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，實現冷水機房的高效運行一直是空調制冷行業研究人員關注的重點所在。本文依據離心式冷水機組實際的運行記錄數據進行分析，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律。建議日常管理運行中，應熟悉冷水機組性能，對各設備統籌兼顧，提升冷水機房系統整體能效。
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構緊湊、單機制冷量大、占地面積少、可實現無級自動調節、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，實現冷水機組的高效運行一直是空調制冷行業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、蒸發溫度（或蒸發壓力）、冷凝溫度（或冷凝壓力）等。而蒸發溫度又與蒸發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、不凝性氣體含量、換熱器配置等因素也會對蒸發溫度和冷凝溫度產生一定影響。本文試通過對離心冷水機組多年的運行數據記錄進行發掘分析，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（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），蒸發溫度取決于蒸發器換熱效率（換熱溫差）、蒸發器出水溫度、蒸發器水流量。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]規定了檢測冷水機組效率的名義工況，標準規定，冷水機組蒸發器出水溫度為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據，進行歸納整理。試圖尋找不同因素與機組性能之間的規律關系。
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。
|
蒸發器側 |
冷凝器側 |
|
定流量，出水溫度：7°C |
定流量，進水溫度：30°C |
根據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律，即離心式冷水機組的COP峰值往往不出現在滿負荷時。以市場上常見的特靈、約克、開利定頻離心主機為例，大多數的機組的最高COP往往出現在70%~90%的負載段（另外，也有少數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，通過導流葉片調節、進口節流調節等方式來實現制冷量調節。導流葉片略微關閉時，改變了氣流進入葉片的方向，導流葉片調節在一定范圍內調節時可使壓縮機的效率略有提高。但當導葉開度過小時，節流作用明顯增加，效率大為下降。
發現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，蒸發器出水溫度不同也會對冷水機組COP產生影響。下面通過對三條性能曲線進行分析，整理出COP值隨蒸發器出水溫度變化而變化的規律。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值隨著蒸發器出水溫度的提高而提高。通過對大量運行數據記錄的量化分析比較，可知蒸發器出水溫度每提升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峰值均出現在75%~85%的負荷率。
提高蒸發器出水溫度可以提高冷水機組COP值是由于蒸發溫度的提高，其實質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量也會發生變化。制冷循環中的制冷劑容積制冷量隨壓縮機的吸氣狀態而變，制冷循環中的制冷劑蒸氣比體積隨蒸發溫度的降低而加大。若冷凝溫度確定情況下，離心冷水機組的制冷量將隨蒸發溫度的提高而增大，冷水機組性能隨著蒸發溫度的提高而提升。
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溫濕度、換氣次數有嚴格的要求，冷凍水出水溫度調節范圍比較窄，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。而在商業樓宇建筑中，冷凍水出水溫度重置不失為有效提高空調冷水機房整體能效的重要途徑，當春秋過渡季節或夜間低負荷時段，負荷降低時，末端除濕的需求也相應降低，適當的提高出水溫度同樣可以滿足房間內的溫濕度要求。
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的換熱過程決定，熱量從冷水機組排到室外環境中，依次經歷三個換熱過程：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：
|
蒸發器側 |
冷凝器側 |
|
定流量，出水溫度：7°C |
定流量，進水溫度：20°C、22°C、24°C、26°C、28°C、30°C、32°C |
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，根據對已有運行記錄數據的量化統計分析，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冷水機房傳統節能措施，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，若繼續降低冷卻水溫度，冷水機組COP提升節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）的數據，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條件相同時，蒸發器側變流量的性能曲線。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；在80%以下的部分負荷段，蒸發器側變流量引起冷水機組COP的下降也在3%以內。上述結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，一方面蒸發器側水流量的降低，導致蒸發器側換熱效率下降，這使得機組COP降低；另一方面，定溫差的變流量控制下，由于蒸發器出水溫度相同，蒸發器回水溫度的不同會引起蒸發溫度的變化，蒸發器側進出水溫度平均值在部分負荷下比定流量的蒸發器側進出水溫度平均值高，也就意味著冷水機組蒸發溫度較高,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，通過水泵變頻來調節冷凍水流量應該是流量調節的最好手段。
冷凍水泵變頻，近年來已有許多成功案例，通過水泵變頻來調節冷凍水流量應該是流量調節的最好手段，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，冷凝器變流量在冷卻水溫上具有一定的優勢。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。但當冷凝側進水相同時，隨著冷卻水流量的減小，引起系統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：冷凝器內換熱管的經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器側條件相同時，冷凝器側變流量的性能曲線。這些性能曲線的分別代表運行工況為：
|
蒸發器側 |
冷凝器側 |
|
定流量，出水溫度：7°C |
進水溫度:30°C，定4度溫差變流量 |
|
|
進水溫度:30°C，定5度溫差變流量 |
|
|
進水溫度:30°C，定6度溫差變流量 |
圖6冷凝器變流量對冷水機組性能的影響
可以看到，當蒸發器側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，節省的能耗往往占到冷水機組運行能耗在3%~8%。具體節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，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地運行在最佳效率點上實現最佳節能目標。
5 結論
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、蒸發器出水溫度、蒸發器水流量、冷凝器水流量，進行了定性定量分析，得出以下結論：
1. 離心式冷水機組的COP峰值往往不出現在滿負荷時，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，適當的提高蒸發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. 合理的調節蒸發器水流量，可大量節省冷凍水泵能耗，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. 冷水機房內各設備間相互影響眾多，冷水機組作為冷水機房內最重要的設備，冷水機組節能是機房整體效率的關鍵，優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能診斷[A];全國暖通空調制冷2008年學術文集[C];2008年
[2] GBT 18430[1].1-2007, 蒸氣壓縮循環冷水(熱泵)機組 第1部分工業或商業用及類似用途的冷水[S].
[3] 孫一堅,潘尤貴.空調水系統變流量節能控制(續2):變頻調速水泵的合理應用[J].暖通空調, 2005, 35(10): 90-92
[4] 江億.用變速泵和變速風機代替調節用風閥水閥[J].暖通空調,1997, 27(2): 66-71
[5] 陳劍,李斌.冷卻水系統變流量可行性研究[A]. 全國暖通空調制冷2004年學術文集[C],2004年
本文為中華顯示網原創文章，轉載請注明出處：http://m.guanshang.com.cn/news/32910.html，違者必究！
關注我們
公眾號：china_tp
微信名稱：亞威資訊
顯示行業頂級新媒體
掃一掃即可關注我們
