冷水機組運行性能評價及節(jié)能診斷

冷水機組運行性能評價及節(jié)能診斷清華大學建筑技術科學系蔡宏武魏慶芃摘要：本文指出了目前用COP作為單一指標評價冷水機組運行性能及進行節(jié)能診斷時的不足，在此基礎上，提出應將多方面因素綜合起來評價冷水機組的運行性能；提出了影響冷水機組運行性能的各種因素的分類方法；指出冷水機組節(jié)能診斷應從內(nèi)、外兩個方面著手，給出了內(nèi)部效率（DCOP）和外部效率（ICOP）的概念，并進一步分析了這兩個效率各自的影響因素及其在節(jié)能診斷中的應用；重點是將本文提出的新觀點和方法應用到工程實際中去，示例性地給出了對冷水機組進行節(jié)能診斷的全過程。關鍵詞：冷水機組COP內(nèi)部效率（DCOP）外部效率（ICOP）節(jié)能診斷引言大型公共建筑節(jié)能的最主要任務是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能，冷水機組作為空調(diào)系統(tǒng)的最主要用能部分，對其進行節(jié)能診斷的意義不言而喻。表1給出了筆者實測的幾棟建筑的冷水機組能耗情況。表1：冷水機組能耗典型數(shù)據(jù)冷水機組的節(jié)能診斷問題，實際上就是對冷水機組的運行性能進行科學評價的問題。有了科學的評價，分析清楚影響冷水機組性能的各種因素，自然就能提出科學的節(jié)能診斷意見。對冷水機組的實際性能進行評價的傳統(tǒng)方法（目前普遍采用的方法）是使用COP這個性能指標。COP是指冷量與電耗的比值，其值越高說明冷水機組運行的經(jīng)濟性越好（越省能），反之就越差。顯然，COP很直觀地反映了冷水機組的整體運行性能。但是這種評價方法卻抹殺了不同因素的影響。舉例說：要比較分別位于北京和深圳的兩臺冷水機組的運行性能，它們的負荷率基本相同，經(jīng)測定位于北京的冷水機組COP值要明顯高于位于深圳的冷水機組，但是我們卻不能由此推斷北京的這臺冷水機組比深圳的更節(jié)能，因為我們無法知道北京的這臺冷水機組的COP值高是因為氣候使然，還是因為冷水機組本身的性能好。如果僅僅是因為北京的室外濕球溫度低于深圳，而使得冷水機組的COP高于深圳，就不能認為北京的這臺冷水機組更節(jié)能。不僅如此，傳統(tǒng)的COP方法在描述冷水機組性能方面也有其不足。為了進行節(jié)能分析計算，需要對冷水機組的性能進行數(shù)學描述，目前普遍采用的方法是將COP擬合成負荷率的函數(shù)。這樣實際上是認為冷水機組的COP只與負荷率有關，而與冷水機組所處的運行條件無關，比如冷水溫度、冷卻水溫度等。這顯然是不科學的：我們知道，冷水溫度和冷卻水溫度的高低水平直接決定了蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的高低水平，而這兩個溫度的高低又影響著制冷效率，即冷水機組COP。因此，我們有必要尋求一種更科學的描述方法，這也是本文的一個重要目的所在。冷水機組運行性能影響因素在引言中筆者指出了COP用于節(jié)能診斷的兩點不足，造成這兩點不足的根本原因都是因為沒有區(qū)別影響冷水機組實際運行性能的各種因素，將它們混淆在一起。因此，要想提出更科學合理的方法就應首先對各種影響因素進行合理的梳理和分類。冷水機組的運行性能不但受自身因素的影響，還受其所處的運行條件的影響，因此我們在對各種影響因素進行分類的時候，可以先分成兩大類，即：內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素反映的是冷水機組的型式、制造水平、壓縮機的匹配、制冷劑的種類以及充裝量等；外部因素則是指冷水溫度、冷卻水溫度等影響蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的因素。