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

　　關(guān)鍵詞  離心式冷水機(jī)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(jī)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(jī)組因其結(jié)構(gòu)緊湊、單機(jī)制冷量大、占地面積少、可實(shí)現(xiàn)無級自動調(diào)節(jié)、效率高等諸多特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。在電子半導(dǎo)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(jī)組更是具有無可比擬的優(yōu)勢，這些設(shè)備運(yùn)行時(shí)間長，能耗巨大。正因如此，研究運(yùn)行工況的變化對離心冷水機(jī)組性能的影響，實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組的高效運(yùn)行一直是空調(diào)制冷行業(yè)研究人員致力于突破的重點(diǎn)所在。

　　冷水機(jī)組的效率受到諸多因素的影響，主要因素有機(jī)組負(fù)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(guān)，冷凝溫度又與冷卻水進(jìn)水溫度及冷卻水流量密切相關(guān)，同時(shí)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(jī)組多年的運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行發(fā)掘分析，為合理控制離心式冷水機(jī)組的運(yùn)行工況提出建議，從而提高能源利用率，為實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)房的高效運(yùn)行提供建議和指導(dǎo)。

　　1 冷水機(jī)組性能的影響因素

　　冷水機(jī)組的性能指數(shù)（COP）是指制冷水機(jī)組在特定工況下的制冷量與輸入功率之比。文獻(xiàn)[1]將影響冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)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(jī)組的運(yùn)行性能受其自身因素的影響，如壓縮機(jī)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(jī)組在不同的運(yùn)行工況下，性能也存在明顯差異。

　　運(yùn)行工況對冷水機(jī)組COP值影響包含以下因素：冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、負(fù)荷率。冷凝溫度又取決于冷凝器流量、冷凝器進(jìn)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(jī)組性能的運(yùn)行工況因素

　　《標(biāo)準(zhǔn)》[2]規(guī)定了檢測冷水機(jī)組效率的名義工況，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，冷水機(jī)組蒸發(fā)器出水溫度為7°C，進(jìn)出水溫差5°C，冷凝器進(jìn)口溫度為30°C，進(jìn)出水溫差4°C。通常在機(jī)組銘牌上所標(biāo)示的COP即為國標(biāo)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(jī)組運(yùn)行性能，但實(shí)際冷水機(jī)組運(yùn)行中，運(yùn)行工況千差萬別，機(jī)組整體運(yùn)行性能是機(jī)組內(nèi)部特性對運(yùn)行工況的反映。以下通過我廠配備的特靈CVHG1100離心式冷水機(jī)組多年來的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行歸納整理。試圖尋找不同因素與機(jī)組性能之間的規(guī)律關(guān)系。

　　2 冷水機(jī)組負(fù)載率對性能的影響

　　我廠配備的特靈CVHG1100離心式冷水機(jī)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(yùn)行條件下，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在如下工況，可得到不同負(fù)荷率下的冷水機(jī)機(jī)組性能特性。

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

圖2 冷水機(jī)組部分負(fù)荷曲線

　　從圖2可以看到，離心式冷水機(jī)組部分負(fù)荷性能曲線隨著負(fù)載率下降，COP值緩緩升高，在75%~85%的部分負(fù)荷段，COP值達(dá)到最高，而后，隨著負(fù)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(fù)荷性能曲線展示了離心機(jī)組的普遍性能規(guī)律，即離心式冷水機(jī)組的COP峰值往往不出現(xiàn)在滿負(fù)荷時(shí)。以市場上常見的特靈、約克、開利定頻離心主機(jī)為例，大多數(shù)的機(jī)組的最高COP往往出現(xiàn)在70%~90%的負(fù)載段（另外，也有少數(shù)機(jī)型在接近滿負(fù)載率時(shí)COP最高）。并且，值得注意的是隨著運(yùn)行工況的不同，最高COP對應(yīng)的負(fù)荷率（即最佳負(fù)荷率）也是動態(tài)變化的。這是因?yàn)槎l離心式冷水機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，通過導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)、進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)等方式來實(shí)現(xiàn)制冷量調(diào)節(jié)。導(dǎo)流葉片略微關(guān)閉時(shí)，改變了氣流進(jìn)入葉片的方向，導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)可使壓縮機(jī)的效率略有提高。但當(dāng)導(dǎo)葉開度過小時(shí)，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(jī)組的最佳運(yùn)行負(fù)荷段，合理控冷水機(jī)組加減載，對提升整個(gè)機(jī)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(jī)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(jī)組COP產(chǎn)生影響。下面通過對三條性能曲線進(jìn)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(yùn)行工況為：

