福建省建筑科学研究院 陈仕泉 杨淑波 瞿端仁 陆观立
摘 要：冷水机组的能耗占空调系统能耗的50%左右，冷水机组的运行节能是空调系统节能中最重要的部分。经调查，长期以来，我国冷水机组多数是在90%以上负荷率的非高效区运行，没有完全发挥冷水机组高效区的性能优势，造成了极大的能源浪费。本文通过对冷水机组高效运行策略进行研究，得出高效运行策略将冷水机组运行节能率平均提高了32%。
关键词：冷水机组；高效运行策略；节能率
0 前言
近十几年，我国暖通空调行业在设备制造方面由于不断的创新，设备技术性能和产品质量都不断的提高，为我国城市建设做出了巨大的贡献，取得了令世界瞩目的成就。但是，在暖通空调系统操作与管理方面还比较落后，造成“高端产品低端使用”的严重现象。即高性能、节能型的产品在实际工程使用时没有发挥其作用，或者说实际使用不节能。
经分析存在以下问题：
（1）设计文件中没有提供所选用的冷水机组应该如何节能运行的说明，更没有提供“冷水机组高效运行策略表”；
（2）制造商供货时没有向业主提供“冷水机组全负荷性能参数或全负荷性能曲线图”；
（3）空调系统的操作工人多数为非专业技术人员，一般只经过简单培训后即上岗。
以上3点造成我国空调系统操作与管理技术水平较低。经对实际工程调查发现：中央空调系统的操作工是根据当地的室外气温和自己的经验确定冷水机组的运行台数，而且，多数在线运行的冷水机组均在运行状态90%以上的非高效区运行，不节能。而科学的运行管理可以将冷水机组的性能发挥到最大化，其节能效果是十分显著的。
1 冷水机组的高效区与非高效区
磁悬浮冷水机组、定变频离心冷水机组、螺杆冷水机组在其全负荷性能曲线图中，当冷负荷比例小于100%时，其部分负荷的性能参数COP值均大于100%负荷时的性能参数COP值，如下图1所示。
全负荷性能曲线并没有高效区与非高效区之分，图中椭圆线部分的所谓高效区与非高效区是本文分析方便而设定的，即：部分负荷的COP值与100%负荷率的COP值之比其节能率大于等于10%为高效区，小于10%为非高效区。
图1 水冷磁悬浮机组全负荷性能曲线图
2 冷水机组高效运行策略
所谓冷水机组高效运行策略是：冷水机组在满足空调系统全年冷负荷需求的同时，冷水机组必须在其全负荷性能曲线的高效区运行。
2.1 冷水机组高效运行策略表的编制要求
“冷水机组高效运行策略表”应根据空调系统室内夏季冷负荷、冷水机组的机型、台数、全负荷性能参数及曲线等进行编制。为了保证冷水机组在满足空调系统使用要求的同时又要保证在高效区运行，“冷水机组高效运行策略表”的编制应满足如下要求：（a）主机运行台数转换后比转换前能耗小；（b）主机运行台数转换时制冷量与室内冷负荷的差值不超过5%~7.5%。
2.2 相同制冷量不同冷水机组高效运行策略表
2.2.1 水冷变频磁悬浮离心冷水机组高效运行策略表
如制冷量为6300kW，3台2100kW水冷变频磁悬浮离心冷水机组高效运行策略表见表1。
表1 水冷变频磁悬浮离心冷水机组高效运行策略表
从表1分析，当主机同频率运行至65%状态时，虽然校验冷量满足“冷水机组高效运行策略表”5%的编制要求，但校验功率696kW大于运行功率413kW，所以不能进行运行台数的转换。当主机同频率继续运行至40%状态时，校验冷量为0kW，校验功率为230kW，接近运行功率，即两者均满足“冷水机组高效运行策略表”的编制要求，将3台运行状态40%的主机转换成2台50%运行状态继续运行；当2台50%运行状态的主机运行至35%时，再卸1台；剩下1台主机在短时间内由将运行状态由35%调整为45%继续运行至满足最小负荷的要求。
2.2.2 水冷变频磁悬浮离心冷水机组全负荷性能曲线图
分析表1和图2，主机从3台转为2台运行和2台转为1台运行时均满足“冷水机组高效运行策略表”编制的要求，水冷变频磁悬浮离心冷水机组高效区的运行能耗与负荷率100%的运行能耗相比节能率为47%。
图2 2100kW水冷变频磁悬浮离心冷水机组全负荷性能曲线图
2.2.3 水冷定变频螺杆冷水机组高效运行策略表
如制冷量为6000kW，3台2000kW水冷定、变频螺杆冷水机组高效运行策略表见表2、表3。
表2 3台2000kW变频螺杆冷水机组高效运行策略表
表3 3台2000kW定频螺杆冷水机组高效运行策略表
2.2.4 水冷定变频螺杆冷水机组全负荷性能曲线图
分析图3：对于同冷量的水冷螺杆冷水机组来说，在负荷率100%~10%之间的COP值相差很小，节能率基本相同。定频螺杆机组在负荷率50%以下其COP值开始降低，但其COP值仍然高于100%负荷率时的COP值。变频螺杆机组从负荷率100%~20%其COP值一直保持上升，负荷率20%以下其COP值才开始降低，负荷率到10%时其COP值仍然高于100%负荷率时的COP值近一倍。从图3中知道，变频螺杆机组可运行至10%，而定频螺杆机组只能运行至20%。
图3 2000kW水冷螺杆机组全负荷性能曲线图
