霍尼韦尔（天津）有限公司广州分公司 工程师 510220
摘要：随着我国的经济快速发展，建筑节能也越来越被人们大力推广和改进。冷水主机作为建筑中关键的用电大户，采用能效优化策略之后，将会对节能起到关键的作用。
关键词：COP值；冷负荷；效率；能源改造
某项目使用5台开利19XL5052365离心式冷水机组供应整个大楼的冷负荷。该机型是开利在90年代末期主流的离心机型，额定状态下的冷冻机COP可以达到4.5，一般状态下的COP可达4.2左右。由于设计的整个空调暖通系统存在高区冷冻供水回路，为了保证高区冷冻供水温度达到舒适性要求（9℃以上），冷冻机运行状态被设定为进出水温度为6℃-11℃。
某项目冷冻机测试现场
目前冷冻机的相关运行信息如下所示：
1）冷冻机开启时间为8：00-17：00，全年都需要制冷；
2）目前使用模式为3用2备，交替使用。
3）根据季节变化，1月、2月、11月、12月通常只开启一台冷冻机，3月、4月、9月、10月通常开启两台冷冻机，5月、6月、7月、8月由于室外温度较高通常开启3台冷冻机使用；
4）冷冻机进出冷冻水温度设置为6℃-11℃；
5）冷冻机房有设备运行记录可以追溯到2006年以前的信息，大多数情况下，系统负荷都在95%以上。
6）通过检查基准线期间的冷冻机运行时间分配表，发现2号和5号冷冻机的运行时间是最少的。通过和现场设备工程师访谈得知，2号和5号在2007年期间使用比较频繁，在年初值班时发现这两台冷冻机的工作噪声出现异常，停机检修后发现冷凝剂进气口导叶出现故障，由于重新更换部件的周期比较长，这两台冷冻机在今年基本处于停机状态，目前部件已经更换到位，修复后的冷冻机即将重新启用。
某项目冷冻机使用时间分配饼图
1.冷机系统分析
经观察研究，现场存在的主要问题主要有：
1）冷却水泵、冷冻水二次泵为定常转速，冷冻水、冷却水供回水温差小于5℃（冷冻水：2.9～3.5℃，冷却水：2.1～3.3℃），加大了空调输配系统运行能耗；
2）部分设备过载运行，可能导致缩短设备的使用寿命；
3）目前的HVAC在设计时采用了一次泵变流量系统，但是根据目前的运行日志和操作方式，压差旁通阀在大多数情况下处于常闭状态而电动蝶阀却处于常闭状态，水泵和冷动机运行在多数情况下都采用手工开启的方式控制冷动机和水泵的起停，未能达到设计要求中的模式运行。
4）另一方面，即使是采用变流量系统，在很多状态下整体的冷源系统依然处于半负荷或低负荷状态，水泵做功大多由于其小温差原因未能使整体的冷动机系统的运行效率达到最优。
为验证及发现实际问题，现场随机选定了开启的冷冻机、冷冻泵、冷却泵安装超声波流量计等设备进行了为期10天的冷源系统效率测试。冷水机组能效比（COP）需要在空调运行季节的典型工况下进行测试（目前取8月3日-8月13日测试冷水机组的能效比）。测量方法：
1）采用超声波流量计在冷冻水总管和冷却水总管测量冷冻水循环流量和冷却水流量，测点布置在上升的直管段；
2）采用双通道热电偶温度计逐时测量冷冻水和冷却水的供回水温度，测量时将原有的水银温度计取出，将温度传感器的探头布置在原有管路上的水银温度计测试孔中，并用凡士林将测试孔填满；
3）采用电能质量分析仪测试冷水机组的运行电能质量。
4）冷水机组能效比（COP）应按下式计算确定：
COP=
式中：
Φc—制冷主机的制冷量，kW；
Nc—制冷主机的输入功率，kW；
式中：
Cp —水的比热，4.186kJ/（kg•K），kW；
ρ —水的密度，1，000kg/m3；
M —冷冻水流量，m3/h；
th —冷冻水回水温度，℃；
tg —冷冻水供水温度，℃；
Nc—电能质量分析仪读数，kW；