具體的分類如圖1所示。?底..狙丘二.性|1「?水?底..狙丘二.性|1「?水機蛔型式制造水平內(nèi)部因素GF湄機匹配制冷機劑種類■及充裝量L蒸發(fā)器椀熱效率冷戳器模熱溫差）室外濕珠溫度:』?.!-??："壽底V.：?%.二攜共心〔冷印塔梅愚溫差J冷糖器椀劍效率冷卻水供回溫是〔冷展羿挽熱溫差泌卻就蜃］圖1：冷水機組運行性能影響因素分類樹圖1實際上也給出了對冷水機組進行節(jié)能診斷的指標體系，即我們在診斷時不能僅考慮COP，還要結合內(nèi)部因素和外部因素來分析；同樣在考察外部因素時我們也要結合蒸發(fā)溫度和冷凝溫度兩方面來考慮；如此逐層類推。只有這樣，才能對冷水機組的實際運行性能作出客觀評價，才能對圖1分類樹中的各個結點是否存在問題作出正確判斷，從而指導節(jié)能實踐。需要指出的是，圖1中沒有將負荷率對冷水機組性能的影響歸入其中，這并不表示負荷率對冷水機組性能沒有影響，而是因為負荷率的影響有其綜合性和復雜性，一般說來它的影響已經(jīng)反映到其它影響因素中去了。比如內(nèi)部因素的各種影響可以通過負荷率綜合地表示出來，在下文中將作詳細說明。冷水機組運行性能表示方法既然要考慮內(nèi)、外部因素的不同影響，自然想到將COP表示成內(nèi)、外兩個效率的積形式，即：總體效率（COP）=內(nèi)部效率X外部效(1)對于外部效率，它反映的是外部因素的影響，即蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。由此我們自然會想到用理想效率來表示，即:ICOP=ICOP=（2）式中:1COP——冷水機組運行外部效率，即理想COP；——蒸發(fā)溫度，K；——冷凝溫度，K對于內(nèi)部效率，由公式（1）我們自然想到用實際效率（COP）對理想效率（ICOP）的偏差來表示，即:DCOP-COPICOPDCOP-COPICOP式中:DCOP冷水機組運行內(nèi)部效率；DCOP反映的是冷水機組的內(nèi)部特性，與上文提到的冷水機組自身的一些因素有關，這些因素一般不易用明確的物理量來描述，工程通常的做法是將其表示成負荷率（PLR）的函數(shù)。但是，傳統(tǒng)的方法只是將COP表示成PLR的函數(shù)，筆者在引言中已經(jīng)指出了這種表示方法并不合適，更為恰當?shù)姆椒ㄊ菍COP表示成PLR的函數(shù)形式，即：DCOP=f（PLR）（4）函數(shù)f的形式一般為多項式，根據(jù)冷水機組型式不同，可取不同的次數(shù)，對離心式冷水機組一般取2次，對于螺桿式冷水機組則可簡單地取為1次（線性函數(shù)）。應用實例下面以表1中的D建筑為例，說明如何應用上面的方法進行冷水機組節(jié)能診斷的全過程。該建筑冷水機組的裝機情況如表2所示，簡便起見，在此僅討論其中的5臺大型離心式冷水機組。表2：建筑D的冷水機組裝機情況第一步：冷水機組總體效率診斷（COP）經(jīng)測定，該建筑全年（2006）的冷水機組電耗約為989萬度（此電量僅為大冷水機組電耗，且不計變壓損失），全年的耗冷量約為4097萬度，全年的綜合COP約為4.34（4097/989）。瞬時COP與PLR的散點關系如圖2所示，數(shù)據(jù)采樣時間為2006上半年，以1小時為步長（下同）。PLH圖2：COP-PLR散點關系圖本工程采用的是水冷式大型高壓離心式冷水機組，COP值一般較高。但從全年綜合COP（4.34）以及全年的瞬時COP分布來看，冷水機組總體效率明顯偏低，故認為有進一步進行診斷的必要。第二步：內(nèi)部效率診斷（DCOP）根據(jù)公式（2）很容易求出瞬時DCOP，圖3給出了其與PLR的散點關系圖。