劉正恩

上海市能效中心

在用水冷冷水機(jī)組效率測試方法探討

劉正恩

上海市能效中心

介紹了負(fù)荷率對水冷冷水機(jī)組效率的影響，并簡單對比了實(shí)驗(yàn)室平臺測試效率與在線測試效率的差異。對在用水冷冷水機(jī)組的效率測試方法提出建議：用間接測試方法測得的效率驗(yàn)證直接法測得的效率，并通過實(shí)際測試案例補(bǔ)充說明。同時(shí)對兩種方法的測試結(jié)果差異進(jìn)行了理論分析。

水冷冷水機(jī)組；負(fù)荷率；效率；測試方法

DOI∶10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.02.007

1 背景

水冷冷水機(jī)組作為一般通用制冷設(shè)備，在工業(yè)領(lǐng)域、商業(yè)和旅館飯店業(yè)應(yīng)用極為廣泛，裝機(jī)容量大，尤其是夏季高溫，用能占比較高，因此政府節(jié)能主管部門和用能單位對在用水冷水冷冷水機(jī)組的效率十分關(guān)注。

在用水冷冷水機(jī)組的效率如何測試也困擾著用能單位和測試機(jī)構(gòu)，因?yàn)槿绻髽I(yè)想掌握在用水冷冷水機(jī)組的效率時(shí)，不可能將水冷冷水機(jī)組拆下運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行平臺測試，只能通過現(xiàn)場測試水冷冷水機(jī)組效率。盡管國家和地方對在用的機(jī)組的能效測試給出了標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但是在線測試受實(shí)際運(yùn)行情況和周圍環(huán)境因素影響，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)定的測試條件是不容易的。

當(dāng)水冷冷水機(jī)組負(fù)荷率不足100%，或冷卻水和冷凍水的設(shè)置偏離設(shè)計(jì)值時(shí)導(dǎo)致負(fù)荷不足時(shí)，現(xiàn)場僅僅通過測試制冷量和輸入電功率，計(jì)算得出效率的結(jié)果經(jīng)常受到用能單位的質(zhì)疑，甚至測試機(jī)構(gòu)也懷疑自己的測試結(jié)果。另一方面，現(xiàn)場測試時(shí)，工況穩(wěn)定不容易，重復(fù)性差，因此受到用能單位對測試結(jié)果質(zhì)疑時(shí)，又很難再現(xiàn)同一工況，因此重復(fù)性較差。尤其是對于負(fù)荷率較低的水冷冷水機(jī)組更是如此。因此，如何用更加可靠的測試方法測試在用機(jī)組效率非常值得研究。

2 負(fù)荷率與效率關(guān)系

由于實(shí)驗(yàn)室平臺可以根據(jù)要求模擬環(huán)境要求，因此平臺測試很容易得出水冷冷水機(jī)組負(fù)載率與效率的關(guān)系。根究研究結(jié)果：水冷冷水機(jī)組的能效比COP最大點(diǎn)均不在額定負(fù)荷（即100%負(fù)荷）點(diǎn)上（見圖1）。

根據(jù)水冷冷水機(jī)組效率曲線可以看出：

圖1 冷水機(jī)組負(fù)荷率與效率的關(guān)系

當(dāng)負(fù)荷率在90%～40%時(shí)，每產(chǎn)生1 kW冷量的耗電比額定負(fù)荷時(shí)少，而負(fù)荷率在10%～40%時(shí)，每產(chǎn)生1 kW冷量的耗電均比額定負(fù)荷時(shí)多。負(fù)荷率在60%時(shí)，每產(chǎn)生1 RT冷量的耗電最少，該水冷冷水機(jī)組COP最高。COP最高點(diǎn)的單位冷量耗電量比額定負(fù)荷時(shí)低20%左右。這是因?yàn)樗淅渌畽C(jī)組的熱交換器面積都是按照100%負(fù)荷率進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的，當(dāng)負(fù)荷率小于100%時(shí)，熱交換器面積大于實(shí)際需要，因此換熱效率較高，因此這時(shí)水冷冷水機(jī)組效率比100%負(fù)荷率的效率高。但是負(fù)荷率進(jìn)一步降低時(shí)，水冷冷水機(jī)組通過關(guān)小制冷劑閥門或旁通制冷劑流量，使有效循環(huán)量變小，因而壓力損失增加，制冷效率下降。因此，為了節(jié)能，該水冷冷水機(jī)組在負(fù)荷率60%左右運(yùn)行最為經(jīng)濟(jì)。

