冷水機(jī)組運(yùn)行性能評價(jià)及節(jié)能診斷

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上冷水機(jī)組運(yùn)行性能評價(jià)及節(jié)能診斷清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系蔡宏武 魏慶芃摘要：本文指出了目前用COP作為單一指標(biāo)評價(jià)冷水機(jī)組運(yùn)行性能及進(jìn)行節(jié)能診斷時(shí)的不足，在此基礎(chǔ)上，提出應(yīng)將多方面因素綜合起來評價(jià)冷水機(jī)組的運(yùn)行性能；提出了影響冷水機(jī)組運(yùn)行性能的各種因素的分類方法；指出冷水機(jī)組節(jié)能診斷應(yīng)從內(nèi)、外兩個(gè)方面著手，給出了內(nèi)部效率（DCOP）和外部效率（ICOP）的概念，并進(jìn)一步分析了這兩個(gè)效率各自的影響因素及其在節(jié)能診斷中的應(yīng)用；重點(diǎn)是將本文提出的新觀點(diǎn)和方法應(yīng)用到工程實(shí)際中去，示例性地給出了對冷水機(jī)組進(jìn)行節(jié)能診斷的全過程。關(guān)鍵詞：冷水機(jī)組COP內(nèi)部效率（DCOP）外部效率（IC

2、OP）節(jié)能診斷1. 引言大型公共建筑節(jié)能的最主要任務(wù)是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能，冷水機(jī)組作為空調(diào)系統(tǒng)的最主要用能部分，對其進(jìn)行節(jié)能診斷的意義不言而喻。表1給出了筆者實(shí)測的幾棟建筑的冷水機(jī)組能耗情況。表1：冷水機(jī)組能耗典型數(shù)據(jù)冷水機(jī)組的節(jié)能診斷問題，實(shí)際上就是對冷水機(jī)組的運(yùn)行性能進(jìn)行科學(xué)評價(jià)的問題。有了科學(xué)的評價(jià)，分析清楚影響冷水機(jī)組性能的各種因素，自然就能提出科學(xué)的節(jié)能診斷意見。對冷水機(jī)組的實(shí)際性能進(jìn)行評價(jià)的傳統(tǒng)方法（目前普遍采用的方法）是使用COP這個(gè)性能指標(biāo)。COP是指冷量與電耗的比值，其值越高說明冷水機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性越好（越省能），反之就越差。顯然，COP很直觀地反映了冷水機(jī)組的整體運(yùn)行性能。但是這

3、種評價(jià)方法卻抹殺了不同因素的影響。舉例說：要比較分別位于北京和深圳的兩臺(tái)冷水機(jī)組的運(yùn)行性能，它們的負(fù)荷率基本相同，經(jīng)測定位于北京的冷水機(jī)組COP值要明顯高于位于深圳的冷水機(jī)組，但是我們卻不能由此推斷北京的這臺(tái)冷水機(jī)組比深圳的更節(jié)能，因?yàn)槲覀儫o法知道北京的這臺(tái)冷水機(jī)組的COP值高是因?yàn)闅夂蚴谷?，還是因?yàn)槔渌畽C(jī)組本身的性能好。如果僅僅是因?yàn)楸本┑氖彝鉂袂驕囟鹊陀谏钲?，而使得冷水機(jī)組的COP高于深圳，就不能認(rèn)為北京的這臺(tái)冷水機(jī)組更節(jié)能。不僅如此，傳統(tǒng)的COP方法在描述冷水機(jī)組性能方面也有其不足。為了進(jìn)行節(jié)能分析計(jì)算，需要對冷水機(jī)組的性能進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，目前普遍采用的方法是將COP擬合成負(fù)荷率的函數(shù)。這

4、樣實(shí)際上是認(rèn)為冷水機(jī)組的COP只與負(fù)荷率有關(guān)，而與冷水機(jī)組所處的運(yùn)行條件無關(guān)，比如冷水溫度、冷卻水溫度等。這顯然是不科學(xué)的：我們知道，冷水溫度和冷卻水溫度的高低水平直接決定了蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的高低水平，而這兩個(gè)溫度的高低又影響著制冷效率，即冷水機(jī)組COP。因此，我們有必要尋求一種更科學(xué)的描述方法，這也是本文的一個(gè)重要目的所在。2. 冷水機(jī)組運(yùn)行性能影響因素在引言中筆者指出了COP用于節(jié)能診斷的兩點(diǎn)不足，造成這兩點(diǎn)不足的根本原因都是因?yàn)闆]有區(qū)別影響冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行性能的各種因素，將它們混淆在一起。因此，要想提出更科學(xué)合理的方法就應(yīng)首先對各種影響因素進(jìn)行合理的梳理和分類。冷水機(jī)組的運(yùn)行性能不但受

