1、精選優質文檔-傾情為你奉上冷水機組運行性能評價及節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；指出冷水機組節能診斷應從內、外兩個方面著手，給出了內部效率（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能診斷的全過程。關鍵詞：冷水機組COP內部效率（DCOP）外部效率（IC

2、OP）節能診斷1. 引言大型公共建筑節能的最主要任務是空調系統節能，冷水機組作為空調系統的最主要用能部分，對其進行節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據冷水機組的節能診斷問題，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能診斷意見。對冷水機組的實際性能進行評價的傳統方法（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

3、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能。不僅如此，傳統的COP方法在描述冷水機組性能方面也有其不足。為了進行節能分析計算，需要對冷水機組的性能進行數學描述，目前普遍采用的方法是將COP擬合成負荷率的函數。這

4、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。2. 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

5、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：內部因素和外部因素。內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溫度和冷凝溫度的因素。具體的分類如圖所示。圖：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

6、結點是否存在問題作出正確判斷，從而指導節能實踐。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反映到其它影響因素中去了。比如內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。3. 冷水機組運行性能表示方法既然要考慮內、外部因素的不同影響，自然想到將COP表示成內、外兩個效率的積形式，即：總體效率（COP）內部效率×外部效率（1）對于外部效率，它反映的是外部因素的影響，即蒸發溫度和冷凝溫度。由此我們自然會想到用理想效率來表示，即：（2）式中：冷水機組運

7、行外部效率，即理想COP；蒸發溫度，K；冷凝溫度，K對于內部效率，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：（3）式中：冷水機組運行內部效率；DCOP反映的是冷水機組的內部特性，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。但是，傳統的方法只是將COP表示成PLR的函數，筆者在引言中已經指出了這種表示方法并不合適，更為恰當的方法是將DCOP表示成PLR的函數形式，即：（4）函數f的形式一般為多項式，根據冷水機組型式不同，可取不同的次數，對離心式冷水機組一般取2次，對于螺桿

8、式冷水機組則可簡單地取為1次（線性函數）。4. 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，數據采樣時間為2006上半年，以1小時為步長（下同）。圖2：COP-PLR散點關系圖本工

9、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：內部效率診斷（DCOP）根據公式（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呈現出的DCOP-PLR關系是一條單調升曲線，而圖2呈現出的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

10、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不應該是COP，而應該是根據冷水機組自身的特性制定，即根據本文所提出的DCOP來制定。圖4給出了該工程現有的策

11、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，在此負荷率區間內，三臺冷水機組的內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，也應該優先運行一臺冷水機組，而不是運行兩臺。經測算，若按此方法調整冷水機組群控策略，全年約可節體省電量31萬度。圖4：不同臺數冷水機組的COP-PLR散點關系圖圖5：不同臺數冷水機組的DCOP-PLR散點關系圖作為示

12、例，筆者在此處給出了應用DCOP進行節能診斷的一個實例，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，圖中散點分布呈現出單調下降的趨勢，這實

13、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升高，圖中的曲線正好呈單調形狀，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，而不是蒸發溫度。事實上由于本工程的冷水溫度常年設定為7，蒸發溫度波動小，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、冷卻塔中冷卻水與室外空氣換熱。相應地存在三個換熱溫差：冷凝器換熱溫差（T1）、冷卻水供回

14、水溫差（T2）、冷卻塔換熱溫差（T3）。換熱的極限是室外濕球溫度（TS），這樣冷凝溫度就是由室外濕球溫度和以上的三個溫差決定，即：（4）除非冷卻塔所處的微氣候條件太差，室外濕球溫度只由氣象決定，我們一般無所作為。從節省冷水機組電耗的角度考慮，節能診斷的主要目標還是要盡量降低，下面我們針對本工程實例分別討論。（1） 冷凝器換熱溫差（T1）從圖6中可以看出，雖然本工程的這幾臺型號相同的冷水機組所處的運行環境相同（TS、T2、T3，以及蒸發溫度基本相同），但是各臺冷水機組的外部效率并不相同，由此只能認定各臺冷水機組的冷凝器換熱溫差（T1）不同。為此我們不妨作出各臺冷水機組的冷凝器換熱溫差分布圖，如圖

