嚴 琨，曾賀湛，王 升

（1.珠海橫琴能源發(fā)展有限公司，珠海519000；2.珠海格力電器股份有限公司，珠海519070）

1 引言

隨著我國城市的迅速發(fā)展，城市中公共建筑占比逐年提高，而在公共建筑能耗中，空調(diào)系統(tǒng)能耗占30%～50%，其中制冷主機、水泵和冷卻塔能耗 （統(tǒng)稱為冷站能耗）占70%以上［1］。目前全球能源緊缺，在全國節(jié)能減排的大背景下，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗已經(jīng)勢在必行。因此，提升冷站的運行能效水平對公共建筑節(jié)能具有重大意義。

近年來隨著商用空調(diào)領域人力成本的提升、現(xiàn)場施工環(huán)境的不斷提高和完善，新型的一體式冷水機組應運而生，它具有廠內(nèi)標準化生產(chǎn)和現(xiàn)場零施工調(diào)試等優(yōu)勢。目前主機為永磁同步變頻離心機、水冷螺桿機、定頻離心機、風冷螺桿機的一體式冷水機組構(gòu)成了主力空調(diào)機型［2，3］。研究不同主機類型一體式冷水機組的全年運行能耗，對提升冷站節(jié)能效果具有重要意義。

2 一體式冷水機組的概況

一體式冷水機組將冷凍機房、冷水機組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、膨脹水箱及冷站系統(tǒng)管道設備和測控裝置集成一體化裝置［4］，使中央空調(diào)系統(tǒng)的設計和安裝調(diào)試變得簡單可靠。一體式冷水機組內(nèi)部各部件的裝配圖如圖1所示，它不需要額外設置空調(diào)機房，直接放置在空地上連接好主電源及空調(diào)系統(tǒng)冷凍水進／出水管，即可投入運行使用［5］。一體式冷水機組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，一體式冷水機組內(nèi)部主要分為冷水機組、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 一體式冷水機組集成式裝配圖

3 一體式冷水機組運行能效分析

本節(jié)基于DeST軟件和一體式冷水機組全工況性能曲線進行能耗仿真。其中，DeST軟件是由清華大學開發(fā)的建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬軟件平臺。該平臺能夠進行建筑環(huán)境模擬預測以及性能評估［6］。本文通過全年逐時能耗仿真，對各類型一體式冷水機組的運行能效進行對比分析。

圖2 一體式冷水機組內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

3.1 建筑負荷模擬

本文研究的建筑對象為珠海地區(qū)建筑面積為9373m2的辦公建筑。根據(jù)建筑負荷模擬結(jié)果，確定全年冷負荷最高日為8月7日。圖3展示了8月7日的冷負荷和濕球溫度逐時變化趨勢圖。

圖3 8月7日冷負荷和濕球溫度變化趨勢

圖4 展示出了從3月到11月的逐月單位面積制冷量，其中4月的單位面積制冷量最低，制冷量為19.6kWh／m2；7月份的單位面積制冷量最高，制冷量為37.0kWh／m2。全年單位面積累計制冷量為 254.3 kWh／m2。

3.2 方案設計

一體式冷水機組主機分別采用變頻離心機、定頻離心機、水冷螺桿機、以及風冷螺桿機。為了研究不同一體式冷水機組類型的全年運行能效，本文采用四種額定制冷量同為400RT的一體式冷水機組各一臺進行仿真模擬。表1是模擬計算時所采用的各類型一體式冷水機組的主要參數(shù)。

圖5（a）和 （b）分別是在冷凍水出水溫度為7℃、冷卻水進水溫度分別為 15℃、19℃、23℃、26℃和30℃的工況下永磁同步變頻離心機和定頻離心機的全工況性能曲線圖?？梢钥闯觯诶鋮s水溫度較低 （26℃以下）時，永磁同步變頻離心機的機組能效比提升顯著，現(xiàn)對于定頻離心機能效優(yōu)勢明顯。

圖4 系統(tǒng)逐月單位面積制冷量

表1 一體式冷水機組系統(tǒng)主要參數(shù)

3.3 能耗仿真結(jié)果

本文通過典型日、逐月和全年等三個維度對一體式冷水機組的全年運行能效進行分析。

一體式冷水機組系統(tǒng)能效的評估，需要計算統(tǒng)計冷水機組運行效率 （COP），系統(tǒng)耗電量以及系統(tǒng)綜合能效比 （EERs）等參數(shù)。其中，COP是指冷水機組制備的冷量與冷水機組能耗之比。EERs是空調(diào)系統(tǒng)制備的總冷量與空調(diào)系統(tǒng)總能耗之比。系統(tǒng)耗電量包含主機、冷凍水泵系統(tǒng)、冷卻水泵系統(tǒng)和冷卻塔風機系統(tǒng)的耗電量［7］。

（1）負荷最高日情況

圖6（a）和 （b）分別對比了典型日8月7日主機為永磁同步變頻式離心機、水冷螺桿機、定頻離心機、風冷螺桿機的一體式冷水機組的系統(tǒng)逐時綜合能效比以及系統(tǒng)逐時單位耗電量。根據(jù)圖6（a），永磁同步變頻式離心機的系統(tǒng)逐時綜合能效比最高，其次是水冷式螺桿機組和定頻離心式機組，最低的是風冷式冷水機組。根據(jù)圖6（b），風冷式螺桿機組的日系統(tǒng)耗電量最高，然后是定頻離心機、水冷螺桿機，永磁同步變頻式離心機的系統(tǒng)耗電量最小。其中，在12點能耗出現(xiàn)拐點的原因是，中午時分工作場所人員休息導致負荷偏低，使得耗電量降低?？梢钥闯觯来磐阶冾l式離心機在8月7日運行期間的系統(tǒng)綜合能效比相對于其它3種機組類型具有明顯優(yōu)勢。

