基于性能曲线的离心式冷水机组能耗分析

宁太刚 刘文浩 沈丹丹

(1.浙江大学建筑设计研究院有限公司,杭州;2.苏州爱博斯蒂低碳能源技术有限公司,苏州)

0 引言

根据中国建筑节能协会统计,2018年我国建筑运行能耗占总能源消耗的21.7%,建筑运行阶段碳排放占全国碳排放的21.9%[1];文献[2]指出,建筑空调能耗约占建筑总运行能耗的50%,其中冷水机组是影响空调能耗的关键。GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》规定:新建公共建筑平均设计能耗水平应在2016年执行的节能设计标准的基础上降低20%,碳排放强度平均降低7 kg/(m2·a)以上;建筑全年供冷和供暖总耗电量采用全年累计冷热量与冷热源系统综合性能系数进行计算,同时给出了不同建筑气候分区冷热源系统的综合性能系数取值。GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》规定,冷热源能源消耗量计算应考虑能源系统形式、效率、部分负荷特性等的影响。上述标准均针对冷热源能源消耗量计算进行了规定。GB 55015—2021给出了不同建筑气候分区冷热源系统的综合性能系数取值,由于建筑类型、建筑功能及使用条件的区别,同时空调冷负荷受压缩机类型、供回水温度、冷却水温度等内外部因素的影响,采用综合性能系数法计算冷热源能源消耗量势必存在一定的误差,而GB/T 51366—2019中并未给出具体的冷水机组运行能耗计算方法。

综上,本文对离心式冷水机组性能特性进行分析,结合市场上主流厂家提供的离心式冷水机组变工况运行能效数据进行性能曲线拟合、验证,并以杭州市某办公建筑为例采用不同计算方法对比分析冷水机组运行能耗,为类似冷水机组运行能耗计算及运行策略制定提供参考。

1 冷水机组性能特性分析

1.1 冷水机组能效影响因素

影响冷水机组能效的因素可分为内部因素和外部因素。内部因素主要涉及机组型式、压缩机性能、换热器性能、制冷剂热力学性质等。外部因素则是指机组负荷率、冷水温度、冷却水温度等影响压缩机性能的因素。由于影响因素较多,冷水机组能效计算模型数学方程阶次高,求解复杂,因此有必要对影响因素进行选择性剔除以简化计算模型,同时保持模型的稳定性和可靠性。

冷水机组的负荷率及蒸发器、冷凝器的进出水温度对压缩机能效有着直接的影响,进而影响机组能耗。其中,当冷水出水温度一定时,冷水回水温度变化对机组蒸发温度及压缩机性能系数影响较小[3],冷却水出水温度可根据机组负荷率及冷却水进口温度与冷却水流量计算得出,故本文将冷水机组负荷率、冷水出水温度、冷却水进水温度作为主要拟合变量,并根据压缩机是否变频、冷却水是否变流量设定4种运行策略,见表1。

表1 运行策略

1.2 冷水机组运行工况分析

1.2.1冷水机组不同运行工况下的性能

目前用于集中空调的离心式冷水机组主要分单级压缩、双级压缩及多级压缩制冷形式,制冷剂常见类型为R407C、R404A、R410A、R134a等。受篇幅限制,笔者主要以市场主流厂家提供的使用R134a制冷剂的双级压缩离心式冷水机组的运行数据进行分析。设定冷水系统变流量运行,冷水进出水温差为5 ℃。冷却水系统变流量运行时冷却水进出水温差为5 ℃。采用不同工况下多个型号冷水机组的COP均值作为依据,根据表1运行策略,绘制得到不同负荷率下机组性能系数随冷水出水及冷却水进水温度变化的曲线,见图1、2。

