本文作者：陶家順  (南京中電熊貓平板顯示科技有限公司  高級工程師)

　　摘要  離心式冷水機組廣泛應用于電子半導體廠、汽車制造廠、化纖廠等場合,由于工藝需求,冷水機組往往需要全年不間斷供冷,運行能耗巨大。冷水機組能效的影響因素眾多，研究運行工況的變化對離心冷水機組性能的影響，綜合考慮主機、水泵及冷卻塔的能耗，實現(xiàn)冷水機房的高效運行一直是空調(diào)制冷行業(yè)研究人員關注的重點所在。本文依據(jù)離心式冷水機組實際的運行記錄數(shù)據(jù)進行分析，分別對影響冷水機組性能的5個主要因素，即冷水機組負載率、冷凝器進水溫度、蒸發(fā)器出水溫度、冷凍水流量、冷卻水流量，進行了整理與分析，得出了不同運行工況下冷水機組能效的變化規(guī)律。建議日常管理運行中，應熟悉冷水機組性能，對各設備統(tǒng)籌兼顧，提升冷水機房系統(tǒng)整體能效。

　　關鍵詞  離心式冷水機組  流量 溫度  COP

　　The analysis of the performance of centrifugal chiller on different running condition

　　Taojiashun

　　(Nanjing CEC Panda FPD Technology Co.,Ltd., Nanjing 210033, China)

　　Abstract  The centrifugal chillers are widely used in semiconductor manufacturing, automobile factory, chemical fiber factory and other large engineering which with refrigerating capacity. The Chiller efficiency is greatly affected by running condition. It is difficult to accurately reflect the actual energy efficiency only with the efficiency of nominal operating condition. Because of this, industry researchers have been the focus of the study for performance of the centrifugal chiller in different running condition, to achieve efficient operation of refrigeration chiller. This article gives some conclusion from analysis of operation data of centrifugal chillers. From the five important factors affecting refrigeration chiller efficiency, this paper represents how to improve the efficiency of the refrigeration chiller. To improve energy efficiency of chiller plant, this paper suggest should be familiar with the chiller performance in daily management operation, overall considerations with other equipment in chiller plant.

　　Keywords  centrifugal chiller  performance curve  COP

　　0引言

　　壓縮式冷水機組按其壓縮形式可分為離心式、螺桿式、活塞式、渦旋式等，離心式冷水機組因其結(jié)構緊湊、單機制冷量大、占地面積少、可實現(xiàn)無級自動調(diào)節(jié)、效率高等諸多特點得到廣泛應用。在電子半導體廠、汽車制造廠、化纖廠等制冷量大的工程中，離心式冷水機組更是具有無可比擬的優(yōu)勢，這些設備運行時間長，能耗巨大。正因如此，研究運行工況的變化對離心冷水機組性能的影響，實現(xiàn)冷水機組的高效運行一直是空調(diào)制冷行業(yè)研究人員致力于突破的重點所在。

　　冷水機組的效率受到諸多因素的影響，主要因素有機組負荷率、蒸發(fā)溫度（或蒸發(fā)壓力）、冷凝溫度（或冷凝壓力）等。而蒸發(fā)溫度又與蒸發(fā)器出口溫度及冷凍水流量息息相關，冷凝溫度又與冷卻水進水溫度及冷卻水流量密切相關，同時污垢系數(shù)、不凝性氣體含量、換熱器配置等因素也會對蒸發(fā)溫度和冷凝溫度產(chǎn)生一定影響。本文試通過對離心冷水機組多年的運行數(shù)據(jù)記錄進行發(fā)掘分析，為合理控制離心式冷水機組的運行工況提出建議，從而提高能源利用率，為實現(xiàn)冷水機房的高效運行提供建議和指導。

　　1 冷水機組性能的影響因素

　　冷水機組的性能指數(shù)（COP）是指制冷水機組在特定工況下的制冷量與輸入功率之比。文獻[1]將影響冷水機組實際運行性能的因素分為兩大類，即內(nèi)部因素和外部因素。冷水機組的運行性能受其自身因素的影響，如壓縮機形式、制冷劑種類和充填量、兩器污垢系數(shù)等。除此之外，冷水機組在不同的運行工況下，性能也存在明顯差異。