15、8所示。圖8：各冷水機組冷凝器換熱溫差從圖8可以清楚地看到，各冷水機組的冷凝器換熱溫差存在較大差異，CH2的冷凝器換熱溫差最小，CH3的則最大，這正說明了為什么CH2的外部效率最高而CH3的則最低，如圖6所示。另外，還有一種更簡便的方法說明這個問題。充分的實測數據表明，冷凝溫度（Tcd）一般與冷卻水出冷水機組的溫度（T2）成線性關系，如圖9所示。從圖中可以顯然看到CH2的冷凝溫度最低，而CH3的冷凝溫度最高，這與圖6和圖8所得出的結論是一致的。圖9：Tcd-T2散點關系圖造成同型號且工作環境相同的冷水機組冷凝器換熱性能不一樣的原因有先天性的，也有后天性的。如果是后天性的因素，比如冷凝器結垢臟堵

16、等，則應立即采取措施改進之。就本例工程來說，初步認定為先天性因素，在這種情況下應優先運行換熱性能好的冷水機組。經測算，如此調整運行策略，年可節省冷水機組電耗約30萬度。需要指出的是：同型號的冷水機組在實際運行中會表現出不同的性能，這是工程實際中容易被忽視的一個普遍現象，在對冷水機組進行節能診斷時應引起注意。（2） 冷卻水供回水溫差（T2）冷卻水供回水溫差是影響冷凝溫度的又一重要因素，溫差越小，冷凝溫度就越低，但與此同時，水系統的投資以及冷卻水泵電耗就會增加，因此，冷卻水溫差必須適度，工程設計中一般取為5。但是通過圖10我們可以看到，本工程冷卻水溫差在絕大部分時間里均高于5，這說明本工程的冷卻水

17、量相對不足，為降低冷凝溫度應適當增加冷卻水量。對此，筆者在現場做過實驗，若增開一臺冷卻水泵，則整個冷站試驗日即可節能電量約2800kWh。經測算，此舉全年可節省電量約14萬度。圖10：各臺冷水機組冷卻水溫差（3） 冷卻塔換熱溫差（T3）冷卻塔換熱溫差反映的是冷卻塔的換熱性能，換熱性能越好，則冷凝溫度就越低。圖11說明本工程的冷卻塔換熱效果尚可，特別是在夏季處于較好的水平，但是在冬季冷卻塔換熱溫差相對較大，存在一定的節能潛力。圖11：冷卻塔換熱溫差分布圖第四步：節能潛力模擬計算在前面的分析中多次提到了某項節能措施的節能量，那么這些節能量都是怎么得到的呢？這是節能診斷很重要的一步，是加深對具體問題

18、認識的必由之路，也是節能決策的重要依據。節能潛力（量）計算的最主要依據是工程實測或實驗數據，但是實際工程的運行條件無法重現，即無法進行“改造”與“不改造”的對比實驗，故無法從實驗數據直接得到節能潛力，只能借助一定的模擬計算。為了保證可靠性，這種模擬計算的依據只能是實測數據。篇幅所限，此處不作展開論述，僅總結一下本工程模擬計算中的主要公式，并作簡要說明。（1） 冷水機組內部效率擬合公式說明：由圖3數據擬合得到，各臺冷水機組的DCOP認為一樣。此處的滿負荷率PLR指的是單臺冷水機組的額定制冷量。（2） 不同臺數冷水機組內部效率擬合公式單臺：兩臺：三臺：說明：由圖5數據按擬合得到。此處的滿負荷率PLR指的是三臺冷水機組額定制冷量的和。（3） 冷水機組冷凝溫度擬合公式CH1：CH2：CH3：CH4：CH5：說明：由圖9數據擬合得到。5. 小結對冷水機組的節能診斷不能只看COP一個指標，而是應該綜合考慮內部效率（DCOP）和外部效率（ICOP），以及蒸發溫度、冷凝溫度、冷凝器換熱溫差、冷卻水溫差、冷卻塔換熱溫差、室外濕球溫度等多個指標（如圖1所示）。決定冷水機組內部特性的指標是內部效率（DCOP），而不是COP。將COP擬合成負荷率（PLR）的函數去分析問題的做法并不合適，正確的