因此，對于水冷冷水機(jī)組來說，拋開負(fù)荷率談效率是沒有意義的。討論其效率時(shí)，必須首先設(shè)定運(yùn)行工況，也就是機(jī)組負(fù)荷率情況。

3 水冷冷水機(jī)組效率評價(jià)

客觀上評價(jià)水冷冷水機(jī)組的效率必須包括全負(fù)荷效率和部分負(fù)荷效率。平臺測試時(shí)可以自由設(shè)定機(jī)組的負(fù)荷率，因此很容易實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷效率測試，但是在用機(jī)組的效率測試工況受限于用冷負(fù)荷大小和環(huán)境影響，往往測試出來的效率僅僅是當(dāng)時(shí)工況下的一個(gè)點(diǎn)，也就是部分負(fù)荷效率。

3.1 平臺測試全負(fù)荷效率

由于制冷系統(tǒng)的冷負(fù)荷總是隨室外氣象參數(shù)擾動(dòng)和室內(nèi)狀態(tài)的改變而變化的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，水冷冷水機(jī)組滿負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)間不到總運(yùn)行時(shí)間的3%，其余絕大部分時(shí)間都是在部分負(fù)荷下運(yùn)行，因此水冷冷水機(jī)組部分負(fù)荷性能對其運(yùn)行能耗的影響是很大的。

為了評價(jià)水冷冷水機(jī)組的部分負(fù)荷性能，1998年美國空調(diào)與制冷學(xué)會(huì)推出了新的標(biāo)準(zhǔn)（ARI-550/590-98），對水冷冷水機(jī)組提出了IPLV計(jì)算公式，見公式（1）。

IPLV = 0.01A + 0.42B + 0.45C + 0.12D （1）

GB/T18430.1-2007《工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水(熱泵)機(jī)組》規(guī)定IPLV通過機(jī)組部分負(fù)荷的性能系數(shù)值和加權(quán)因素計(jì)算，見公式（2）。

IPLV=2.3%A+41.5%B+46.1%C+10.1%D （2）

IPLV計(jì)算公式中A、B、C、D分別是水冷冷水機(jī)組在100%、75%、50%和25%負(fù)荷下的COP，系數(shù)是水冷冷水機(jī)組在評價(jià)負(fù)荷點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間的權(quán)重系數(shù)。因此，不可以看出，管是美國ARI標(biāo)準(zhǔn)，還是中國國家標(biāo)準(zhǔn)，對產(chǎn)品的效率評價(jià)都綜合考慮了不同負(fù)荷率下的效率和各工況點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間占比。

由于實(shí)驗(yàn)室平臺可以根據(jù)要求設(shè)定測試的環(huán)境和溫度，因此測試機(jī)組全負(fù)荷能效非常容易，同時(shí)平臺試驗(yàn)結(jié)果反映了機(jī)組理論上能達(dá)到的效率。

3.2 現(xiàn)場測試的部分負(fù)荷效率

3.2.1 現(xiàn)場測試效率方法

IPLV計(jì)算中100%、75%、50%和25%負(fù)荷下的COP均是通過實(shí)驗(yàn)室平臺測試，在用的水冷冷水機(jī)組是無法準(zhǔn)確測試的。對在用的水冷冷水機(jī)組的效率測試往往是通過直接測試制冷量和機(jī)組輸入功率來計(jì)算當(dāng)時(shí)工況條件下水冷冷水機(jī)組的效率的。

根據(jù)理論上制冷循環(huán)，4-1是蒸發(fā)和過熱階段，對應(yīng)的就是有效制冷量Q；1-2是壓縮機(jī)做工過程，即對應(yīng)的就是機(jī)組輸入能量；2-3是冷凝過冷階段，對應(yīng)的就是冷凝熱；3-4是節(jié)流階段，即絕熱膨脹階段。制冷理論循環(huán)見圖2。

