变频离心式冷水机组全年节电的探讨

2009年第39卷第1期　　　　　　　・66・专业论坛　　　　暖通空调HV &A C 　

对变频离心式冷水机组

全年节电的探讨

特灵空调系统(中国) 有限公司贾☆摘要　是冷水机组在不同运行时段内的机组能效, 分析了1台变频离关键词　　节能

of annual energy consumption of

cent rif ugal chillers wit h variable speed drivers

B y J i a J i n g ★an d Yan X i nj uan

Abst r a ct 　Presents t he p rinciple a nd applicabilities of e nergy saving of ce nt rif ugal chillers wit h variable speed drivers. A nalyses t he a nnual e nergy saving of a cent rif ugal chiller wit h variable sp eed driver in t he p rojects wit h one chiller or several chillers , according t o t heir annual e nergy consump tion t hat is sum of t he p roduct of t he chiller efficie ncies , loads a nd operation time in diff erent operation p eriods.

Keywor ds 　ce nt rif ugal chiller wit h variable sp eed driver , a nnual energy consump tion , e nergy saving ★Trane , Shanghai , China

0　引言

资源环境约束与经济快速增长的矛盾, 已经成

为我国经济社会发展面临的严峻挑战。为了在新建公共建筑中实现50%的节能目标, 变频水泵、变频风机在空调系统中应用得越来越广, 节能效果显著。近年来变频离心式冷水机组在一些项目中出现, 成为空调系统节能的一个亮点。

虽然变频离心式冷水机组在机组负荷较低时有较好的节能效果, 但由于其变频驱动控制装置占机组总价的24. 5%左右①, 在实际运行中, 变频控制会有大约3%～4%的功率损失①, 故在机组满负荷时耗电量增加。评价空调产品的节能效果, 测量产品全年耗电量是最直接和有效的方法, 全年耗电量比产品能耗指标更科学。因此对于单台机组的空调水系统, 用电表测量单台机组的全年耗电量; 对于变频机组与普通机组共同使用的空调水系统, 用电表测量多台机组的全年耗电量, 以评价该水系统的节能效果。

①陆宏, 陈晓角. 离心式冷水机组变频技术简介.

　　本文首先介绍变频离心式冷水机组节能的原理及适用条件, 分析变频机组在节能方面的局限性; 其次比较单台变频离心式冷水机组与高效离心

式冷水机组的全年耗电量, 最后比较含一台变频离心式冷水机组的多台机组项目方案与使用多台高效离心式冷水机组项目方案的全年耗电量。1　变频离心式冷水机组节能的原理

冷水机组压缩机所做的功用于克服进排气口的压差, 把一定质量的制冷剂从蒸发器输送到冷凝器。如图1所示, 其做功量可示意为进排气口的压

图1　冷水机组的压缩机做功示意图

①☆

贾晶, 男,1966年12月生, 工学硕士, 高级工程师

200001上海市西藏中路268号来福士广场10楼

YOR K

Engineering News ,2005(5)

(021) 53599566

E 2mail :[email protected] 收稿日期:2008203211

　　　　　　　暖通空调HV &AC 　2009年第39卷第1期　　　　专业论坛

差与输送的制冷剂质量相乘的矩形面积。进排气口的压差与冷却水、冷水之间的温差相关, 输送的

制冷剂质量与压缩机制冷量相关。

离心式冷水机组压缩机主要通过改变进气导流叶片的角度调节冷量, 当机组负荷从100%向90%卸载时, 由于导流叶片的预导流作用, 可以提高机组效率。没有设置导流叶片的压缩机在50%负荷处会达到喘振点。增加导流叶片控制后, 机组的运行范围从原来的只能卸载到50%左右, 扩展成可卸载到20%～30%, 大大扩展了运行范围10%～15%・67・

　　讨论机组部分负荷的效率时, 还应区别以下两种情况:一是冷却水温度随机组负荷减小而降低时的机组部分负荷效率A , 此时不仅机组的制冷量减小, 而且压缩机进排气口的压差相应减小, 见图2。另一种是冷却水温度不变, 仅机组负荷减小时的机组效率B 。即使是同一种机组, 率下, A

。

, 其控制逻辑是:一般在70%～100%, 机组保持导流叶片全开, 通过变频控制装置降低压缩机的电动机转速来使机组卸载; 当负荷低于70%时, 导流叶片开始关闭; 当负荷低于50%时, 为了避免出现喘振, 适当增加压缩机的转速。这样可加大机组运行范围①。

单级压缩的离心式冷水机组的电动机转速为3000r/min 左右, 通过增速齿轮使压缩机的转速达到约7000～9000r/min , 可以在机组满负荷时克服进排气口的压差。在变频离心式冷水机组从100%负荷卸载到70%的过程中, 增速齿轮的提速作用与变频控制的减速作用相互抵消, 说明该机组的节能设计理念有欠缺; 而且也没有利用导流叶片的预导流作用, 故在机组负荷从100%向90%卸载时, 不能提高机组效率。加上变频控制会有大约3%～4%的功率损失, 因此机组在高负荷区域运行时, 变频离心式冷水机组的效率较差。另外当负荷低于50%时, 为了避免出现喘振, 不得不增大压缩机的转速, 这时不能通过变频降低压缩机的转速而节能。因此变频离心式冷水机组在卸载到50%以后, 机组的效率不断降低。资料给出的按照美国空调制冷学会ARI 工况运行的能效比对照数据①证明了这个观点。上述分析说明, 采用变频装置的单级压缩的离心式冷水机组在节能设计方面存在缺陷, 在机组部分负荷下节能是有局限性的, 并不是完美的机组。

①陆宏, 陈晓角. 离心式冷水机组变频技术简介.