圖3：DCOP-PLR散點關系圖比較圖3與圖2,可以看出兩圖的最大不同之處是散點圖型狀，圖3呈現(xiàn)出的DCOP-PLR關系是一條單調(diào)升曲線，而圖2呈現(xiàn)出的COP-PLR關系是一條凸曲線，在部分負荷下COP值最大。我們知道，冷水機組群控策略往往是根據(jù)COP-PLR關系制定，對于本例來說，這樣制定出來的策略必然是想讓冷水機組盡量處于某個部分負荷率下工作。但是圖3的DCOP-PLR關系告訴我們，冷水機組滿負荷率下的內(nèi)部效率最高，冷水機組的群控策略應該是盡量讓冷水機組處于滿負荷率下運行。更進一步的說，圖2揭示的只是一種假象，某個部分負荷下的冷水機組效率最高不是因為冷水機組自身的特性決定的，而是因為在這個部分負荷下冷水機組所處的運行條件好（室外濕球溫度低）。冷水機組群控策略目的是盡量讓冷水機組處于最高的效率下運行，但是外部條件（外部效率）往往不是人為可以控制的，更不是群控策略可以做好的，所以冷水機組群控策略的依據(jù)不應該是COP，而應該是根據(jù)冷水機組自身的特性制定，即根據(jù)本文所提出的DCOP來制定。圖4給出了該工程現(xiàn)有的策略下的多臺冷水機組作為整體的COP-PLR散點圖，雖然從該圖中可以看出當0.55<PLR<0.75時，似乎運行兩臺冷水機組與運行三臺的效率一樣，即此時無所謂運行兩臺或三臺，但是從圖5所示的DCOP-PLR關系散點圖中可以看出，在此負荷率區(qū)間內(nèi)，三臺冷水機組的內(nèi)部效率明顯低于兩臺，即此時應該運行兩臺冷水機組，而不是運行三臺。同樣當0.25<PLR<0.35時，也應該優(yōu)先運行一臺冷水機組，而不是運行兩臺。經(jīng)測算，若按此方法調(diào)整冷水機組群控策略，全年約可節(jié)體省電量31萬度。圖4：不同臺數(shù)冷水機組的COP-PLR散點關系圖DChlIihBZifli-ia.l4、0.4a.Id#-0_to女-d.fiLdFLH圖5：不同臺數(shù)冷水機組的DCOP-PLR散點關系圖作為示例，筆者在此處給出了應用DCOP進行節(jié)能診斷的一個實例，需要指出的是，DCOP的應用絕不僅于此，隨著工程實際積累的增加，會逐漸認識出DCOP的合理水平，從而也就能由此判斷冷水機組的一些自身特性是否存在問題，比如冷水機組制造水平如何、壓縮機與實際運行工況是否匹配、制冷劑充裝量是否合適、是否存在內(nèi)部故障等。實際上本工程的最大問題就是壓縮機選型與實際運行工況不匹配，但此問題不具有典型性，限于篇幅，在此不作討論。第三步：外部效率診斷（ICOP）外部效率反映的是冷水機組的運行條件，其值越高說明冷水機組所處的運行條件越好。圖6給出了本工程的ICOP-PLR散點關系圖，圖中散點分布呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢，這實際上反映了氣溫對負荷率的影響。因負荷率隨著室外氣溫的升高而單調(diào)升高，圖中的曲線正好呈單調(diào)形狀，由此我們可以推測在本工程中影響冷水機組外部效率的主要因素是冷凝溫度，而不是蒸發(fā)溫度。事實上由于本工程的冷水溫度常年設定為7°C，蒸發(fā)溫度波動小，故冷水機組外部效率的變化主要就是由于冷凝溫度引起。圖6：ICOP-PLR散點關系圖冷溢溫度冷卻水進*水粗組溫度晉卻水出冷水.機組溫度冷溢溫度冷卻水進*水粗組溫度晉卻水出冷水.機組溫度室外濕球溫度涅5成圖7：冷水機組冷卻側傳熱溫差示意圖冷凝溫度由冷水機組冷卻側的換熱過程決定，如圖7所示。熱量從冷水機組搬運到室外依次經(jīng)歷三個過程：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、