圖2 制冷循環(huán)示意圖

直接測試法所用的計(jì)算公式：

式中：C-水的比熱容；ρ-當(dāng)前水溫對應(yīng)的密度；qve-冷凍水的體積流量；t1-冷凍水進(jìn)水溫度；t2-冷凍水出水溫度。

通常，對在用水冷冷水機(jī)組現(xiàn)場測試時(shí)，是按照直接法，測得當(dāng)時(shí)工況條件下水冷冷水機(jī)組的輸入功率、冷凍水進(jìn)出口的溫度和冷凍水流量，按照公式（3）和（4）計(jì)算水冷冷水機(jī)組的效率。

3.2.2 常規(guī)測試方法的補(bǔ)充

蒸汽鍋爐在線測試時(shí)，有正平衡（直接測試法）下的效率，同時(shí)還有反平衡（間接測試法）下的效率，且兩種方法測得的結(jié)果相差不得超過5%，兩種方法得出的結(jié)果相互驗(yàn)證，測試結(jié)果更加可靠。

受鍋爐效率測試方法的啟發(fā)，筆者建議測試在用水冷冷水機(jī)組效率時(shí)，也參考鍋爐效率測試的方法，一種就是直接測試法，即按照公式（3）和（4）所需要的參數(shù)進(jìn)行測試，并根據(jù)測試結(jié)果水冷冷水機(jī)組的效率。另一種就是間接測試法，即按照公式（5）和（6）所需要的參數(shù)進(jìn)行測試，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)計(jì)算水冷冷水機(jī)組的效率。概括起來：直接法是通過測試水冷冷水機(jī)組的蒸發(fā)側(cè)的冷媒水的參數(shù)，計(jì)算機(jī)組的制冷量；間接法是通過測試水冷冷水機(jī)組的冷凝側(cè)的冷卻水的參數(shù)，計(jì)算機(jī)組的冷凝熱，然后剔除機(jī)組的做工用能。

參照設(shè)備熱效率計(jì)算通則和鍋爐正反平衡法測試效率相差不超過5%，所以根據(jù)直接法和間接法測試水冷冷水機(jī)組效率相差不超過5%，如有超差，尋找原因，尤其是測試方法方面的原因，需要再次測試。如偏差在5%之內(nèi)，說明測試結(jié)果可靠有效。

間接測試法所用的計(jì)算公式：

式中：C-水的比熱容；ρ-當(dāng)前水溫對應(yīng)的密度；qvc-冷卻水的體積流量；t3-冷卻水出水溫度；t4-冷卻水進(jìn)水溫度。

3.3 測試方案設(shè)計(jì)

在用水冷冷水機(jī)組效率測試時(shí)，不僅要采用直接方法，還要兼顧間接方法，且用間接方法測試的結(jié)果驗(yàn)證直接法的測試結(jié)果。現(xiàn)場測試布置見圖3。

圖3 在用水冷冷水機(jī)組測點(diǎn)布置示意圖

測試需要的儀表和精度：電參數(shù)測試儀，測量水冷冷水機(jī)組輸入功率和電流，精度為±0.1 F.S；鉑電阻溫度計(jì)，測量水的溫度，精度為±0.3℃；超聲波流量計(jì)，測量水流量，精度為±1%。

4 現(xiàn)場測試案例

上海某半導(dǎo)體制造公司，離心式冷凍機(jī)，額定輸入功率480 kW，額定制冷量2 100 kW。額定工況小的效率為4.375，運(yùn)行超過10年，冷媒水進(jìn)空調(diào)箱，滿足車間工藝需求的溫度和濕度，由于效率較低，用能單位將其作為備用機(jī)，調(diào)峰時(shí)開啟。

4.1 現(xiàn)場測試使用的儀器

主要有溫度和流量測試儀器設(shè)備，以及壓力表，具體如：電測儀 HIOKI 3169、超聲波流量計(jì)GE Pt 878、溫度記錄儀 Testo175-T3 Testo177（見圖4）。