图2　冷却水温度随机组负荷改变的压缩机做功示意图

上述两种情况在实际工程中均存在。如在仅有单台机组的舒适性空调系统中, 当天气转凉时, 空调负荷会减小, 机组负荷相应减小; 或在天气转凉时使冷却水温度相应下降, 此时应考查机组效率A 。若在含2台及以上冷水机组的项目中, 当2台同冷量机组的负荷均在50%以下时, 可考虑关闭1台机组, 仅使用1台机组。此时虽然机组负荷增大, 但冷却水温没有变化, 故应考查机组效率B 。

由于变频是调节压缩机的电动机转速, 它对调节压缩机进排气口的压差的作用明显, 因此在冷却水温度随机组负荷减小而降低时, 部分负荷下的节能效果明显。若机组负荷减小, 而冷却水温度不变, 则部分负荷下的节能效果较差。图3为采用ARI 2550/590规定的工况, 对某一品牌的变频机组、普通机组、高效机组在部分负荷时的能效比较。图4是冷却水温度不变时的比较结果②

。

图3　冷却水温度随机组负荷改变的机组能效比较

YOR K

Engineering News ,2005(5)

②Don Eppelheimer. VSDs and Chiller Laws. Trane PP T

从图3可看出, 在冷却水温随机组负荷减小而降低的情况下, 当机组负荷率小于90%时, 变频机组的能效高于普通机组; 当机组负荷率小于50%时, 变频机组的能效高于高效机组。

从图4可看出, 在冷却水温度不变, 而机组负

2009年第39卷第1期　　　　　　　・68・专业论坛　　　　暖通空调HV &A C 　

2　单台变频机组与高效机组全年耗电量比较

图4　

冷却水温度不变机组负荷改变时机组能效比较

荷减小的情况下, 当机组负荷率小于60%时, 变频机组的能效高于普通机组; 但机组负荷率在20100%区间变化时, 冷却水温度降低从图5可看出4℃, 机组负荷率在20%, 变频机组的输入功率高于高效机组, ; 若冷却水进水温度为15. 6℃, 当机组负荷率小于80%时, 变频机组的输入功率低于高效机组, 即变频机组省电。由于我国南方地区常年高温, 冷却水温度较少低于15. 6℃, 故采用变频离心式冷水机组的节能效果并不理想。

冷水机组在不同冷却水温度、不同负荷情况下能效不同。美国空调制冷学会ARI 运用概率统计的方法, 借助于大型计算机, 对全美有代表性的29个城市的气象数据、各类建筑物冷负荷、制冷机的, 采用I PL V (ARI 荷效率) 与N () 来。

V =

A

+

B

+

C

(1)

+

D

式中　A , B , C , D 为对应于不同冷水机组负荷下的冷水机组能效, 见表1。

表1　冷水机组能效与机组负荷对应表

冷水机组

负荷率/%

100755025

冷水机组能效

A B C D

冷却水进水温度/℃(υ)

29. 4(85) 23. 8(75) 18. 3(65) 18. 3(65)

运行时间权重

0. 010. 420. 450. 12

　　N PL V 的计算公式与I PL V 一样, 仅N PL V 公式中冷却水最高进水温度为实际应用中任一温度, 并且冷水机组100%与50%负荷(对应冷却水18. 3℃进水温度) 之间, 冷水机组负荷与冷却水进水温度呈线性关系; 冷水机组50%与0负荷之间, 冷却水进水温度恒为18. 3℃。

图5　冷却水温度对不同类型机组能效的影响

运行参数

运行时间权重

比较2台冷水机组全年运行的总耗电量, 可借鉴I PL V 公式, 其计算结果见表2。

高效机组参数(N PL V =0. 448) 机组能效/耗电量/运行时间耗电量/

6. 847. 858. [***********]全年总耗电量387960kWh

257168107表2　单台变频机组与高效机组全年耗电量比较

机组负荷/

[1**********]运行时间/

变频机组参数(N PL V =0. 436)

