù)荷率、冷卻水進(jìn)水溫度19 ℃時的性能系數(shù)。

2) 根據(jù)JGJ/T 288—2012《建筑能效標(biāo)識技術(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個部分進(jìn)行計算,計算式如下:

(4)

式中Ea為全年冷水機組耗電量,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)的機組性能系數(shù)。

3) 將全年的冷負(fù)荷進(jìn)行分組計算冷水機組運行能耗。張志剛根據(jù)機組啟停的不同將全年分為3個組,每個組內(nèi)采用固定的COP進(jìn)行計算[5];陶嘉楠等人根據(jù)每日累計建筑負(fù)荷將全年劃分為10個組,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)荷率下的機組COP視為室外濕球溫度的一次函數(shù),得到多個負(fù)荷率下的性能曲線,該研究還指出劃分組數(shù)較少時誤差將變得較為明顯[6]。

4) 性能曲線法。采用性能曲線法計算冷水機組運行能耗一般認(rèn)為其計算結(jié)果更準(zhǔn)確,但需要較全面的機組運行數(shù)據(jù)或者廠商提供的性能曲線[7]。由上述擬合驗證可知,采用本文擬合得到的性能曲線,能夠在設(shè)計階段較好地表征實際運行的冷水機組性能曲線,為能耗計算提供支持。

本文采用IPLV、JGJ/T 288—2012《建筑能效標(biāo)識技術(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算某建筑冷水機組的運行能耗,并對計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.1 建筑模型

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36 300 m2,空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)比如圖5所示。設(shè)計日最大冷負(fù)荷為7 000 kW,采用某能耗軟件計算全年逐時冷負(fù)荷,結(jié)果如圖6所示,計算日空調(diào)逐時冷負(fù)荷曲線如圖7所示。設(shè)計采用2臺單臺制冷量為3 517 kW的離心式冷水機組,冷水系統(tǒng)變流量運行,冷水進(jìn)出水溫差為5 ℃,冷卻水系統(tǒng)變流量運行時冷卻水進(jìn)出水溫差為5 ℃,名義工況定頻機組COP為5.908,變頻機組COP為5.818。運行策略設(shè)定為當(dāng)所需冷負(fù)荷達(dá)到最大冷負(fù)荷的45%時,開啟2臺機組,平均承擔(dān)冷負(fù)荷,否則由1臺機組承擔(dān)全部冷負(fù)荷。

圖5 建筑空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)比

圖6 建筑全年逐時冷負(fù)荷

圖7 計算日空調(diào)逐時冷負(fù)荷

3.2 計算結(jié)果對比

冷水機組不同運行策略下的IPLV計算結(jié)果見表7。按JGJ/T 288—2012《建筑能效標(biāo)識技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》計算的各部分累計冷負(fù)荷及不同運行策略COP見表8。在典型日法及性能曲線法計算中,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)行計算,典型日法不同負(fù)荷率對應(yīng)天數(shù)的劃分見圖8,累計負(fù)荷及冷水機組能耗見表9,不同計算方法對應(yīng)的冷水機組運行能耗見表10。

圖8 典型日累計負(fù)荷率對應(yīng)天數(shù)

表7 IPLV計算結(jié)果

表9 典型日累計負(fù)荷及冷水機組能耗

表10 冷水機組能耗計算結(jié)果 kW·h

表10中ζG與ζA法計算結(jié)果相比其他方法計算結(jié)果明顯偏小,這主要是由于ζG、ζA法計算低負(fù)荷狀態(tài)下的能耗時采用的冷卻水進(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圖及表11建筑空調(diào)負(fù)荷率對應(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)計算中采用的23.0 ℃。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的一個原因是杭州處于夏熱冬冷地區(qū),濕度較大;另一個原因是新風(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圖中顯示的趨勢線主要受新風(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圖

表11 建筑空調(diào)負(fù)荷率對應(yīng)的平均濕球溫度

由于JGJ/T 288—2012中給出的冷水機組能耗計算方法忽略了冷卻水溫度變化對主機能效的影響,對比表10中策略1～4的計算結(jié)果可知,JGJ/T 288—2012法在不同運行策略下的計算結(jié)果差異較小,說明該方法未能體現(xiàn)變頻冷水機組的優(yōu)勢,同時解釋了冷水機組在運行策略3、4下JGJ/T 288—2012法相比典型日法與性能曲線法運行能耗更高的原因。由于JGJ/T 288—2012法中ηa～ηd無法較好地統(tǒng)計核算,因此本文選取負(fù)荷率為25%、50%、75%、100%時的機組性能系數(shù)作為ηa～ηd對應(yīng)的性能系數(shù),故而在運行策略1、2下JGJ/T 288—2012法相較典型日法及性能曲線法計算結(jié)果更小。

典型日法與性能曲線法不同運行策略下的冷水機組能耗計算結(jié)果差距較小,約為3%。典型日法將冷水機組在每個負(fù)荷率下的COP視為隨冷卻水溫度變化的一次函數(shù),實際上冷水機組在每個負(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中冷水機組性能曲線疏密程度可知,冷卻水溫度變化對于冷水機組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算結(jié)果,這也意味著更復(fù)雜的計算過程。

4 結(jié)論

1) 離心式冷水機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) 變頻離心式冷水機組相比定頻離心式冷水機組對冷水出水溫度或冷卻水進(jìn)水溫度的變化更為敏感。

3) 離心式冷水機組在60%～100%負(fù)荷率時性能較好,變頻機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)逐漸擴大,高效點逐步趨近于50%負(fù)荷率。

4) IPLV法規(guī)定的冷水機組冷卻水進(jìn)水溫度與實際運行數(shù)據(jù)差異較大;JGJ/T 288—2012《建筑能效標(biāo)識技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的方法忽略了冷卻水溫度變化對冷水機組能效的影響;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)雜的計算過程。

5) 冷水機組性能曲線法能夠真實地反映不同運行工況下冷水機組的運行能效。

6 展望

在設(shè)計階段基于冷水機組的性能曲線可優(yōu)化冷源配置,在滿足建筑用冷需求的同時配置較優(yōu)的冷源方案。至于將機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。