寧太剛 劉文浩 沈丹丹

(1.浙江大學建筑設計研究院有限公司,杭州;2.蘇州愛博斯蒂低碳能源技術有限公司,蘇州)

0 引言

根據中國建筑節(jié)能協(xié)會統(tǒng)計,2018年我國建筑運行能耗占總能源消耗的21.7%,建筑運行階段碳排放占全國碳排放的21.9%[1];文獻[2]指出,建筑空調能耗約占建筑總運行能耗的50%,其中冷水機組是影響空調能耗的關鍵。GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》規(guī)定:新建公共建筑平均設計能耗水平應在2016年執(zhí)行的節(jié)能設計標準的基礎上降低20%,碳排放強度平均降低7 kg/(m2·a)以上;建筑全年供冷和供暖總耗電量采用全年累計冷熱量與冷熱源系統(tǒng)綜合性能系數進行計算,同時給出了不同建筑氣候分區(qū)冷熱源系統(tǒng)的綜合性能系數取值。GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》規(guī)定,冷熱源能源消耗量計算應考慮能源系統(tǒng)形式、效率、部分負荷特性等的影響。上述標準均針對冷熱源能源消耗量計算進行了規(guī)定。GB 55015—2021給出了不同建筑氣候分區(qū)冷熱源系統(tǒng)的綜合性能系數取值,由于建筑類型、建筑功能及使用條件的區(qū)別,同時空調冷負荷受壓縮機類型、供回水溫度、冷卻水溫度等內外部因素的影響,采用綜合性能系數法計算冷熱源能源消耗量勢必存在一定的誤差,而GB/T 51366—2019中并未給出具體的冷水機組運行能耗計算方法。

綜上,本文對離心式冷水機組性能特性進行分析,結合市場上主流廠家提供的離心式冷水機組變工況運行能效數據進行性能曲線擬合、驗證,并以杭州市某辦公建筑為例采用不同計算方法對比分析冷水機組運行能耗,為類似冷水機組運行能耗計算及運行策略制定提供參考。

1 冷水機組性能特性分析

1.1 冷水機組能效影響因素

影響冷水機組能效的因素可分為內部因素和外部因素。內部因素主要涉及機組型式、壓縮機性能、換熱器性能、制冷劑熱力學性質等。外部因素則是指機組負荷率、冷水溫度、冷卻水溫度等影響壓縮機性能的因素。由于影響因素較多,冷水機組能效計算模型數學方程階次高,求解復雜,因此有必要對影響因素進行選擇性剔除以簡化計算模型,同時保持模型的穩(wěn)定性和可靠性。

冷水機組的負荷率及蒸發(fā)器、冷凝器的進出水溫度對壓縮機能效有著直接的影響,進而影響機組能耗。其中,當冷水出水溫度一定時,冷水回水溫度變化對機組蒸發(fā)溫度及壓縮機性能系數影響較小[3],冷卻水出水溫度可根據機組負荷率及冷卻水進口溫度與冷卻水流量計算得出,故本文將冷水機組負荷率、冷水出水溫度、冷卻水進水溫度作為主要擬合變量,并根據壓縮機是否變頻、冷卻水是否變流量設定4種運行策略,見表1。

表1 運行策略

1.2 冷水機組運行工況分析

1.2.1冷水機組不同運行工況下的性能

目前用于集中空調的離心式冷水機組主要分單級壓縮、雙級壓縮及多級壓縮制冷形式,制冷劑常見類型為R407C、R404A、R410A、R134a等。受篇幅限制,筆者主要以市場主流廠家提供的使用R134a制冷劑的雙級壓縮離心式冷水機組的運行數據進行分析。設定冷水系統(tǒng)變流量運行,冷水進出水溫差為5 ℃。冷卻水系統(tǒng)變流量運行時冷卻水進出水溫差為5 ℃。采用不同工況下多個型號冷水機組的COP均值作為依據,根據表1運行策略,繪制得到不同負荷率下機組性能系數隨冷水出水及冷卻水進水溫度變化的曲線,見圖1、2。