5、自身因素的影響，還受其所處的運(yùn)行條件的影響，因此我們在對各種影響因素進(jìn)行分類的時(shí)候，可以先分成兩大類，即：內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素反映的是冷水機(jī)組的型式、制造水平、壓縮機(jī)的匹配、制冷劑的種類以及充裝量等；外部因素則是指冷水溫度、冷卻水溫度等影響蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的因素。具體的分類如圖所示。圖：冷水機(jī)組運(yùn)行性能影響因素分類樹圖1實(shí)際上也給出了對冷水機(jī)組進(jìn)行節(jié)能診斷的指標(biāo)體系，即我們在診斷時(shí)不能僅考慮COP，還要結(jié)合內(nèi)部因素和外部因素來分析；同樣在考察外部因素時(shí)我們也要結(jié)合蒸發(fā)溫度和冷凝溫度兩方面來考慮；如此逐層類推。只有這樣，才能對冷水機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行性能作出客觀評價(jià)，才能對圖1分類樹中的各個(gè)

6、結(jié)點(diǎn)是否存在問題作出正確判斷，從而指導(dǎo)節(jié)能實(shí)踐。需要指出的是，圖1中沒有將負(fù)荷率對冷水機(jī)組性能的影響歸入其中，這并不表示負(fù)荷率對冷水機(jī)組性能沒有影響，而是因?yàn)樨?fù)荷率的影響有其綜合性和復(fù)雜性，一般說來它的影響已經(jīng)反映到其它影響因素中去了。比如內(nèi)部因素的各種影響可以通過負(fù)荷率綜合地表示出來，在下文中將作詳細(xì)說明。3. 冷水機(jī)組運(yùn)行性能表示方法既然要考慮內(nèi)、外部因素的不同影響，自然想到將COP表示成內(nèi)、外兩個(gè)效率的積形式，即：總體效率（COP）內(nèi)部效率×外部效率（1）對于外部效率，它反映的是外部因素的影響，即蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。由此我們自然會(huì)想到用理想效率來表示，即：（2）式中：冷水機(jī)組運(yùn)

7、行外部效率，即理想COP；蒸發(fā)溫度，K；冷凝溫度，K對于內(nèi)部效率，由公式（1）我們自然想到用實(shí)際效率（COP）對理想效率（ICOP）的偏差來表示，即：（3）式中：冷水機(jī)組運(yùn)行內(nèi)部效率；DCOP反映的是冷水機(jī)組的內(nèi)部特性，與上文提到的冷水機(jī)組自身的一些因素有關(guān)，這些因素一般不易用明確的物理量來描述，工程通常的做法是將其表示成負(fù)荷率（PLR）的函數(shù)。但是，傳統(tǒng)的方法只是將COP表示成PLR的函數(shù)，筆者在引言中已經(jīng)指出了這種表示方法并不合適，更為恰當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菍COP表示成PLR的函數(shù)形式，即：（4）函數(shù)f的形式一般為多項(xiàng)式，根據(jù)冷水機(jī)組型式不同，可取不同的次數(shù)，對離心式冷水機(jī)組一般取2次，對于螺桿

8、式冷水機(jī)組則可簡單地取為1次（線性函數(shù)）。4. 應(yīng)用實(shí)例下面以表1中的D建筑為例，說明如何應(yīng)用上面的方法進(jìn)行冷水機(jī)組節(jié)能診斷的全過程。該建筑冷水機(jī)組的裝機(jī)情況如表2所示，簡便起見，在此僅討論其中的5臺(tái)大型離心式冷水機(jī)組。表2：建筑D的冷水機(jī)組裝機(jī)情況第一步：冷水機(jī)組總體效率診斷（COP）經(jīng)測定，該建筑全年（2006）的冷水機(jī)組電耗約為989萬度（此電量僅為大冷水機(jī)組電耗，且不計(jì)變壓損失），全年的耗冷量約為4097萬度，全年的綜合COP約為4.34（4097/989）。瞬時(shí)COP與PLR的散點(diǎn)關(guān)系如圖2所示，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為2006上半年，以1小時(shí)為步長（下同）。圖2：COP-PLR散點(diǎn)關(guān)系圖本工