　　運行工況對冷水機組COP值影響包含以下因素：冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、負荷率。冷凝溫度又取決于冷凝器流量、冷凝器進水溫度、冷凝器換熱效率（換熱溫差），蒸發(fā)溫度取決于蒸發(fā)器換熱效率（換熱溫差）、蒸發(fā)器出水溫度、蒸發(fā)器水流量。筆者在此梳理如下：

圖1 影響冷水機組性能的運行工況因素

　　《標準》[2]規(guī)定了檢測冷水機組效率的名義工況，標準規(guī)定，冷水機組蒸發(fā)器出水溫度為7°C，進出水溫差5°C，冷凝器進口溫度為30°C，進出水溫差4°C。通常在機組銘牌上所標示的COP即為國標名義工況下的效率。依據(jù)該COP值可在一定范圍比較冷水機組運行性能，但實際冷水機組運行中，運行工況千差萬別，機組整體運行性能是機組內(nèi)部特性對運行工況的反映。以下通過我廠配備的特靈CVHG1100離心式冷水機組多年來的運行數(shù)據(jù)，進行歸納整理。試圖尋找不同因素與機組性能之間的規(guī)律關系。

　　2 冷水機組負載率對性能的影響

　　我廠配備的特靈CVHG1100離心式冷水機組名義工況下的COP值為6.6。在冷卻水泵和冷凍水泵工頻運行條件下，當機組運行在如下工況，可得到不同負荷率下的冷水機機組性能特性。

　　根據(jù)上表確定的工況及機組在不同部分負荷率下COP值可繪制機組的COP特性曲線，該工況下的部分負荷性能曲線如圖2所示：

圖2 冷水機組部分負荷曲線

　　從圖2可以看到，離心式冷水機組部分負荷性能曲線隨著負載率下降，COP值緩緩升高，在75%~85%的部分負荷段，COP值達到最高，而后，隨著負載率繼續(xù)下降，COP值快速下降。曲線最高處的COP值約為滿載工況COP值的1.05倍。圖2的部分負荷性能曲線展示了離心機組的普遍性能規(guī)律，即離心式冷水機組的COP峰值往往不出現(xiàn)在滿負荷時。以市場上常見的特靈、約克、開利定頻離心主機為例，大多數(shù)的機組的最高COP往往出現(xiàn)在70%~90%的負載段（另外，也有少數(shù)機型在接近滿負載率時COP最高）。并且，值得注意的是隨著運行工況的不同，最高COP對應的負荷率（即最佳負荷率）也是動態(tài)變化的。這是因為定頻離心式冷水機組在部分負荷運行時，通過導流葉片調(diào)節(jié)、進口節(jié)流調(diào)節(jié)等方式來實現(xiàn)制冷量調(diào)節(jié)。導流葉片略微關閉時，改變了氣流進入葉片的方向，導流葉片調(diào)節(jié)在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時可使壓縮機的效率略有提高。但當導葉開度過小時，節(jié)流作用明顯增加，效率大為下降。

　　發(fā)現(xiàn)并分析冷水機組的最佳運行負荷段，合理控冷水機組加減載，對提升整個機房能效水平的重要意義不言而喻。

　　2 冷凍水出水溫度變化對冷水機組性能的影響

　　在相同冷凝溫度下，蒸發(fā)器出水溫度不同也會對冷水機組COP產(chǎn)生影響。下面通過對三條性能曲線進行分析，整理出COP值隨蒸發(fā)器出水溫度變化而變化的規(guī)律。這三條性能曲線的分別代表運行工況為：

圖3冷凍水出水溫度變化對冷水機組性能的影響

　　可以看到，冷水機組性能COP值隨著蒸發(fā)器出水溫度的提高而提高。通過對大量運行數(shù)據(jù)記錄的量化分析比較，可知蒸發(fā)器出水溫度每提升1°C，冷水機組COP提升1.5%~3%，具體提升效果與實際運行工況相關。圖3中三條冷水機組性能曲線的COP峰值均出現(xiàn)在75%~85%的負荷率。