圖1 冷水機組不同負荷率下性能系數隨冷水出水溫度的變化

圖2 冷水機組不同負荷率下性能系數隨冷卻水進水溫度的變化

1.2.2冷水機組調節(jié)性能

定頻離心式冷水機組在部分負荷下運行時,通過改變導流葉片的開度控制制冷工質流量來調節(jié)機組容量輸出。當導流葉片關小時,在絕大部分調節(jié)范圍內,導流葉片阻礙了制冷劑的流動,從而降低了壓縮機的效率,使得部分負荷時機組的制冷性能變差。當機組負荷率降低至一定幅度(如30%以下)時,控制裝置將使壓縮機入口導流葉片慢慢關閉,這就減少了壓縮機吸入制冷劑的量,當制冷劑流量小到一定值時,壓縮機的氣體無法被壓出,在葉輪內造成渦流,冷凝器中的高壓氣體會被導流至葉輪,使壓縮機內的氣體瞬時增加,但由于蒸發(fā)器中氣體流量較小,且固定不變,以致產生氣體分離。如此周而復始,就出現(xiàn)周期性的來回脈動氣流,這種現(xiàn)象叫作“喘振”。有些冷水機組生產廠家為達到在較低機組負荷率下延遲喘振,經常采用熱氣旁通調節(jié)。當冷負荷較小、逼近喘振點時,通過開啟旁通管上的電動調節(jié)閥讓一部分制冷劑氣體從冷凝器旁通到壓縮機的吸氣口,維持一定流量的制冷劑進入壓縮機,這部分制冷劑在壓縮機內消耗壓縮機功而不制冷,嚴格講,這是一個避免壓縮機喘振的措施,而不能作為負荷調節(jié)的措施。圖1、2中運行策略1、2冷水機組負荷率低于30%時性能發(fā)生陡降正是基于上述原因,而60%～100%負荷率區(qū)間機組效率較高。

變頻離心式冷水機組在部分負荷下運行時采用變頻調節(jié),壓縮機的功耗與轉速的三次冪成正比,在部分負荷時通過優(yōu)化電動機轉速和導流葉片的開度使機組在高效區(qū)運行。機組可以實現(xiàn)在大部分負荷率下導流葉片全開,通過變頻來控制機組加減載,確保壓縮機高效運行。由圖1、2中運行策略3、4可知,變頻離心式冷水機組部分負荷率時的調節(jié)能力明顯優(yōu)于定頻機組,同時隨著冷水出水溫度升高或冷卻水進水溫度降低,機組運行高效區(qū)逐漸擴大,高效點逐步趨近于50%負荷率,機組能效整體提升明顯。

為直觀對比4種運行策略下負荷率對冷水機組能效的影響,規(guī)定各種策略滿負荷時的COP為5.8,冷水出水溫度7 ℃、冷卻水進水溫度30 ℃時冷水機組在不同負荷率下的COP如圖3所示。由圖3可知,在部分負荷率下冷水機組冷卻水定流量運行相比變流量運行能效均有所提升,變頻壓縮式冷水機相對定頻冷水機組能效提升更明顯。冷卻水變流量運行常規(guī)控制邏輯為定溫差變流量運行,冷卻水定流量運行機組部分負荷率時因冷卻水流量不變、換熱溫差減小,冷凝器出水溫度降低,故對于冷水機組而言,定冷卻水流量運行更為有利。但該工況由于定流量運行,冷卻水泵能耗加大,故需權衡判斷綜合能耗。

圖3 冷水機組不同運行策略下的性能系數

1.2.3溫度對冷水機組性能的影響

由圖1、2可知:冷水機組性能隨冷水出水溫度升高或冷卻水進水溫度降低而提升;變頻冷水機組相比定頻機組在冷水和冷卻水溫度變化時能效變化更為敏感,較低負荷率時尤為敏感,具體敏感度見表2。

表2 冷水機組隨冷水出水、冷卻水進水溫度變化的能效敏感度

2 冷水機組能效曲線擬合

2.1 擬合公式

本文采用最小二乘法進行擬合,離心式冷水機組性能曲線擬合公式見式(1)[4]。式(1)確保了名義工況下計算結果的準確性,并且保證了名義工況下COP數值不同的冷水機組的可擴展性。以平均絕對誤差E1及均方誤差E2對擬合結果進行評價,具體結果見表3。

表3 冷水機組不同運行策略下的性能擬合系數及E1和E2

(1)

式中η為冷水機組運行性能系數;η0為名義工況下冷水機組性能系數;t1,0為名義工況冷水出水溫度,℃,取7 ℃;t2,0為名義工況冷卻水進水溫度,℃,取30 ℃;n為冷水機組負荷率;k1～k8為擬合系數,見表3。

