高效变频螺杆机在制冷机房中的应用能效分析

卓明胜1,，王升*1,，韩广宇，何玉雪

（1-空调设备及系统运行节能国家重点实验室，广东珠海 519070；2-珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

0 引言

“十三五”规划是国家重点发展中心城市的重要时期，随着人口向大都市集聚，城市轨道交通作为中心城市、都市圈的基础，也迎来了爆发式的增长。国家发改委2019年2月发布的《关于培育发展现代化都市圈的指导意见》[1-4]提出，要大力发展都市圈市域（郊）铁路，都市圈逐步同城化，这对中央空调的发展又是一个契机。清华大学发表《中国建筑节能年度发展研究报告 2018》中指出，在2016年供冷季对5座城市40余座典型车站进行了现场测试[5]，得到冷机COP实测值大多处于3～5之间，若考虑冷却水泵和冷却塔耗电后，制冷机房综合能效（Energy Efficiency Ratio，EER）小于3.5，能效偏低。因此，提升制冷机房运行能效对轨道交通空调系统节能具有重要意义。

目前在轨道交通行业中，地铁车站制冷机房主机多采用螺杆式冷水机组，随着地铁站空调系统能效需求的逐年提高，更多高效节能的螺杆式冷水机组应运而生。2018年推出永磁同步变频螺杆式冷水机组[6]，该机组采用半封闭永磁同步变频螺杆式压缩、高效降膜式换热器、全工况宽范围转速-容积协同设计、高效双侧驱动转子型线和永磁同步变频电机等关键技术，全工况能效水平明显提升。

本文基于DeST软件和冷水机组全工况性能曲线，采用逐时能耗模拟方法，对比研究了常规定频螺杆式冷水机组与永磁同步变频螺杆式冷水机组的运行能效，这对提升地铁车站制冷机房能效具有重要意义。

1 研究方法

本文基于由清华大学开发的建筑负荷模拟软件DeST[7-11]和冷水机组全工况性能曲线，通过全年逐时能耗模拟的方法，对主机为常规定频螺杆式冷水机组和永磁同步变频螺杆式冷水机组的制冷机房分别进行全年能耗模拟分析，通过典型日、逐月和全年3个方面，对两种制冷机房的运行能效进行对比。

2 工程概况及负荷分析

2.1 工程概况

本工程位于武汉核心区的某地铁车站，总建筑面积约为15,000 m2，地下两层。建筑主要功能有站厅和站台等。地铁站空调系统分为空调大系统和空调小系统两部分。其中，地铁车站站厅和站台公共区空调系统统称为空调大系统，地铁车站设备管理用房空调系统统称为空调小系统。空调大系统的作用主要是为乘客在公共区域提供舒适、安全和卫生的过渡性环境，空调小系统的作用主要是为车站工作人员提供安全舒适的工作环境以及为车站设备提供适宜的运行环境。为了研究螺杆式冷水机组的运行能效，本文仅讨论空调大系统情况，具体的空调大系统室内设计参数如表1所示。

表1 空调大系统室内设计参数

2.2 建筑负荷模拟

基于DeST软件建立的地铁站空调大系统模型以及室内外设计参数，对其负荷进行逐时模拟计算。图1所示为地铁车站客流比例随时间的变化。图2所示为武汉设计日的冷负荷和湿球温度随时间的变化。空调冷负荷计算结果为：设计日空调最大时刻冷负荷为1,614 kW，设计日总冷负荷为21,232 kW·h。由于早7:00—8:00和下午17:00分别是人员上班和下班的高峰时段，地铁站停留人员密集，因而负荷出现两个高峰。

图1 地铁车站客流比例图比例随时间的变化

图2 设计日湿球温度及空调逐时冷负荷

3 方案设计

冷水机组和制冷机房能效的评估，需要计算冷水机组性能系数（Coefficient of Performance，COP），冷水机组耗电量、制冷机房耗电量以及制冷机房系统综合EER等参数。COP指冷水机组制备的冷量与冷水机组能耗之比。EER指空调系统制备的总冷量与制冷机房总能耗之比。制冷机房总能耗包含冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机的耗电量[12-16]。

为了研究不同螺杆式冷水机组的能效及能耗情况，本文采用2台相同额定制冷量为749.4 kW的冷水机组进行仿真模拟。表2所示为模拟计算时所采用的两种螺杆式冷水机组类型的主要参数。

表2 空调系统方案主要参数

图3所示为冷冻水出水温度T0=7℃时，不同冷却水进水温度T工况下，定频螺杆式冷水机组和永磁同步变频螺杆式冷水机组 COP随负荷率的变化。表3所示为机组在不同月份的运行工况。