图1 冷水机组不同负荷率下性能系数随冷水出水温度的变化

图2 冷水机组不同负荷率下性能系数随冷却水进水温度的变化

1.2.2冷水机组调节性能

定频离心式冷水机组在部分负荷下运行时,通过改变导流叶片的开度控制制冷工质流量来调节机组容量输出。当导流叶片关小时,在绝大部分调节范围内,导流叶片阻碍了制冷剂的流动,从而降低了压缩机的效率,使得部分负荷时机组的制冷性能变差。当机组负荷率降低至一定幅度(如30%以下)时,控制装置将使压缩机入口导流叶片慢慢关闭,这就减少了压缩机吸入制冷剂的量,当制冷剂流量小到一定值时,压缩机的气体无法被压出,在叶轮内造成涡流,冷凝器中的高压气体会被导流至叶轮,使压缩机内的气体瞬时增加,但由于蒸发器中气体流量较小,且固定不变,以致产生气体分离。如此周而复始,就出现周期性的来回脉动气流,这种现象叫作“喘振”。有些冷水机组生产厂家为达到在较低机组负荷率下延迟喘振,经常采用热气旁通调节。当冷负荷较小、逼近喘振点时,通过开启旁通管上的电动调节阀让一部分制冷剂气体从冷凝器旁通到压缩机的吸气口,维持一定流量的制冷剂进入压缩机,这部分制冷剂在压缩机内消耗压缩机功而不制冷,严格讲,这是一个避免压缩机喘振的措施,而不能作为负荷调节的措施。图1、2中运行策略1、2冷水机组负荷率低于30%时性能发生陡降正是基于上述原因,而60%～100%负荷率区间机组效率较高。

变频离心式冷水机组在部分负荷下运行时采用变频调节,压缩机的功耗与转速的三次幂成正比,在部分负荷时通过优化电动机转速和导流叶片的开度使机组在高效区运行。机组可以实现在大部分负荷率下导流叶片全开,通过变频来控制机组加减载,确保压缩机高效运行。由图1、2中运行策略3、4可知,变频离心式冷水机组部分负荷率时的调节能力明显优于定频机组,同时随着冷水出水温度升高或冷却水进水温度降低,机组运行高效区逐渐扩大,高效点逐步趋近于50%负荷率,机组能效整体提升明显。

为直观对比4种运行策略下负荷率对冷水机组能效的影响,规定各种策略满负荷时的COP为5.8,冷水出水温度7 ℃、冷却水进水温度30 ℃时冷水机组在不同负荷率下的COP如图3所示。由图3可知,在部分负荷率下冷水机组冷却水定流量运行相比变流量运行能效均有所提升,变频压缩式冷水机相对定频冷水机组能效提升更明显。冷却水变流量运行常规控制逻辑为定温差变流量运行,冷却水定流量运行机组部分负荷率时因冷却水流量不变、换热温差减小,冷凝器出水温度降低,故对于冷水机组而言,定冷却水流量运行更为有利。但该工况由于定流量运行,冷却水泵能耗加大,故需权衡判断综合能耗。

图3 冷水机组不同运行策略下的性能系数

1.2.3温度对冷水机组性能的影响

由图1、2可知:冷水机组性能随冷水出水温度升高或冷却水进水温度降低而提升;变频冷水机组相比定频机组在冷水和冷却水温度变化时能效变化更为敏感,较低负荷率时尤为敏感,具体敏感度见表2。

表2 冷水机组随冷水出水、冷却水进水温度变化的能效敏感度

2 冷水机组能效曲线拟合

2.1 拟合公式

本文采用最小二乘法进行拟合,离心式冷水机组性能曲线拟合公式见式(1)[4]。式(1)确保了名义工况下计算结果的准确性,并且保证了名义工况下COP数值不同的冷水机组的可扩展性。以平均绝对误差E1及均方误差E2对拟合结果进行评价,具体结果见表3。

表3 冷水机组不同运行策略下的性能拟合系数及E1和E2

(1)

式中η为冷水机组运行性能系数;η0为名义工况下冷水机组性能系数;t1,0为名义工况冷水出水温度,℃,取7 ℃;t2,0为名义工况冷却水进水温度,℃,取30 ℃;n为冷水机组负荷率;k1～k8为拟合系数,见表3。