2.2 擬合驗證

本文選取某工程冷水機組實際運行數據進行擬合驗證。分別對該工程3臺冷水機組進行驗證,具體參數見表4。運行數據時間跨度為2021年9月至2022年9月,包括:室外溫濕度、冷水機組輸入功率、蒸發(fā)器進出口溫度、冷凝器進出口溫度、機組負荷率。其中,蒸發(fā)器及冷凝器進出口溫差相對不固定,大部分在4～5 ℃之間波動,且不超過5 ℃,冷卻水流量隨負荷率的變化如圖4所示,基本表現(xiàn)為冷卻水定流量運行。

圖4 冷卻水流量隨負荷率的變化

表4 驗證用冷水機組參數

針對以上3臺冷水機組的運行數據,采用式(1)及表3中的系數進行計算,預測數據與實際運行數據的誤差如表5所示。隨機選取部分運行數據進行驗證的結果如表6所示。由表5可見,E1及E2的值與表3中對應的值較為接近,且平均相對誤差較小,證明擬合有效可行。

表5 預測數據與實際運行數據誤差

表6 數據驗證結果

3 冷水機組運行能耗計算

目前冷水機組運行能耗的計算方法主要包括以下幾種:

1) 采用IPLV值進行全年運行能耗的計算,IPLV分別采用ARI 590-98及GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設計標準》中的公式進行計算,分別記為ζA、ζG。

ζA=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D

(2)

ζG=0.012A+0.328B+0.397C+0.263D

(3)

式(2)、(3)中A為100%負荷率、冷卻水進水溫度30 ℃時的性能系數;B為75%負荷率、冷卻水進水溫度26 ℃時的性能系數;C為50%負荷率、冷卻水進水溫度23 ℃時的性能系數;D為25%負荷率、冷卻水進水溫度19 ℃時的性能系數。

2) 根據JGJ/T 288—2012《建筑能效標識技術標準》的規(guī)定,將冷負荷率劃分為0～25%、25%～50%、50%～75%、75%～100%共4個部分進行計算,計算式如下:

(4)

式中Ea為全年冷水機組耗電量,kW·h;Qa～Qd分別為建筑負荷率0～25%、25%～50%、50%～75%、75%～100%區(qū)間內的累計冷負荷,kW·h;ηa～ηd分別為建筑負荷率0～25%、25%～50%、50%～75%、75%～100%區(qū)間內的機組性能系數。

3) 將全年的冷負荷進行分組計算冷水機組運行能耗。張志剛根據機組啟停的不同將全年分為3個組,每個組內采用固定的COP進行計算[5];陶嘉楠等人根據每日累計建筑負荷將全年劃分為10個組,并將最靠近組中平均負荷的日子定為組中典型日,以其耗電量代替組中其余天數耗電量,將典型日中不同負荷率下的機組COP視為室外濕球溫度的一次函數,得到多個負荷率下的性能曲線,該研究還指出劃分組數較少時誤差將變得較為明顯[6]。

4) 性能曲線法。采用性能曲線法計算冷水機組運行能耗一般認為其計算結果更準確,但需要較全面的機組運行數據或者廠商提供的性能曲線[7]。由上述擬合驗證可知,采用本文擬合得到的性能曲線,能夠在設計階段較好地表征實際運行的冷水機組性能曲線,為能耗計算提供支持。

本文采用IPLV、JGJ/T 288—2012《建筑能效標識技術標準》、陶嘉楠等人的典型日法[6]及本文的性能曲線法分別計算某建筑冷水機組的運行能耗,并對計算結果進行對比分析。

3.1 建筑模型

建筑位于浙江省杭州市,為20層的辦公建筑,高86.2 m,空調房間面積共計36 300 m2,空調系統(tǒng)新風比如圖5所示。設計日最大冷負荷為7 000 kW,采用某能耗軟件計算全年逐時冷負荷,結果如圖6所示,計算日空調逐時冷負荷曲線如圖7所示。設計采用2臺單臺制冷量為3 517 kW的離心式冷水機組,冷水系統(tǒng)變流量運行,冷水進出水溫差為5 ℃,冷卻水系統(tǒng)變流量運行時冷卻水進出水溫差為5 ℃,名義工況定頻機組COP為5.908,變頻機組COP為5.818。運行策略設定為當所需冷負荷達到最大冷負荷的45%時,開啟2臺機組,平均承擔冷負荷,否則由1臺機組承擔全部冷負荷。