　　提高蒸發(fā)器出水溫度可以提高冷水機組COP值是由于蒸發(fā)溫度的提高，其實質(zhì)在于壓縮機壓縮比的降低。同時，機組的制冷量以及制冷劑循環(huán)量也會發(fā)生變化。制冷循環(huán)中的制冷劑容積制冷量隨壓縮機的吸氣狀態(tài)而變，制冷循環(huán)中的制冷劑蒸氣比體積隨蒸發(fā)溫度的降低而加大。若冷凝溫度確定情況下，離心冷水機組的制冷量將隨蒸發(fā)溫度的提高而增大，冷水機組性能隨著蒸發(fā)溫度的提高而提升。

　　雖然提升冷凍水出水溫度以提升冷水機組性能的效果顯著，但是工廠工程中出于對工藝的要求，尤其半導體工廠潔凈室車間對空調(diào)溫濕度、換氣次數(shù)有嚴格的要求，冷凍水出水溫度調(diào)節(jié)范圍比較窄，這就需要具體控制中，操作人員熟悉冷機性能曲線，在保證工藝需求的前提下，盡量使冷水機組在COP峰值點運行，進一步提升冷水機組性能。而在商業(yè)樓宇建筑中，冷凍水出水溫度重置不失為有效提高空調(diào)冷水機房整體能效的重要途徑，當春秋過渡季節(jié)或夜間低負荷時段，負荷降低時，末端除濕的需求也相應降低，適當?shù)奶岣叱鏊疁囟韧瑯涌梢詽M足房間內(nèi)的溫濕度要求。

　　3 冷凝器進水溫度變化對冷水機組性能的影響

　　冷水機組的冷凝溫度由冷水機組冷卻側(cè)的換熱過程決定，熱量從冷水機組排到室外環(huán)境中，依次經(jīng)歷三個換熱過程：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組搬運至冷卻塔、冷卻塔中冷卻水與外部空氣換熱。

　　冷凝器進水溫度受到冷卻塔出力及濕球溫度的影響。下面整理出不同冷凝器進水溫度下，冷水機組性能曲線。這些性能曲線的分別代表運行工況為：

圖 4冷凝器進水溫度變化對冷水機組性能的影響

　　由圖4可知，隨著冷凝器進水溫度的降低，冷水機組COP逐漸提升，根據(jù)對已有運行記錄數(shù)據(jù)的量化統(tǒng)計分析，冷凝器進水溫度每降低1度，冷水機組COP提升2%~5%，冷水機組節(jié)能效果明顯。

　　冷凝器進水溫度對冷水機組性能影響密切，對冷凝器進水溫度的控制這也是空調(diào)冷水機房傳統(tǒng)節(jié)能措施，市場上已有許多BA廠家通過對冷卻水溫的控制取得了一定的節(jié)能效果。其原理在于冷水機組冷凝溫度的下降，當冷凝器進水溫度降低時，冷凝壓力下降，壓縮機出口氣體的焓值下降，輸入的電能降低，進而提高冷水機組COP。

　　值得一提的是，降低冷卻水溫必須以提高冷卻塔的散熱能力，而犧牲了冷卻風機及冷卻水泵的能耗。這提醒我們，實際運行管理中，不能一味追求降低冷卻水溫，當冷卻水溫降低到一定范圍時，若繼續(xù)降低冷卻水溫度，冷水機組COP提升節(jié)省的能耗不足以抵消冷卻水輸配排熱設備增加的能耗，所謂過猶不及。實際操作控制中，需要根據(jù)室外濕球溫度以及冷卻塔與冷水機組的實際配置情況，合理的調(diào)配冷水機組與冷卻水輸配排熱設備的能耗權重，以達到機房整體能效提升。

　　4 冷凍水變流量對冷水機組性能的影響

　　文獻[3]指出了冷凍水變流量控制中，常見的三種方式：I)供回水干管壓差恒定的壓差控制法，II)最不利末端環(huán)路壓差保持恒定的末端壓差控制法，III)定供回干管溫差的定溫差控制法。