9、程采用的是水冷式大型高壓離心式冷水機(jī)組，COP值一般較高。但從全年綜合COP（4.34）以及全年的瞬時(shí)COP分布來看，冷水機(jī)組總體效率明顯偏低，故認(rèn)為有進(jìn)一步進(jìn)行診斷的必要。第二步：內(nèi)部效率診斷（DCOP）根據(jù)公式（2）很容易求出瞬時(shí)DCOP，圖3給出了其與PLR的散點(diǎn)關(guān)系圖。圖3：DCOP-PLR散點(diǎn)關(guān)系圖比較圖3與圖2，可以看出兩圖的最大不同之處是散點(diǎn)圖型狀，圖3呈現(xiàn)出的DCOP-PLR關(guān)系是一條單調(diào)升曲線，而圖2呈現(xiàn)出的COP-PLR關(guān)系是一條凸曲線，在部分負(fù)荷下COP值最大。我們知道，冷水機(jī)組群控策略往往是根據(jù)COP-PLR關(guān)系制定，對于本例來說，這樣制定出來的策略必然是想讓冷水機(jī)組盡

10、量處于某個(gè)部分負(fù)荷率下工作。但是圖3的DCOP-PLR關(guān)系告訴我們，冷水機(jī)組滿負(fù)荷率下的內(nèi)部效率最高，冷水機(jī)組的群控策略應(yīng)該是盡量讓冷水機(jī)組處于滿負(fù)荷率下運(yùn)行。更進(jìn)一步的說，圖2揭示的只是一種假象，某個(gè)部分負(fù)荷下的冷水機(jī)組效率最高不是因?yàn)槔渌畽C(jī)組自身的特性決定的，而是因?yàn)樵谶@個(gè)部分負(fù)荷下冷水機(jī)組所處的運(yùn)行條件好（室外濕球溫度低）。冷水機(jī)組群控策略目的是盡量讓冷水機(jī)組處于最高的效率下運(yùn)行，但是外部條件（外部效率）往往不是人為可以控制的，更不是群控策略可以做好的，所以冷水機(jī)組群控策略的依據(jù)不應(yīng)該是COP，而應(yīng)該是根據(jù)冷水機(jī)組自身的特性制定，即根據(jù)本文所提出的DCOP來制定。圖4給出了該工程現(xiàn)有的策

11、略下的多臺(tái)冷水機(jī)組作為整體的COP-PLR散點(diǎn)圖，雖然從該圖中可以看出當(dāng)0.55<PLR<0.75時(shí)，似乎運(yùn)行兩臺(tái)冷水機(jī)組與運(yùn)行三臺(tái)的效率一樣，即此時(shí)無所謂運(yùn)行兩臺(tái)或三臺(tái)，但是從圖5所示的DCOP-PLR關(guān)系散點(diǎn)圖中可以看出，在此負(fù)荷率區(qū)間內(nèi)，三臺(tái)冷水機(jī)組的內(nèi)部效率明顯低于兩臺(tái)，即此時(shí)應(yīng)該運(yùn)行兩臺(tái)冷水機(jī)組，而不是運(yùn)行三臺(tái)。同樣當(dāng)0.25<PLR<0.35時(shí)，也應(yīng)該優(yōu)先運(yùn)行一臺(tái)冷水機(jī)組，而不是運(yùn)行兩臺(tái)。經(jīng)測算，若按此方法調(diào)整冷水機(jī)組群控策略，全年約可節(jié)體省電量31萬度。圖4：不同臺(tái)數(shù)冷水機(jī)組的COP-PLR散點(diǎn)關(guān)系圖圖5：不同臺(tái)數(shù)冷水機(jī)組的DCOP-PLR散點(diǎn)關(guān)系圖作為示