2.2 拟合验证

本文选取某工程冷水机组实际运行数据进行拟合验证。分别对该工程3台冷水机组进行验证,具体参数见表4。运行数据时间跨度为2021年9月至2022年9月,包括:室外温湿度、冷水机组输入功率、蒸发器进出口温度、冷凝器进出口温度、机组负荷率。其中,蒸发器及冷凝器进出口温差相对不固定,大部分在4～5 ℃之间波动,且不超过5 ℃,冷却水流量随负荷率的变化如图4所示,基本表现为冷却水定流量运行。

图4 冷却水流量随负荷率的变化

表4 验证用冷水机组参数

针对以上3台冷水机组的运行数据,采用式(1)及表3中的系数进行计算,预测数据与实际运行数据的误差如表5所示。随机选取部分运行数据进行验证的结果如表6所示。由表5可见,E1及E2的值与表3中对应的值较为接近,且平均相对误差较小,证明拟合有效可行。

表5 预测数据与实际运行数据误差

表6 数据验证结果

3 冷水机组运行能耗计算

目前冷水机组运行能耗的计算方法主要包括以下几种:

1) 采用IPLV值进行全年运行能耗的计算,IPLV分别采用ARI 590-98及GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》中的公式进行计算,分别记为ζA、ζG。

ζA=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D

(2)

ζG=0.012A+0.328B+0.397C+0.263D

(3)

式(2)、(3)中A为100%负荷率、冷却水进水温度30 ℃时的性能系数;B为75%负荷率、冷却水进水温度26 ℃时的性能系数;C为50%负荷率、冷却水进水温度23 ℃时的性能系数;D为25%负荷率、冷却水进水温度19 ℃时的性能系数。

2) 根据JGJ/T 288—2012《建筑能效标识技术标准》的规定,将冷负荷率划分为0～25%、25%～50%、50%～75%、75%～100%共4个部分进行计算,计算式如下:

(4)

式中Ea为全年冷水机组耗电量,kW·h;Qa～Qd分别为建筑负荷率0～25%、25%～50%、50%～75%、75%～100%区间内的累计冷负荷,kW·h;ηa～ηd分别为建筑负荷率0～25%、25%～50%、50%～75%、75%～100%区间内的机组性能系数。

3) 将全年的冷负荷进行分组计算冷水机组运行能耗。张志刚根据机组启停的不同将全年分为3个组,每个组内采用固定的COP进行计算[5];陶嘉楠等人根据每日累计建筑负荷将全年划分为10个组,并将最靠近组中平均负荷的日子定为组中典型日,以其耗电量代替组中其余天数耗电量,将典型日中不同负荷率下的机组COP视为室外湿球温度的一次函数,得到多个负荷率下的性能曲线,该研究还指出划分组数较少时误差将变得较为明显[6]。

4) 性能曲线法。采用性能曲线法计算冷水机组运行能耗一般认为其计算结果更准确,但需要较全面的机组运行数据或者厂商提供的性能曲线[7]。由上述拟合验证可知,采用本文拟合得到的性能曲线,能够在设计阶段较好地表征实际运行的冷水机组性能曲线,为能耗计算提供支持。

本文采用IPLV、JGJ/T 288—2012《建筑能效标识技术标准》、陶嘉楠等人的典型日法[6]及本文的性能曲线法分别计算某建筑冷水机组的运行能耗,并对计算结果进行对比分析。

3.1 建筑模型

建筑位于浙江省杭州市,为20层的办公建筑,高86.2 m,空调房间面积共计36 300 m2,空调系统新风比如图5所示。设计日最大冷负荷为7 000 kW,采用某能耗软件计算全年逐时冷负荷,结果如图6所示,计算日空调逐时冷负荷曲线如图7所示。设计采用2台单台制冷量为3 517 kW的离心式冷水机组,冷水系统变流量运行,冷水进出水温差为5 ℃,冷却水系统变流量运行时冷却水进出水温差为5 ℃,名义工况定频机组COP为5.908,变频机组COP为5.818。运行策略设定为当所需冷负荷达到最大冷负荷的45%时,开启2台机组,平均承担冷负荷,否则由1台机组承担全部冷负荷。