通过在8月3日～8月13 日（测试时间：8：30～18：00，系统自动记录）对3＃冷水机组的能效比（COP）进行现场测试，冷水机组的性能系数（COP）的典型测试结果见下图所示。
冷机现场COP值测试结果
上表是8月5日周三的3#冷冻机的COP测试后的结果曲线，这个曲线显示了在额定工况条件下3#冷冻机的COP值应为4.5，而图中显示COP值一直在3-3.5上下振荡，甚至有些时候COP小于3，机组的有效运行效率仅为65%-72%左右。8月5日周三的天气状况为小雨，室外温度31度，相对湿度90%，这种气象条件甚至好于室外气温高于35度的时候。而通过对比10天以来的测试数据，发现机组效率的这种状况是具有典型意义的，其余的测试结果的平均状况甚至低于该结果。
冷水机组实测COP与额定COP的比较
通过10天的冷冻机和冷源系统效率测试，该冷冻机表现出的平均COP大约为3.12，低于正常状态下冷冻机的系统效率，通过现场分析和计算，造成这种状况的原因是多方面的，其中可以认定的原因有如下方面：
1）冷冻机进出水温度设置。冷冻机组的进出水温度设置为6℃-11℃，而机组的额定工况的进出水温度设置为7℃-12℃，过低的出水温度设置使得冷冻机压缩机的负载变得更大。在实际应用中，空调的外界负荷往往是频繁变化的，为此，机组的能量必须进行调节。通常是通过改变气体进入叶轮的方向来改变压缩机的运动特性，以达到压缩机转速不改变的情况下，调节离心机的容量目的。导叶开启度增大，冷量也增大；开启度减少，冷量也减少。当冷水温度开始下降，控制装置将压缩机导叶慢慢地关闭，这就减少了压缩机吸入制冷剂的量。控制装置将不断地驱动导叶执行电机，调整导叶开度，直到压缩机的制冷量使冷水温度等于设定值。监视器监视数字和模拟输入信号，根据需要执行冷量优先控制或安全停机。而由于在现场条件下，冷冻机的出水温度很难低于6度，因而冷冻机一直处于满负荷运行的状态。如果导叶处于卸载或关闭状态，而冷水温度仍低于设定点2.8℃，机组将进入再循环模式。在再循环过程中，控制系统将通过自动停机和起动这样的循环来维持冷水温度。
冷冻机现场COP值逐日比较
2）蝶阀控制状态。冷冻机的冷冻水、冷却水的出入口安装有电动碟阀，由于5组冷冻机所有的冷冻水管、冷却水管都并联到一个总管的设置，在设计时考虑在冷冻机停止运行的时候通过中央站关闭相应的蝶阀来阻止冷冻/冷却水回流或者混流的现象发生。而在现场调查的时候，各处电动蝶阀却处于常开的状态，也就是说无论该冷冻机工作与否，如果整个冷冻机系统存在冷冻水流量，就不可避免的出现回水旁通进入停止的冷冻机再回到集水器和低温的冷冻水混合的现象发生，同时也可能使冷冻/冷却水泵处于超负荷运行的状态。目前虽然水泵的通路安装了止回阀来防止上述现象发生，但是在现场测试时，通过使用超声波流量计的测量发现停止运行的冷冻机水管路仍然有少量水流量通过，因此可以说明止回阀并未完全阻止水流的通过。在这种情况下，出水温度无法满足末端的要求，而冷冻机将长期处于满负荷的工作状态。
3）冷冻机运行状态分析。在进行了冷冻机COP值测试时，冷冻水进出水温度，冷却水进出水温度、室外温湿度都得到了监控。冷冻机测试时COP值低下的直接表现为冷冻水供回水的“大温差，小流量”，而查看冷却水的在该期间供回水温差记录显示，通过冷冻机主机的冷冻水温差同样存在远低于标准温差的情况。一般在1.9-3.5℃上下振荡。这个温差值甚至低于冷冻水的温差，说明冷却水的流量大于冷冻水的流量。对于冷冻机本身来说，小冷却水温差解释了冷冻水温差过小的原因，从而间接解释了冷冻机COP值低下的原因。