圖3冷凍水出水溫度變化對冷水機(jī)組性能的影響

　　可以看到，冷水機(jī)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(yùn)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(jī)組COP提升1.5%~3%，具體提升效果與實(shí)際運(yùn)行工況相關(guān)。圖3中三條冷水機(jī)組性能曲線的COP峰值均出現(xiàn)在75%~85%的負(fù)荷率。

　　提高蒸發(fā)器出水溫度可以提高冷水機(jī)組COP值是由于蒸發(fā)溫度的提高，其實(shí)質(zhì)在于壓縮機(jī)壓縮比的降低。同時(shí)，機(jī)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(jī)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(jī)組的制冷量將隨蒸發(fā)溫度的提高而增大，冷水機(jī)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(jī)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(dǎo)體工廠潔凈室車間對空調(diào)溫濕度、換氣次數(shù)有嚴(yán)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(jī)性能曲線，在保證工藝需求的前提下，盡量使冷水機(jī)組在COP峰值點(diǎn)運(yùn)行，進(jìn)一步提升冷水機(jī)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(jī)房整體能效的重要途徑，當(dāng)春秋過渡季節(jié)或夜間低負(fù)荷時(shí)段，負(fù)荷降低時(shí)，末端除濕的需求也相應(yīng)降低，適當(dāng)?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(jìn)水溫度變化對冷水機(jī)組性能的影響

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

　　冷凝器進(jìn)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(jìn)水溫度下，冷水機(jī)組性能曲線。這些性能曲線的分別代表運(yùn)行工況為：

圖 4冷凝器進(jìn)水溫度變化對冷水機(jī)組性能的影響

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

　　冷凝器進(jìn)水溫度對冷水機(jī)組性能影響密切，對冷凝器進(jìn)水溫度的控制這也是空調(diào)冷水機(jī)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(jī)組冷凝溫度的下降，當(dāng)冷凝器進(jìn)水溫度降低時(shí)，冷凝壓力下降，壓縮機(jī)出口氣體的焓值下降，輸入的電能降低，進(jìn)而提高冷水機(jī)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(fēng)機(jī)及冷卻水泵的能耗。這提醒我們，實(shí)際運(yùn)行管理中，不能一味追求降低冷卻水溫，當(dāng)冷卻水溫降低到一定范圍時(shí)，若繼續(xù)降低冷卻水溫度，冷水機(jī)組COP提升節(jié)省的能耗不足以抵消冷卻水輸配排熱設(shè)備增加的能耗，所謂過猶不及。實(shí)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(jī)組的實(shí)際配置情況，合理的調(diào)配冷水機(jī)組與冷卻水輸配排熱設(shè)備的能耗權(quán)重，以達(dá)到機(jī)房整體能效提升。

　　4 冷凍水變流量對冷水機(jī)組性能的影響

　　文獻(xiàn)[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(jī)組性能的影響。下面整理出冷凝器側(cè)條件相同時(shí)，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(yùn)行工況為：