　　三種變流量控制的差別在此不做討論，為研究方便，下面對冷凍水采用定溫差變流量（即上圖中T1-T2=定值）的數(shù)據(jù)，以分析冷凍水變量對冷水機組性能的影響。下面整理出冷凝器側(cè)條件相同時，蒸發(fā)器側(cè)變流量的性能曲線。這些性能曲線的分別代表運行工況為：

圖5冷凍水變流量對冷水機組性能的影響

　　從圖5可以看到，冷水機組蒸發(fā)器變流量性能曲線在部分負荷大于80%時，三條變流量的性能曲線極為接近。相比定流量運行時，冷水機組COP下降僅在0.5%以內(nèi)；在80%以下的部分負荷段，蒸發(fā)器側(cè)變流量引起冷水機組COP的下降也在3%以內(nèi)。上述結(jié)果表明當冷凝器條件一定時，冷凍水流量變化引起的冷水機組性能變化很小。

　　究其原因，一方面蒸發(fā)器側(cè)水流量的降低，導致蒸發(fā)器側(cè)換熱效率下降，這使得機組COP降低；另一方面，定溫差的變流量控制下，由于蒸發(fā)器出水溫度相同，蒸發(fā)器回水溫度的不同會引起蒸發(fā)溫度的變化，蒸發(fā)器側(cè)進出水溫度平均值在部分負荷下比定流量的蒸發(fā)器側(cè)進出水溫度平均值高，也就意味著冷水機組蒸發(fā)溫度較高,從而機組COP提高。上述兩個方面的綜合影響使得機組在不同溫差下的COP基本保持不變。

　　冷凍水泵變流量后，節(jié)省的能耗往往占到冷水機組運行能耗在3%~8%，這也肯定了冷凍水泵變流量的可行性，當滿足末端換熱除濕需求時，通過水泵變頻來調(diào)節(jié)冷凍水流量應該是流量調(diào)節(jié)的最好手段。

　　冷凍水泵變頻，近年來已有許多成功案例，通過水泵變頻來調(diào)節(jié)冷凍水流量應該是流量調(diào)節(jié)的最好手段，其水泵能耗的降低，筆者在此不多贅述，文獻[4]指出，水泵采用變頻控制后，其能耗并非如廠商所宣傳的那樣，與流量的三次方成正，功率和流量的實際關系和水泵性能曲線、管網(wǎng)曲線以及控制方式都有關系。同時還應考慮控制精度和工藝要求，進而確定冷凍水泵變頻采用定溫差控制抑或壓差控制法。

　　5 冷卻水變流量對冷水機組性能的影響

　　雖然相對于定流量的冷卻水系統(tǒng)，冷凝器變流量在冷卻水溫上具有一定的優(yōu)勢。但隨著冷卻水流量的減少，若冷卻塔出力不變，冷卻水在冷卻塔內(nèi)的熱濕交換更為充分，因此冷卻水溫會更接近濕球溫度，冷凝器進水溫度對主機性能的影響前文已作討論。但當冷凝側(cè)進水相同時，隨著冷卻水流量的減小，引起系統(tǒng)排熱量的減小和冷凝器換熱效率的下降。以下分析當冷凝器進出水溫度相同的情況下，冷卻水變流量對冷水機組性能的影響。

　　冷卻水變流量控制依據(jù)為定溫差控制（即下圖中T1-T2=定值），文獻[5]指出冷卻水流量變化的范圍主要有以下考慮：冷凝器內(nèi)換熱管的經(jīng)濟流速和冷卻水管上流量開關的限定。

　　下面整理出相同蒸發(fā)器側(cè)條件相同時，冷凝器側(cè)變流量的性能曲線。這些性能曲線的分別代表運行工況為：

圖6冷凝器變流量對冷水機組性能的影響

　　可以看到，當蒸發(fā)器側(cè)條件相同及冷凝器進水溫度一定時，冷卻水變流量對冷水機組性能影響較大。定溫差變流量控制下，隨著負載率的減少，冷水機組冷凝側(cè)的冷卻水流量逐漸減少，相對定流量運行而言，冷水機組COP下降在3%~8%。