12、例，筆者在此處給出了應(yīng)用DCOP進(jìn)行節(jié)能診斷的一個(gè)實(shí)例，需要指出的是，DCOP的應(yīng)用絕不僅于此，隨著工程實(shí)際積累的增加，會(huì)逐漸認(rèn)識(shí)出DCOP的合理水平，從而也就能由此判斷冷水機(jī)組的一些自身特性是否存在問題，比如冷水機(jī)組制造水平如何、壓縮機(jī)與實(shí)際運(yùn)行工況是否匹配、制冷劑充裝量是否合適、是否存在內(nèi)部故障等。實(shí)際上本工程的最大問題就是壓縮機(jī)選型與實(shí)際運(yùn)行工況不匹配，但此問題不具有典型性，限于篇幅，在此不作討論。第三步：外部效率診斷（ICOP）外部效率反映的是冷水機(jī)組的運(yùn)行條件，其值越高說明冷水機(jī)組所處的運(yùn)行條件越好。圖6給出了本工程的ICOP-PLR散點(diǎn)關(guān)系圖，圖中散點(diǎn)分布呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢，這實(shí)

13、際上反映了氣溫對負(fù)荷率的影響。因負(fù)荷率隨著室外氣溫的升高而單調(diào)升高，圖中的曲線正好呈單調(diào)形狀，由此我們可以推測在本工程中影響冷水機(jī)組外部效率的主要因素是冷凝溫度，而不是蒸發(fā)溫度。事實(shí)上由于本工程的冷水溫度常年設(shè)定為7，蒸發(fā)溫度波動(dòng)小，故冷水機(jī)組外部效率的變化主要就是由于冷凝溫度引起。圖6：ICOP-PLR散點(diǎn)關(guān)系圖圖7：冷水機(jī)組冷卻側(cè)傳熱溫差示意圖冷凝溫度由冷水機(jī)組冷卻側(cè)的換熱過程決定，如圖7所示。熱量從冷水機(jī)組搬運(yùn)到室外依次經(jīng)歷三個(gè)過程：冷凝器中制冷劑冷凝熱傳給冷卻水、冷卻水將熱量從冷水機(jī)組搬運(yùn)至冷卻塔、冷卻塔中冷卻水與室外空氣換熱。相應(yīng)地存在三個(gè)換熱溫差：冷凝器換熱溫差（T1）、冷卻水供回

14、水溫差（T2）、冷卻塔換熱溫差（T3）。換熱的極限是室外濕球溫度（TS），這樣冷凝溫度就是由室外濕球溫度和以上的三個(gè)溫差決定，即：（4）除非冷卻塔所處的微氣候條件太差，室外濕球溫度只由氣象決定，我們一般無所作為。從節(jié)省冷水機(jī)組電耗的角度考慮，節(jié)能診斷的主要目標(biāo)還是要盡量降低，下面我們針對本工程實(shí)例分別討論。（1） 冷凝器換熱溫差（T1）從圖6中可以看出，雖然本工程的這幾臺(tái)型號(hào)相同的冷水機(jī)組所處的運(yùn)行環(huán)境相同（TS、T2、T3，以及蒸發(fā)溫度基本相同），但是各臺(tái)冷水機(jī)組的外部效率并不相同，由此只能認(rèn)定各臺(tái)冷水機(jī)組的冷凝器換熱溫差（T1）不同。為此我們不妨作出各臺(tái)冷水機(jī)組的冷凝器換熱溫差分布圖，如圖

15、8所示。圖8：各冷水機(jī)組冷凝器換熱溫差從圖8可以清楚地看到，各冷水機(jī)組的冷凝器換熱溫差存在較大差異，CH2的冷凝器換熱溫差最小，CH3的則最大，這正說明了為什么CH2的外部效率最高而CH3的則最低，如圖6所示。另外，還有一種更簡便的方法說明這個(gè)問題。充分的實(shí)測數(shù)據(jù)表明，冷凝溫度（Tcd）一般與冷卻水出冷水機(jī)組的溫度（T2）成線性關(guān)系，如圖9所示。從圖中可以顯然看到CH2的冷凝溫度最低，而CH3的冷凝溫度最高，這與圖6和圖8所得出的結(jié)論是一致的。圖9：Tcd-T2散點(diǎn)關(guān)系圖造成同型號(hào)且工作環(huán)境相同的冷水機(jī)組冷凝器換熱性能不一樣的原因有先天性的，也有后天性的。如果是后天性的因素，比如冷凝器結(jié)垢臟堵