图3 机组性能曲线图

表3 机组运行工况

4 仿真结果

4.1 典型日情况

图4所示为冷水机组性能参数随时间的变化。

图4 典型日逐时能效和逐时耗电量

由图4(a)可知，两种冷水机组均在早高峰期时段的机组运行能效较高，下午时段略低，随后COP或EER呈现波动平稳的趋势。与定频螺杆式冷水机组相比，永磁同步变频螺杆式冷水机组的 COP和系统逐时综合EER较高。由图4(b)可知，两种冷水机组的耗电量均呈现先上升后下降，波动上升再下降。在7:00—8:00和17:00两个客流高峰时段，设备耗电量相继出现两个高峰。对于主机和系统，与定频螺杆式冷水机组相比，永磁同步变频螺杆式冷水机组的耗电量较小。

4.2 逐月情况

表4所示为冷水机组从5月至9月的逐月单位面积制冷量。

表4 逐月制单位面积制冷量

其中 5月的单位面积制冷量最低，制冷量为14 (kW·h)/m2；7月份的单位面积制冷量最高，制冷量为39 (kW·h)/m2。整个机组系统运行期间，整体上单位制冷量呈现出先增加后降低的趋势。

表5和表6所示为定频和变频螺杆式冷水机组制冷机房分项能耗。图6所示为两种冷水机组的逐月机组的性能参数的变化。由图6(a)可知，同一月份时，从机组考虑，与定频螺杆式冷水机组相比，永磁同步变频螺杆式冷水机组的 COP较高；从系统考虑，与定频螺杆式冷水机组相比，永磁同步变频螺杆式冷水机组的EER较高。在过渡季，永磁同步变频螺杆式冷水机组节能效果更明显，5月份的制冷机房节能率达到40%。图6(b)中，整个机组运行期间，同一月份定频螺杆式冷水机组的机组耗电量和系统耗电量均比永磁同步变频螺杆式冷水机组高。

表5 主机为定频螺杆式冷水机组的制冷机房分项能耗汇总

表6 主机为永磁同步变频螺杆式冷水机组的制冷机房分项能耗汇总

4.3 全年冷水机组和制冷机房参数

表7所示为全年仿真结果。由表7可知，使用永磁同步变频螺杆式冷水机组的全年 COP较高为7.9；定频螺杆式冷水机组COP较低为5.3。永磁同步变频螺杆式冷水机组的单位面积耗电量较低，为17.5 (kW·h)/m2；定频螺杆式冷水机组的单位面积耗电量较高，为26.4 (kW·h)/m2。永磁同步变频螺杆式冷水机组相对于定频螺杆式冷水机组的节能率为33.7%。可以看出在制取同样制冷量的前提下，永磁同步变频螺杆式冷水机组的节能效果明显。主机为永磁同步变频螺杆式冷水机组的全年制冷机房EER较高，机组EER=6.1；主机为定频螺杆式冷水机组的EER较低，为4.5。主机为永磁同步变频螺杆式冷水机组的制冷机房单位面积耗电量较低，为22.6 (kW·h)/m2；定频螺杆式冷水机组的单位面积耗电量较高，为31.2 (kW·h)/m2。永磁同步变频螺杆式冷水机组相对于定频螺杆式冷水机组的节能率为27.5%。可以看出在制取同样制冷量的前提下，应用永磁同步变频螺杆式冷水机组的制冷机房节能效果明显。

图6 逐月能效和单位面积耗电量

表7 全年仿真结果

表8所示为全年制冷机房各设备能耗占比。由表7可知，主机为永磁同步变频螺杆式冷水机组的制冷机房主机能耗占比相对于定频螺杆式冷水机组降低了7.3%，而其余设备能耗占比相对于定频螺杆式冷水机组略微偏高了7.3%。在本文中，水泵、冷却塔和末端等设备尚未按照高效冷站进行全面优化[17-21]，如果进行系统全面优化，制冷机房系统能效尚存在一定的提升空间。

表8 全年制冷机房各设备能耗占比

5 结论

本文研究了高效变频螺杆机在制冷机房中的应用能效，采用逐时能耗模拟方法，得到如下结论：

1）从全年地铁站制冷机房的能耗仿真结果来看，在只考虑冷水机组情况下，永磁同步变频螺杆式冷水机组的机组COP较高，达到7.9，相对于主机为定频螺杆式冷水机组的节能率为33.7%；因此永磁同步变频螺杆式冷水机组更加节能；

2）典型日、逐月和全年 3种方案的能效和能耗规律一致，在制取相同制冷量的情况下，主机为永磁同步变频螺杆式冷水机组的制冷机房综合能效比较高，达到 6.1，相对于主机为定频螺杆式冷水机组的全年系统节能率为27.5%；

3）在5月和9月过渡季节时，主机为永磁同步变频螺杆式冷水机组的制冷机房的节能效果更明显。