4）在测试期间，某项目冷冻机维护保养承包商的冷冻机保养记录得到分析，根据2007年¬-2009年的维护保养记录显示，5台冷机的运行状态和运行参数都是正常的，没有出现冷冻机部件运行异常的情况发生。由于维护保养及时，根据冷冻机的运行参数，可以推断目前的离心机主机运行效率在标准工况下依然可以得到保证。这说明COP值低下的主要原因并非来源于冷冻机本身的部件问题。
5）冷冻机运行时间分配。由于目前冷冻机的开启和关闭都由手工控制，无法了解某一个运行时期内冷冻机实际的运行时间累计，在这样的情况下，很容易造成操作人员可能频繁使用之前运行状态良好的冷冻机，而其他冷冻机处于停止运行状态。无法做到平均分配运行时间。因此长期运行的冷冻机将出现部件疲劳，而运行效率可能会随之下降。
2.冷机系统解决方案
对于以上问题的确认将帮助某项目的冷冻机系统的改造计划做出科学的决策。下述的冷冻机改造方案将基于现有的某项目目前的空调需求，通过在后述一系列的能源改造策略，得到的最优化的解决方案：
1）调节冷冻机的在热季的进出水温度为7℃-12℃，冷季的进出水温度为10℃-15℃。同时调节冷冻机相应的静止带。静止带是指冷水出水温度和温度设定点间的公差。若出水温度升高或降低到静止带以外，则控制系统会命令导叶打开和关闭，直到水温回复至公差范围以内。控制系统可设定较小的静止带，出水温度会被控制在较精确的温度范围内，导叶开关的动作较为频繁；若控制系统设定为较大的静止带，则出水温度会被控制在较粗的温度范围内，导叶开停的动作较为不频繁。根据本项目的耗能特点，选择下公差较大的比例带，将尽可能的在满足末端需求的同时减少冷冻机的负荷，也就是减少冷冻机的能源消耗。
2）检修现场的电动蝶阀并连入新的冷冻中央站控制系统。在系统关闭冷冻机时，匹配的电动蝶阀也将随之关闭，这样将彻底避免出现冷冻水回流以及混合冷冻水的情况出现，末端的冷量将得到有效的保证，因此冷冻机的满负荷运行时间相应减少。
3）根据按需供冷的控制原理，设计HVAC群控管理策略。将制冷机组、冷冻水泵和冷却水泵都纳入到该群控管理平台中，其管理策略主要为：系统采用相配套的现场控制器对冷水机组系统进行监控，监测每台冷水机组的出水温度，监测水系统供、回水温度，同时监测冷冻水总管流量，统计来自冷水用户的冷需求和用冷时间请求，根据冷源系统总负荷量（一次供回水温差X总流量）进行冷水机组台数控制；根据用户用冷需求设定冷冻水的供水温度，确定冷冻泵的启停，并按用户冷需求进行调速控制。
4）在此过程中系统能根据用户实际使用情况和冷水机组、各个电动蝶阀等设备状态自动进行调整，优化组合，启动冷水机之前，优先起动累计运行小时数最少的设备，使整个系统所有设备均衡运行，达到最佳运行效果。在这种控制方式中，各传感器的设置位置是设计中重要的考虑因素，位置不同，将会使测量和控制误差出现明显的区别。传感器将设于旁通阀的外侧（即用户侧）。冷水机组、冷冻水泵、冷却塔、冷却水泵的投入或退出运行的过程是按预先编制的控制程序进行的。启动时，实现程序自动连锁，保证设备运行正常后，开启下一设备，确保设备正常投入。特殊情况自动启用备用设备。
本文仅论述了冷机的能效优化策略，冷冻水泵等相关设备的详细优化策略将另行阐述。
参考文献：
[1] 开利冷水主机产品手册
[2] 中央空调冷水机组能效标准（GB19577-2004）
论文作者:封春花
论文发表刊物:《基层建设》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/27
标签：冷冻机论文; 温度论文; 冷却水论文; 水温论文; 系统论文; 测试论文; 回水论文; 《基层建设》2017年第21期论文;