机组能效/耗电量/运行时间耗电量/

5. 166. 769. [***********]0全年总耗电量402900kWh

341195950. 01　300. 4212600. 451350全年运行时间3000h

　　从表2可以看出, 虽然单台变频机组的N PL V 比高效机组好, 但是其全年耗电量却比高效机组大。这说明比较机组全年总耗电量, 不能仅评估机组的N PL V 值。因为冷水机组的全年总耗电量是冷水机组在不同运行时段内的机组能效、机组负荷与运行时间乘积之和。在机组负荷随冷却水温降低而减小的情况下, 若机组负荷较小, 则变频机组与高效机组的能效差别较大, 但是此时机组冷量较小, 且运行时间较短, 故该部分负荷时段内, 变频机组节电较少。高效机组在高负荷时段的能效比高于变频机组, 虽然二者的差值较小, 但由于该时段机组运行时间较长, 且机组冷量较大, 故在高负荷时段内, 高效机组节电效果明显。如图6所示, 左边立方体的体积小于右边立方体的体积。由于高效机组在高负荷时段的节电量超过变频机组在低负荷时段的节电量, 故比较单台机组全年运行的总耗电量, 高效机组更节电。

根据中国3个城市的不同气象条件和分时电

比高效机组高, 但是其全年耗电量却比高效机组高。因此评估冷水机组的节能效果时, 不能仅根据

机组的I PL V 或N PL V 值。3　含单台变频机组的多台机组项目的全年耗电量分析

由于多数工程中采用2, 现以3台2kW 。; 方案B ①。

, 采用3台高效机组的方案A , 1台变频机组组合的方案B 相比, 多台冷水机组的全年运行的总耗电量较小。由于在3台机组的项目中, 单台机组运行负荷率高于系统负荷率(见表4) , 说明单台机组运行在高负荷区的时间延长, 扩大了高效机组的节能效果; 由于单台机组运行在低负荷区的时间相应地减少, 削弱了变频机组的节能效果。因此单台变频机组应用于多台机组项目, 其节能效果低于变频机组应用于单台机组项目。由于变频离心式冷水机组的变频驱动控制装置占机组总价的24. 5%左右①, 很少有项目采用多台变频离心式冷水机组, 因为新增投资的回收期将更长。

方案B

1台机组(变频) 制冷量/能效/

[**************]65. 255. 797. 099. 66图6　机组节电量与三要素示意图

价政策, 采用某公司的System Analyzer 软件模拟

典型小型办公楼中单台1758kW 冷水机组全年运行状况, 年运行费用

, 结果如图7所示。

图7　单台冷水机组的年运行费用比较

在3个城市中, 单台变频机组的年运行费用均

比单台高效机组的年运行费用高, 二者最小差别为6. 0%, 最大差别为9. 9%。虽然变频机组的N PL V

运行参数运行时间/

h

表3　采用单台变频机组的多台机组工程的全年耗电量分析

冷却水进水

温度/℃

32302520空调系统负荷/kW

制冷量/

kW

方案A 能效/

(W/W )

耗电量/

(kWh )

[1**********]5. [***********]966. [***********]7976. [***********]5326. 951088214总计[1**********]　注:方案A 机型为CV H G[**************]S 26302080S 2560; 方案B 机型为YKEBEB H55CPEO , 带变频。

2台机组(普通)

制冷量/能效/

42195. 2737975. 6118996. 1912666. 19

耗电量/

(kWh ) 931

[1**********]0

[**************]

1115

表4　单台机组负荷率与系统负荷率对照表

系统冷量/kW

系统负荷率/%

高效机组负荷率/%普通机组负荷率/%变频机组负荷率/%

105516. 650050

[1**********]0

[1**********]0

[1**********]0

[**************]0

　　从表4可以看出, 多台机组运行时, 应侧重比较60%～100%负荷区间内的机组效率, 可忽略50%负

图8　冷水机组能效随机组负荷变化规律

荷及以下的机组效率比较。而且普通离心机在负荷率75%～90%时的效率高于100%时的效率(见图8) , 其峰值一般出现在负荷率80%左右。

①陆宏, 陈晓角. 离心式冷水机组变频

技术简介.

4　结论

4. 1　根据变频离心式冷水机组工作原理, 在冷却

YOR K

水温度随机组负荷减小而降低的情况下, 变频机组在50%及以下的负荷时的节能效果较好。

(下转第42页)

Engineering News ,2005(5)

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(上接第69页)

4. 2　冷水机组的全年耗电量是冷水机组在不同

机组的N PL V 比高效机组好, 但是其全年耗电量不一定比高效机组小。

4. 3　I PL V 的计算法则不适用于多台冷水机组系

运行时段内的机组能效、机组负荷与运行时间乘积之和。I PL V 或N PL V 仅是评价单台冷水机组在满负荷及部分负荷条件下加权平均的能效指标, 不能准确反映单台机组的全年能耗, 因为实际工程的气候条件与各种部分负荷的比例关系不同, I PL V 或N PL V 未考虑机组负荷对冷水机组全年耗电量的权重影响。故虽然单台变频

统, 因为每台冷水机组基本上保持在60%～90%的高负荷区运行, 故宜选择通用的模拟软件(如DO E 22, TRACE TM 700等) 计算多台机组的全年能

耗。与变频机组相比, 高效机组更有利于减少冷水机组全年能耗。