圖5 建筑空調系統(tǒng)新風比

圖6 建筑全年逐時冷負荷

圖7 計算日空調逐時冷負荷

3.2 計算結果對比

冷水機組不同運行策略下的IPLV計算結果見表7。按JGJ/T 288—2012《建筑能效標識技術標準》計算的各部分累計冷負荷及不同運行策略COP見表8。在典型日法及性能曲線法計算中,冷水出水溫度設定為7 ℃,冷卻水進水溫度受室外氣象影響,本文以冷卻塔逼近度4 ℃進行計算,典型日法不同負荷率對應天數的劃分見圖8,累計負荷及冷水機組能耗見表9,不同計算方法對應的冷水機組運行能耗見表10。

圖8 典型日累計負荷率對應天數

表7 IPLV計算結果

表9 典型日累計負荷及冷水機組能耗

表10 冷水機組能耗計算結果 kW·h

表10中ζG與ζA法計算結果相比其他方法計算結果明顯偏小,這主要是由于ζG、ζA法計算低負荷狀態(tài)下的能耗時采用的冷卻水進水溫度偏低。由圖9建筑空調負荷率與濕球溫度的散點圖及表11建筑空調負荷率對應的平均濕球溫度可知,低負荷并非意味著低室外濕球溫度,建筑總冷負荷占比為25%～50%時的平均濕球溫度為22.2 ℃,冷卻水進水溫度約為26.2 ℃,而非式(2)、(3)計算中采用的23.0 ℃。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的一個原因是杭州處于夏熱冬冷地區(qū),濕度較大;另一個原因是新風供給量的取值影響。由圖7可知,新風負荷為建筑負荷的主要組成部分,而濕球溫度是單位新風負荷的重要影響因素,因此圖9建筑負荷率與濕球溫度的散點圖中顯示的趨勢線主要受新風供給量的影響。

圖9 建筑空調負荷率與濕球溫度的散點圖

表11 建筑空調負荷率對應的平均濕球溫度

由于JGJ/T 288—2012中給出的冷水機組能耗計算方法忽略了冷卻水溫度變化對主機能效的影響,對比表10中策略1～4的計算結果可知,JGJ/T 288—2012法在不同運行策略下的計算結果差異較小,說明該方法未能體現(xiàn)變頻冷水機組的優(yōu)勢,同時解釋了冷水機組在運行策略3、4下JGJ/T 288—2012法相比典型日法與性能曲線法運行能耗更高的原因。由于JGJ/T 288—2012法中ηa～ηd無法較好地統(tǒng)計核算,因此本文選取負荷率為25%、50%、75%、100%時的機組性能系數作為ηa～ηd對應的性能系數,故而在運行策略1、2下JGJ/T 288—2012法相較典型日法及性能曲線法計算結果更小。

典型日法與性能曲線法不同運行策略下的冷水機組能耗計算結果差距較小,約為3%。典型日法將冷水機組在每個負荷率下的COP視為隨冷卻水溫度變化的一次函數,實際上冷水機組在每個負荷率下隨冷卻水溫度變化能效提升或降低的幅度是存在一定差異的。由圖2中冷水機組性能曲線疏密程度可知,冷卻水溫度變化對于冷水機組COP的影響不完全是線性關系,因此必須更細致地分組才能得到更精確的計算結果,這也意味著更復雜的計算過程。

4 結論

1) 離心式冷水機組冷水出水溫度及冷卻水進水溫度的變化直接影響冷水機組的性能,冷卻水溫度變化敏感度高于冷水。

2) 變頻離心式冷水機組相比定頻離心式冷水機組對冷水出水溫度或冷卻水進水溫度的變化更為敏感。

3) 離心式冷水機組在60%～100%負荷率時性能較好,變頻機組隨著冷水出水溫度升高或冷卻水進水溫度降低高效區(qū)逐漸擴大,高效點逐步趨近于50%負荷率。

4) IPLV法規(guī)定的冷水機組冷卻水進水溫度與實際運行數據差異較大;JGJ/T 288—2012《建筑能效標識技術標準》規(guī)定的方法忽略了冷卻水溫度變化對冷水機組能效的影響;典型日法需要較多的空調冷負荷區(qū)間分組及更為復雜的計算過程。

5) 冷水機組性能曲線法能夠真實地反映不同運行工況下冷水機組的運行能效。

6 展望

在設計階段基于冷水機組的性能曲線可優(yōu)化冷源配置,在滿足建筑用冷需求的同時配置較優(yōu)的冷源方案。至于將機組性能曲線作為尋優(yōu)控制的依據,限于篇幅本文未深入分析。