从图3、表2及表3分析，主机从3台转为2台运行和2台转为1台运行时均满足“冷水机组高效运行策略表”编制的要求，水冷变频螺杆冷水机组高效区的运行能耗与负荷率100%的运行能耗相比节能率为44%；水冷定频螺杆冷水机组高效区的运行能耗与负荷率100%的运行能耗相比节能率为34%。
2.2.5 水冷离心冷水机组高效运行策略表
如制冷量为9000kW，3台3000kW水冷定变频离心冷水机组高效运行策略见表4、表5。
表4 3台3000kW的水冷变频离心冷水机组高效运行策略表
表5 3台3000kW的水冷定频离心冷水机组高效运行策略表
2.2.6 水冷定变频离心冷水机组全负荷性能曲线图
分析图4：水冷定频离心冷水机组从负荷率100%~10%之间其全负荷性能曲线均比较平缓，在负荷率100%~50%之间最大的COP值与100%时的COP值比较相差很小；负荷率50%~10%之间COP值下降较快，特别是在负荷率30%以下更快，且COP值均低于100%时的COP值。所以，水冷定频冷水机组高效运行策略的节能率较低。水冷变频离心冷水机组从负荷率100%~10%其COP值一直上升，高效运行策略的节能率较高。同时得知：采用水冷离心冷水机组时最好选用变频的，因为两者在高效区的节能率相差很大，定频离心机在高效区的节能率相差很小。
图4 3000kW水冷离心冷水机组全负荷性能曲线图
从上图4、表4和表5分析，主机从3台转为2台运行和2台转为1台运行时均满足“冷水机组高效运行策略表”编制的要求，水冷变频离心冷水机组高效区的运行能耗与负荷率100%的运行能耗相比节能率为37%；水冷定频离心冷水机组高效区的运行能耗与负荷率100%的运行能耗相比节能率为8.2%。
从表1、表2和表4分析，变频磁悬浮、变频螺杆、变频离心机冷水机组从3台转为2台运行时其运行状态较低25%~40%，2台转为1台运行时主机的运行状态在25%~35%，节能效果十分显著。从表5分析：水冷定频离心冷水机组从3台转为2台运行时其运行状态较高60%，2台转为1台运行时其运行状态在50%，节能效果较差。
3 如何实现冷水机组在高效区自动运行
3.1 手动高效运行
手动高效运行是根据室内空调负荷变化和冷水机组运行状态以及操作管理人员观察主机的运行状态进行手动干预的方法实现冷水机组的高效运行和冷水机组运行台数转换。但前提条件是操作管理人员要经常的观看智能控制柜或管理中心的电脑，及时的通过手动调整冷水机组的运行状态或运行台数的变化。当操作管理人员不在岗时就无法完成以上工作，进而运行的节能量就受到影响，或者说，节能量无法得到保证。
3.2 自动高效运行
自动高效运行是根据室内空调负荷变化和“冷水机组高效运行策略表”以及冷量计可实现主机在高效区自动运行。即，在回水总管上安装1个流量计，实时测得回水管的流量变化，与给回水总管上测得的温度同时输入冷量计进行计算空调系统的冷量。将实时测得的空调系统的冷量与根据“冷水机组高效运行策略”设定的空调冷负荷相对值进行比较，自动调节冷水机组的运行状态，实现了满足空调系统冷负荷要求的同时又使冷水机组在高效区运行。高效运行空调冷水系统图和控制流程图见图5、6。
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| 图5 高效运行空调冷水系统图 | 图6 控制流程图 |
由于冷水机组运行状态只有显示功能，而不能作为控制、设定等功能，所以，只能通过外加冷量计，将实测的数据与设定值进行比较，使冷水机组自动的在其全负荷性能曲线的高效区运行，且实现冷水机组运行台数的自动转换。
如表1，空调系统的总冷量相对值在100%~10%之间时，3台2100kW变频磁悬浮冷水机组同频率运行，当空调系统的总冷量相对值在40%~35%时转换为2台主机运行，此时主机的运行状态发生改变，空调系统的总冷量相对值小于35%时转为1台主机运行，此时，主机再一次调整运行状态直至满足空调系统最小冷负荷的要求。冷水机组运行台数转换时主机的运行状态都会发生改变，这种运行状态的改变冷水机组在短时间内就能调整，不影响空调系统的运行安全和系统的稳定性。
4 总结
（1）冷水机组高效运行策略是根据实际工程项目的夏季室内冷负荷、主机台数、型号、全负荷性能参数或曲线进行编制的。
（2）冷水机组高效运行策略编制的要求是主机应在全负荷性能曲线的高效区运行；主机运行台数转换时其制冷量与室内冷负荷差值不超过5%~7.5%；主机运行台数转换后比转换前能耗小。
（3）不同型号的冷水机组高效区的节能率是不同的，最低的是水冷定频离心冷水机组为8.2%，最高的是水冷变频磁悬浮冷水机组为47%。
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年8月刊总第24期。
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