16、等，則應(yīng)立即采取措施改進(jìn)之。就本例工程來說，初步認(rèn)定為先天性因素，在這種情況下應(yīng)優(yōu)先運(yùn)行換熱性能好的冷水機(jī)組。經(jīng)測算，如此調(diào)整運(yùn)行策略，年可節(jié)省冷水機(jī)組電耗約30萬度。需要指出的是：同型號(hào)的冷水機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)表現(xiàn)出不同的性能，這是工程實(shí)際中容易被忽視的一個(gè)普遍現(xiàn)象，在對冷水機(jī)組進(jìn)行節(jié)能診斷時(shí)應(yīng)引起注意。（2） 冷卻水供回水溫差（T2）冷卻水供回水溫差是影響冷凝溫度的又一重要因素，溫差越小，冷凝溫度就越低，但與此同時(shí)，水系統(tǒng)的投資以及冷卻水泵電耗就會(huì)增加，因此，冷卻水溫差必須適度，工程設(shè)計(jì)中一般取為5。但是通過圖10我們可以看到，本工程冷卻水溫差在絕大部分時(shí)間里均高于5，這說明本工程的冷卻水

17、量相對不足，為降低冷凝溫度應(yīng)適當(dāng)增加冷卻水量。對此，筆者在現(xiàn)場做過實(shí)驗(yàn)，若增開一臺(tái)冷卻水泵，則整個(gè)冷站試驗(yàn)日即可節(jié)能電量約2800kWh。經(jīng)測算，此舉全年可節(jié)省電量約14萬度。圖10：各臺(tái)冷水機(jī)組冷卻水溫差（3） 冷卻塔換熱溫差（T3）冷卻塔換熱溫差反映的是冷卻塔的換熱性能，換熱性能越好，則冷凝溫度就越低。圖11說明本工程的冷卻塔換熱效果尚可，特別是在夏季處于較好的水平，但是在冬季冷卻塔換熱溫差相對較大，存在一定的節(jié)能潛力。圖11：冷卻塔換熱溫差分布圖第四步：節(jié)能潛力模擬計(jì)算在前面的分析中多次提到了某項(xiàng)節(jié)能措施的節(jié)能量，那么這些節(jié)能量都是怎么得到的呢？這是節(jié)能診斷很重要的一步，是加深對具體問題

18、認(rèn)識(shí)的必由之路，也是節(jié)能決策的重要依據(jù)。節(jié)能潛力（量）計(jì)算的最主要依據(jù)是工程實(shí)測或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，但是實(shí)際工程的運(yùn)行條件無法重現(xiàn)，即無法進(jìn)行“改造”與“不改造”的對比實(shí)驗(yàn)，故無法從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接得到節(jié)能潛力，只能借助一定的模擬計(jì)算。為了保證可靠性，這種模擬計(jì)算的依據(jù)只能是實(shí)測數(shù)據(jù)。篇幅所限，此處不作展開論述，僅總結(jié)一下本工程模擬計(jì)算中的主要公式，并作簡要說明。（1） 冷水機(jī)組內(nèi)部效率擬合公式說明：由圖3數(shù)據(jù)擬合得到，各臺(tái)冷水機(jī)組的DCOP認(rèn)為一樣。此處的滿負(fù)荷率PLR指的是單臺(tái)冷水機(jī)組的額定制冷量。（2） 不同臺(tái)數(shù)冷水機(jī)組內(nèi)部效率擬合公式單臺(tái)：兩臺(tái)：三臺(tái)：說明：由圖5數(shù)據(jù)按擬合得到。此處的滿負(fù)荷率PLR指的是三臺(tái)冷水機(jī)組額定制冷量的和。（3） 冷水機(jī)組冷凝溫度擬合公式CH1：CH2：CH3：CH4：CH5：說明：由圖9數(shù)據(jù)擬合得到。5. 小結(jié)對冷水機(jī)組的節(jié)能診斷不能只看COP一個(gè)指標(biāo)，而是應(yīng)該綜合考慮內(nèi)部效率（DCOP）和外部效率（ICOP），以及蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、冷凝器換熱溫差、冷卻水溫差、冷卻塔換熱溫差、室外濕球溫度等多個(gè)指標(biāo)（如圖1所示）。決定冷水機(jī)組內(nèi)部特性的指標(biāo)是內(nèi)部效率（DCOP），而不是COP。將COP擬合成負(fù)荷率（PLR）的函數(shù)去分析問題的做法并不合適，正確的