广州某商场离心式冷水机组能耗分析与运行优化

陈昌宜，汪爱珍，许晓彬

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

0 引言

国家发改委联合工信部等七部委印发《绿色高效制冷行动方案》，指出开展绿色高效制冷行动，促进节能减排，应对气候变化，是我国加快生态文明建设的重要举措。方案提出到2030年，我国大型公共建筑制冷能效提升30%，因此，提升绿色高效制冷产品供给、促进绿色高效制冷消费、推进节能改造成为主要手段。

本文针对广州某大型商场集中式空调系统节能需求，以系统实际运行能耗为基础，对空调系统中主要耗能设备运行情况与能耗进行记录与分析，提出针对性改善建议［1］。

1 空调系统概况

该大型商场位于位于广州市白云区广州大道，属于商场建筑。建筑地上5层，地下1层，空调面积约35000m2。建筑的主要功能为商场、餐厅、超市等。建筑的冷冻机房位于顶层楼顶，为露天放置。冷站由3台离心式冷水机、3台冷冻泵、3台冷却泵，8台冷却塔组成。

图1 冷冻机房系统图

冷站没有自控系统，操作均通过人工完成，制冷机组采用永磁同步变频离心式冷水机，冷冻水系统为一次泵定流量系统，冷机与对应的冷冻泵、冷却泵、冷却塔连锁启停。由于各水泵定频运行，冷冻水供、回水管上设有旁通阀，因此在冷机启停状态相同时，冷冻水及冷却水的流量基本不变［2］。

根据空调系统情况，计划对节能潜力较大的冷水机组进行分析与改进，以提升系统能效［3。冷站由2台600RT，1台400RT的离心式冷水机组作为冷源，机组主要设备参数如表1所示。

表1 离心机组参数表

由于水系统为一次泵定流量系统，管路沿程阻力变化很小，因此假定在相同的冷机开启方式下，冷机的水流量不变。测量了不同冷机开启状态下的水流量，并通过冷机导出数据中的压缩机电流负载率估算冷机的电功率，选取某典型日对3#冷机的连续运行参数进行了分析。

通过图2和图3进出水温度数据对3#冷机制冷量进行估算，并结合机组内部电压与电流数据，计算压缩机功率，结果如图4所示。机组参数除部分时段蒸发温度高于水温以外，水温及压缩机功率波动趋势一致，可用于机组参数计算与合理性分析。针对蒸发温度异常问题，需要结合实际工程测试分析。

图2 3#冷机冷却水进出温度图

图3 3#冷机冷冻水进出温度图

图4 3#冷机压缩机功率与制冷量图

从图5、图6数据可以看出1#冷机COP主要分布在4.5～6.8之间，低于额定标称值。在负荷率50%-75%附近区域，机组COP与导叶开度明显分为两个部分，且机组导叶开度在负荷率较高情况下，仍然出现开度较小情况，影响整机效率。

图5 3#冷机负荷率与COP关系图

图6 3#冷机负荷率与导叶开度关系图

基于上述问题，开展空调系统测试与问题分析工作。

2 空调系统测试与问题分析

针对存在的问题，我们分析了变频离心机变频、开关导叶开度、旁通等调整负荷的方式［4］，选取了若干组典型工况，对冷机运行数据进行分析，并通过现场实测情况，调节了冷机相关参数，对比调节前后的性能。

对3#冷机典型工况下的运行情况进行测试，结果如下：

图7 3#冷机典型工况参数

此时压缩机电流负载率为93.4%，压缩机入口导叶开度为99.7%。对测试得到的参数进行能量校核，不平衡率为9.4%［5］。

表2 3#冷机典型工况能量校核

该工况下，冷冻水流量比名义工况额定流量大12%，而供水温度远高于7℃的设定值。根据蒸发温度及冷凝温度，计算得到此工况下逆卡诺循环COP为8.85，而实际COP为4.89，热力完善度为0.55，实际COP远低于额定COP。

蒸发器与冷凝器的趋近温度及换热效率如表3所示。可以看到，两器的趋近温度偏高，换热效率在55%左右。

表3 3#冷机典型工况蒸发器、冷凝器换热情况

在测试中发现，当冷机负荷升高，电流达到甚至超过额定电流时，频率达到额定频率，入口导叶全开，然而电子膨胀阀开度仍然维持在48%左右。膨胀阀开度不足会使得制冷剂流量不足，换热能力减弱。如图8（a）所示，此时从蒸发器示液镜中无法观察到制冷剂。

图8 调节前后蒸发器示液镜液位

对冷机的各项运行调节手段进行实际探究，发现压缩机频率、导叶开度等参数调节均能正常变化，而电子膨胀阀开度则不能随负荷率增大正确动作。由此初步推断，膨胀阀开度不足是导致冷机制冷量严重偏低的主要原因。

为研究电子膨胀阀开度对冷机的性能影响，对电子膨胀阀的开度进行了手动调节，并对调节后的冷机性能进行了测试，结果如下：

表4 3#冷机调节膨胀阀开度后参数

可以看到，当膨胀阀开度增大时，冷机的COP显著提升，达到6.0左右。而蒸发器示液镜的液位也显著升高，可以观察到制冷剂的存在，机组换热性能提升，见图8（b）。

从3#冷机导出数据中的蒸发温度在部分情况下与冷冻水出水温度非常接近，甚至出现了蒸发温度高于出水温度的情况，由此说明蒸发温度或冷冻水出水温度的测量出现了偏差，而机组电子膨胀阀开度依据受吸排气的过热度进行控制，偏差将会影响电子膨胀阀的调节。由于冷机面板显示的冷冻水供回水温差与管壁上安装的温度自记仪读数相近，可以判断是蒸发温度存在偏差。根据冷机面板上显示的蒸发温度进行研究，蒸发温度是由蒸发压力测定值换算得到，由此判断，导致蒸发温度显示值出现偏差的原因是蒸发压力传感器自身存在偏差，并导致电子膨胀阀控制出现偏差，开度较小。

3 结论

通过对广州某商场3台离心式冷水机组能耗分析与运行优化，可以得出以下节能改善建议：

1）冷机在高负荷工况下，电子膨胀阀开度仍然较低，制冷剂流量不足，使得蒸发器换热量远低于额定值，机组性能下降。短期内可通过调节冷机控制节流阀的阈值和修正过热度参数，使得冷机负荷率较大时膨胀阀开度增大；长期来看，需要对有关传感器及机组控制算法进行修正，使得冷机高效运行。

2）从系统层面分析，各台冷机的冷冻水、冷却水流量均比额定值大，说明水泵选型偏大，难以达到最佳额定工况点。

3）部分冷机冷凝器趋近温度较大，可能存在结垢情况，需定时清洗。