圖4 在線測試使用儀器

4.2 現(xiàn)場測試照片

部分現(xiàn)場測試照片，機(jī)組輸入功率和冷媒水流量測試現(xiàn)場（見圖5）。

圖5 測試現(xiàn)場

4.3 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

首先按照直接法，對水冷冷水機(jī)組進(jìn)行了測試，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 直接法測試數(shù)據(jù)

根據(jù)以上實(shí)際測試情況看，冷媒水溫差僅有2.6℃，遠(yuǎn)小于5℃的設(shè)計(jì)溫差，因此可以確認(rèn)末端冷負(fù)荷需求較低，機(jī)組處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。按照公式（3）和（4）計(jì)算水冷冷水機(jī)組的效率COP1為2.742。該水冷冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效率遠(yuǎn)低于額定工況下效率。

同時(shí)也按照間接法，對水冷冷水機(jī)組進(jìn)行了測試，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 間接法測試數(shù)據(jù)

按照公式（5）和（6）計(jì)算水冷冷水機(jī)組的效率COP2為2.626。

5 測試結(jié)果分析

直接法與間接法計(jì)算的效率相差4.23%，差異受測試布點(diǎn)誤差、還有設(shè)備精度誤差和操作人員影響之外，就是制冷系統(tǒng)熱損失的影響。測試時(shí)前者影響可以控制，后者是目前機(jī)組現(xiàn)狀，不易改變，且是產(chǎn)生差異的主要原因。因此兩種方法測試結(jié)果的差異小于設(shè)定的5%的偏差要求，說明兩種測試方法是可靠的、結(jié)果是可信的。

假定壓縮機(jī)輸入功率不變，理論上的制冷循環(huán)如實(shí)線表示，實(shí)際上的近似制冷循環(huán)如虛線表示。理論上制冷循環(huán)按照4-1-2-3-4循環(huán)；由于實(shí)際制冷系統(tǒng)存在壓力損失和熱力損失，因此實(shí)際的制冷循環(huán)是按照5-1-2-6-5循環(huán)。

從圖6中近似實(shí)際的制冷循環(huán)明顯可以看出：Qe'＞（Qc’-W），同時(shí)根據(jù)COP1=Qe’/W和COP2=(Qc’-W)/W，所以COP1＞COP2，與實(shí)際測試情況相符。因此通過間接方法測得的機(jī)組效率可以驗(yàn)證直接法測試數(shù)據(jù)是有效、客觀和準(zhǔn)確的。

6 結(jié)語

在用水冷冷水機(jī)組受用冷負(fù)荷波動(dòng)、電源情況和外圍環(huán)境影響準(zhǔn)確，拋開工況測試機(jī)組效率是毫無意義的，其結(jié)果不具有任何參考價(jià)值。

圖6 理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)差異示意圖

通過間接法測試機(jī)組效率驗(yàn)證直接法測得效率，更能客觀反映機(jī)組在當(dāng)時(shí)工況下的效率，其方法更嚴(yán)密、結(jié)果更可靠，也更能得到用能單位和政府節(jié)能主管部門的認(rèn)可。

[1] 1998 standard for water chilling packages ARI-550/590-98

[2] 設(shè)備熱效率計(jì)算通則 GB/T2588-2000

[3] 蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組性能試驗(yàn)方法 GB/T10870-2014

[4] 工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水(熱泵)機(jī)組 GB/T18430.1-2007

[5] 燃?xì)庵比夹弯寤囄帐嚼洌幔┧畽C(jī)組安全和能效技術(shù)要求DB31/435-2009

[6] 集中式空調(diào)（中央空調(diào)）系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行與管理技術(shù)要求 DB31/ T255-2003

Study on Existing Chiller Plant Efficiency Test Method

Liu Zhengen

Shanghai Energy Efficiency Center

∶The article introduces load rate impact on chiller plant efficiency and compares with difference between laboratory test efficiency and online test efficiency. The author puts forward some suggestions for chiller plant test method, such as using indirect test method result to verify direct test method result with practical test cases as additional intructions. The author carries out theoretical analysis of difference from both test methods result.

∶Chiller Plant, Load Rate, Efficiency, Test Method