图5 建筑空调系统新风比

图6 建筑全年逐时冷负荷

图7 计算日空调逐时冷负荷

3.2 计算结果对比

冷水机组不同运行策略下的IPLV计算结果见表7。按JGJ/T 288—2012《建筑能效标识技术标准》计算的各部分累计冷负荷及不同运行策略COP见表8。在典型日法及性能曲线法计算中,冷水出水温度设定为7 ℃,冷却水进水温度受室外气象影响,本文以冷却塔逼近度4 ℃进行计算,典型日法不同负荷率对应天数的划分见图8,累计负荷及冷水机组能耗见表9,不同计算方法对应的冷水机组运行能耗见表10。

图8 典型日累计负荷率对应天数

表7 IPLV计算结果

表9 典型日累计负荷及冷水机组能耗

表10 冷水机组能耗计算结果 kW·h

表10中ζG与ζA法计算结果相比其他方法计算结果明显偏小,这主要是由于ζG、ζA法计算低负荷状态下的能耗时采用的冷却水进水温度偏低。由图9建筑空调负荷率与湿球温度的散点图及表11建筑空调负荷率对应的平均湿球温度可知,低负荷并非意味着低室外湿球温度,建筑总冷负荷占比为25%～50%时的平均湿球温度为22.2 ℃,冷却水进水温度约为26.2 ℃,而非式(2)、(3)计算中采用的23.0 ℃。出现这种现象的一个原因是杭州处于夏热冬冷地区,湿度较大;另一个原因是新风供给量的取值影响。由图7可知,新风负荷为建筑负荷的主要组成部分,而湿球温度是单位新风负荷的重要影响因素,因此图9建筑负荷率与湿球温度的散点图中显示的趋势线主要受新风供给量的影响。

图9 建筑空调负荷率与湿球温度的散点图

表11 建筑空调负荷率对应的平均湿球温度

由于JGJ/T 288—2012中给出的冷水机组能耗计算方法忽略了冷却水温度变化对主机能效的影响,对比表10中策略1～4的计算结果可知,JGJ/T 288—2012法在不同运行策略下的计算结果差异较小,说明该方法未能体现变频冷水机组的优势,同时解释了冷水机组在运行策略3、4下JGJ/T 288—2012法相比典型日法与性能曲线法运行能耗更高的原因。由于JGJ/T 288—2012法中ηa～ηd无法较好地统计核算,因此本文选取负荷率为25%、50%、75%、100%时的机组性能系数作为ηa～ηd对应的性能系数,故而在运行策略1、2下JGJ/T 288—2012法相较典型日法及性能曲线法计算结果更小。

典型日法与性能曲线法不同运行策略下的冷水机组能耗计算结果差距较小,约为3%。典型日法将冷水机组在每个负荷率下的COP视为随冷却水温度变化的一次函数,实际上冷水机组在每个负荷率下随冷却水温度变化能效提升或降低的幅度是存在一定差异的。由图2中冷水机组性能曲线疏密程度可知,冷却水温度变化对于冷水机组COP的影响不完全是线性关系,因此必须更细致地分组才能得到更精确的计算结果,这也意味着更复杂的计算过程。

4 结论

1) 离心式冷水机组冷水出水温度及冷却水进水温度的变化直接影响冷水机组的性能,冷却水温度变化敏感度高于冷水。

2) 变频离心式冷水机组相比定频离心式冷水机组对冷水出水温度或冷却水进水温度的变化更为敏感。

3) 离心式冷水机组在60%～100%负荷率时性能较好,变频机组随着冷水出水温度升高或冷却水进水温度降低高效区逐渐扩大,高效点逐步趋近于50%负荷率。

4) IPLV法规定的冷水机组冷却水进水温度与实际运行数据差异较大;JGJ/T 288—2012《建筑能效标识技术标准》规定的方法忽略了冷却水温度变化对冷水机组能效的影响;典型日法需要较多的空调冷负荷区间分组及更为复杂的计算过程。

5) 冷水机组性能曲线法能够真实地反映不同运行工况下冷水机组的运行能效。

6 展望

在设计阶段基于冷水机组的性能曲线可优化冷源配置,在满足建筑用冷需求的同时配置较优的冷源方案。至于将机组性能曲线作为寻优控制的依据,限于篇幅本文未深入分析。