圖5 永磁同步變頻離心機和定頻離心機的性能曲線圖

（2）逐月情況

圖7（a）和 （b）分別對比了主機為永磁同步變頻離心機、水冷螺桿機、定頻離心機、風冷螺桿機的一體式冷水機組逐月系統(tǒng)綜合能效比以及逐月系統(tǒng)單位面積耗電量。根據(jù)圖7（a），整個機組運行期間，相同月份永磁同步變頻離心機的系統(tǒng)綜合能效比最高，其次是水冷式螺桿機組和定頻離心式機組，最低的是風冷螺桿機；根據(jù)圖7（b），整個機組運行期間，相同月份風冷螺桿式冷水機組的系統(tǒng)耗電量最高，其次是定頻離心機和水冷螺桿機，永磁同步變頻離心機的系統(tǒng)耗電量最低。在3、4、10、11月等過渡季節(jié)下，主機為永磁同步變頻離心機的一體式冷水機組的節(jié)能效果更突出。（3）全年情況

全年情況分冷水機組和一體式冷水機組系統(tǒng)兩種情況討論。

1）冷水機組情況

圖8展示了冷水機組全年能效比COP和單位耗電量。根據(jù)圖8（a），使用永磁同步變頻離心機的全年機組能效比COP最高，達到8.63；其次是水冷螺桿機和定頻離心機，分別為6.28和5.82；全年機組能效比COP最低的是風冷螺桿機，僅為3.33。永磁同步變頻離心機機組能效比幾乎是風冷螺桿機的3倍。根據(jù)圖8（b），永磁同步變頻離心機、水冷螺桿機、定頻離心機和風冷螺桿機的全年機組單位面積總耗電量逐漸增加，分別為29.47 kW·h／m2、40.50 kW·h／m2、43.68kW·h／m2和76.46 kW·h／m2。永磁同步變頻離心機相對于水 冷螺桿機、定頻離心機和風冷螺桿機的機組節(jié)能率 分別為27.24%、32.54%和61.46%?？梢钥闯鲈谥迫⊥瑯又评淞康那疤嵯拢来磐阶冾l離心機的機組節(jié)能效果明顯。

圖6 典型日一體式冷水機組系統(tǒng)綜合能效比和逐時耗電功率

圖7 一體式冷水機組逐月系統(tǒng)綜合能效比和單位面積耗電量

圖8 冷水機組全年機組能效比和單位面積耗電量

2）一體式冷水機組系統(tǒng)情況

圖9展示了全年一體式冷水機組和風冷螺桿式冷水機組系統(tǒng)綜合能效比 （EERs）和單位耗電量。根據(jù)圖9（a），使用永磁同步變頻離心機的一體式冷水機組的全年系統(tǒng)綜合能效比最高，為6.54；其次是水冷螺桿機和定頻離心機，分別為5.09和4.78；全年系統(tǒng)綜合能效比最低的是風冷螺桿機系統(tǒng)，僅為3.19，永磁同步變頻離心機系統(tǒng)綜合能效比是風冷螺桿機系統(tǒng)的2倍多。根據(jù)圖9（b），永磁同步變頻離心機、水冷螺桿機、定頻離心機和風冷螺桿機的全年系統(tǒng)單位總耗電量逐漸增加，分別 為 38.89 kW · h／m2、49.97 kW · h／m2、53.17kW·h／m2和 79.80 kW·h／m2，全年系統(tǒng)綜合能效比逐漸降低，分別為6.54、5.09、4.78和3.19。永磁同步變頻離心機相對于水冷螺桿機、定頻離心機和風冷螺桿機的系統(tǒng)節(jié)能率分別為22.17%、26.84%和51.26%?？梢钥闯霾捎糜来磐阶冾l離心機的一體式冷水機組系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。

圖9 一體式冷水機組全年系統(tǒng)綜合能效比和單位面積耗電量

4 結(jié)論

（1）在制取相同制冷量的情況下，主機為永磁同步變頻離心機的一體式冷水機組全年系統(tǒng)綜合能效比 （EERs）最高，達到了6.54，相對于主機為水冷螺桿機、定頻離心機和風冷螺桿機的一體式冷水機組的全年系統(tǒng)節(jié)能率分別為22.17%、26.84%和51.26%。

（2）在只考慮冷水機組情況下，永磁同步變頻離心機的運行能效 （COP）最高，達到了8.63，相對于主機為水冷螺桿機、定頻離心機和風冷螺桿機的節(jié)能率分別為27.24%、32.54%和61.46%?？梢缘贸?，在不考慮冷凍水和冷卻水系統(tǒng)功耗的情況下，永磁同步變頻離心機的節(jié)能優(yōu)勢明顯。

（3）在3、4、10、11月等過渡季節(jié)下，主機為永磁同步變頻離心機的一體式冷水機組的節(jié)能效果更突出。