圖5冷凍水變流量對冷水機(jī)組性能的影響

　　從圖5可以看到，冷水機(jī)組蒸發(fā)器變流量性能曲線在部分負(fù)荷大于80%時(shí)，三條變流量的性能曲線極為接近。相比定流量運(yùn)行時(shí)，冷水機(jī)組COP下降僅在0.5%以內(nèi)；在80%以下的部分負(fù)荷段，蒸發(fā)器側(cè)變流量引起冷水機(jī)組COP的下降也在3%以內(nèi)。上述結(jié)果表明當(dāng)冷凝器條件一定時(shí)，冷凍水流量變化引起的冷水機(jī)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(dǎo)致蒸發(fā)器側(cè)換熱效率下降，這使得機(jī)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(jìn)出水溫度平均值在部分負(fù)荷下比定流量的蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)出水溫度平均值高，也就意味著冷水機(jī)組蒸發(fā)溫度較高,從而機(jī)組COP提高。上述兩個(gè)方面的綜合影響使得機(jī)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(jī)組運(yùn)行能耗在3%~8%，這也肯定了冷凍水泵變流量的可行性，當(dāng)滿足末端換熱除濕需求時(shí)，通過水泵變頻來調(diào)節(jié)冷凍水流量應(yīng)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(yīng)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(xiàn)[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(shí)際關(guān)系和水泵性能曲線、管網(wǎng)曲線以及控制方式都有關(guān)系。同時(shí)還應(yīng)考慮控制精度和工藝要求，進(jìn)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(jī)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(jìn)水溫度對主機(jī)性能的影響前文已作討論。但當(dāng)冷凝側(cè)進(jìn)水相同時(shí)，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(dāng)冷凝器進(jìn)出水溫度相同的情況下，冷卻水變流量對冷水機(jī)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(xiàn)[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(jì)流速和冷卻水管上流量開關(guān)的限定。

　　下面整理出相同蒸發(fā)器側(cè)條件相同時(shí)，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(yùn)行工況為：

圖6冷凝器變流量對冷水機(jī)組性能的影響

　　可以看到，當(dāng)蒸發(fā)器側(cè)條件相同及冷凝器進(jìn)水溫度一定時(shí)，冷卻水變流量對冷水機(jī)組性能影響較大。定溫差變流量控制下，隨著負(fù)載率的減少，冷水機(jī)組冷凝側(cè)的冷卻水流量逐漸減少，相對定流量運(yùn)行而言，冷水機(jī)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(jī)組運(yùn)行能耗在3%~8%。具體節(jié)能率大小的變化方向與冷水機(jī)組COP下降的趨勢方向一致，即負(fù)載率愈小，冷卻水泵節(jié)省的能耗越多，而冷水機(jī)組COP下降的也愈厲害。

　　可見，冷卻水泵的變頻控制對冷水機(jī)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(jī)組能耗的增加后仍有富余，這是決定采用這一技術(shù)的關(guān)鍵因素。

　　文獻(xiàn)[5]給出了通過冷卻水泵與冷機(jī)功率的占比來確定冷卻水泵變頻的可行性依據(jù)，提出當(dāng)冷卻水泵功率和冷機(jī)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)樣本中的部分負(fù)荷工況性能作出的計(jì)算，由此筆者認(rèn)為冷水機(jī)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(xì)致謹(jǐn)慎，只有通過對各設(shè)備的性能的熟悉，尤其是冷水機(jī)組性能曲線，方能更好的保證冷凍機(jī)房能動態(tài)地運(yùn)行在最佳效率點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能目標(biāo)。

　　5 結(jié)論

　　本文分別對影響冷水機(jī)組性能的5個(gè)主要因素，即冷水機(jī)組負(fù)載率、冷凝器進(jìn)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(jìn)行了定性定量分析，得出以下結(jié)論：

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

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

　　3. 冷凝器進(jìn)水溫度每降低1°C，冷水機(jī)組COP提升2%~5%，實(shí)際操作控制中，需要合理的調(diào)配冷水機(jī)組與冷卻水輸配排熱設(shè)備的能耗權(quán)重，以達(dá)到機(jī)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(jī)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(jī)組性能影響較大，冷卻水變流量需要以充分了解冷水機(jī)組性能與冷卻水泵、冷卻塔性能為基礎(chǔ)。

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

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　[1]  蔡宏武,魏慶芃.冷水機(jī)組運(yùn)行性能評價(jià)及節(jié)能診斷[A];全國暖通空調(diào)制冷2008年學(xué)術(shù)文集[C];2008年

　　[2]  GBT 18430[1].1-2007, 蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)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(jiān),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(yīng)用[J].暖通空調(diào), 2005, 35(10): 90-92

　　[4]  江億.用變速泵和變速風(fēng)機(jī)代替調(diào)節(jié)用風(fēng)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(xué)術(shù)文集[C],2004年

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