　　與冷凍水泵類似，冷卻水泵變流量后，節(jié)省的能耗往往占到冷水機組運行能耗在3%~8%。具體節(jié)能率大小的變化方向與冷水機組COP下降的趨勢方向一致，即負載率愈小，冷卻水泵節(jié)省的能耗越多，而冷水機組COP下降的也愈厲害。

　　可見，冷卻水泵的變頻控制對冷水機組性能影響較大，冷卻水泵變頻節(jié)省的電能是否抵消了冷水機組能耗的增加后仍有富余，這是決定采用這一技術的關鍵因素。

　　文獻[5]給出了通過冷卻水泵與冷機功率的占比來確定冷卻水泵變頻的可行性依據(jù)，提出當冷卻水泵功率和冷機功率占比不低于10%，可適用冷卻水泵變流量控制。但是該結(jié)論僅基于廠家提供的標準機樣本中的部分負荷工況性能作出的計算，由此筆者認為冷水機組對冷卻水流量比較敏感，冷卻水變流量的控制工藝需更為細致謹慎，只有通過對各設備的性能的熟悉，尤其是冷水機組性能曲線，方能更好的保證冷凍機房能動態(tài)地運行在最佳效率點上實現(xiàn)最佳節(jié)能目標。

　　5 結(jié)論

　　本文分別對影響冷水機組性能的5個主要因素，即冷水機組負載率、冷凝器進水溫度、蒸發(fā)器出水溫度、蒸發(fā)器水流量、冷凝器水流量，進行了定性定量分析，得出以下結(jié)論：

　　1. 離心式冷水機組的COP峰值往往不出現(xiàn)在滿負荷時，更多情況是負載率在70%~90%時，冷水機組性能最高；

　　2. 蒸發(fā)器出水溫度每提升1°C，冷水機組COP提升1.5%~3%，在滿足末端換熱需求的前提下，適當?shù)奶岣哒舭l(fā)器出水溫度可以有效的提高機房效率；

　　3. 冷凝器進水溫度每降低1°C，冷水機組COP提升2%~5%，實際操作控制中，需要合理的調(diào)配冷水機組與冷卻水輸配排熱設備的能耗權重，以達到機房整體能效提升；

　　4. 合理的調(diào)節(jié)蒸發(fā)器水流量，可大量節(jié)省冷凍水泵能耗，不同冷凍水控制溫差下，冷水機組性能幾乎沒有差別，因此可在保證末端需求的前提下盡量降低冷凍水流量；

　　5. 冷卻水變流量對冷水機組性能影響較大，冷卻水變流量需要以充分了解冷水機組性能與冷卻水泵、冷卻塔性能為基礎。

　　6. 冷水機房內(nèi)各設備間相互影響眾多，冷水機組作為冷水機房內(nèi)最重要的設備，冷水機組節(jié)能是機房整體效率的關鍵，優(yōu)秀的機房操作與管理應以對實際設備的基本運行特性為基礎，統(tǒng)籌兼顧，從而提升機房整體能效，提高能源利用率。

　　參 考 文 獻

　　[1]  蔡宏武,魏慶芃.冷水機組運行性能評價及節(jié)能診斷[A];全國暖通空調(diào)制冷2008年學術文集[C];2008年

　　[2]  GBT 18430[1].1-2007, 蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組 第1部分工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水[S].

　　[3]  孫一堅,潘尤貴.空調(diào)水系統(tǒng)變流量節(jié)能控制(續(xù)2):變頻調(diào)速水泵的合理應用[J].暖通空調(diào), 2005, 35(10): 90-92

　　[4]  江億.用變速泵和變速風機代替調(diào)節(jié)用風閥水閥[J].暖通空調(diào),1997, 27(2): 66-71

　　[5]  陳劍,李斌.冷卻水系統(tǒng)變流量可行性研究[A]. 全國暖通空調(diào)制冷2004年學術文集[C],2004年

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