冷水机组运行性能评价及节能诊断

冷水机组运行性能评价及节能诊断清华大学建筑技术科学系蔡宏武 魏庆芃摘要：本文指出了目前用cop作为单一指标评价冷水机组运行 性能及进行节能诊断时的不足，在此基础上，提出应将多方面因素 综合起来评价冷水机组的运行性能；提出了影响冷水机组运行性能 的各种因素的分类方法；指出冷水机组节能诊断应从内、外两个方 面着手，给出了内部效率（DCOP ）和外部效率（ICOP ）的概念，并 进一步分析了这两个效率各自的影响因素及其在节能诊断中的应 用；重点是将本文提出的新观点和方法应用到工程实际中去，示例 性地给出了对冷水机组进行节能诊断的全过程。关键词：冷水机组COP 内部效率（DCOP） 外部效率 （ICOP） 节能诊断1. 引言大型公共建筑节能的最主要任务是空调系统节能，冷水机组作 为空调系统的最主要用能部分，对其进行节能诊断的意义不言而喻。 表1给出了笔者实测的几栋建筑的冷水机组能耗情况。表1：冷水机组能耗典型数据建筑序号所处地区使用性质建筑面积（万m2）冷机电耗（万kWh/年）占空调系统总能耗 比例（%）占建筑总能耗 比例（%）A北京办公3.750.744.2%37.1%B上海办公、宾馆29.0745.049.0%24.0%C深圳办公楼4.575.137.5%19.4%D香港商场11.51299.056.5%37.4%冷水机组的节能诊断问题，实际上就是对冷水机组的运行性能 进行科学评价的问题。有了科学的评价，分析清楚影响冷水机组性 能的各种因素，自然就能提出科学的节能诊断意见。对冷水机组的实际性能进行评价的传统方法（目前普遍采用的 方法）是使用COP这个性能指标。COP是指冷量与电耗的比值，其 值越高说明冷水机组运行的经济性越好（越省能），反之就越差。显 然，COP很直观地反映了冷水机组的整体运行性能。但是这种评价 方法却抹杀了不同因素的影响。举例说：要比较分别位于北京和深 圳的两台冷水机组的运行性能，它们的负荷率基本相同，经测定位 于北京的冷水机组COP值要明显高于位于深圳的冷水机组，但是我 们却不能由此推断北京的这台冷水机组比深圳的更节能，因为我们 无法知道北京的这台冷水机组的COP值高是因为气候使然，还是因 为冷水机组本身的性能好。如果仅仅是因为北京的室外湿球温度低 于深圳，而使得冷水机组的COP高于深圳，就不能认为北京的这台 冷水机组更节能。不仅如此，传统的COP方法在描述冷水机组性能方面也有其不 足。为了进行节能分析计算，需要对冷水机组的性能进行数学描述，目前普遍采用的方法是将COP拟合成负荷率的函数。这样实际上是 认为冷水机组的COP只与负荷率有关，而与冷水机组所处的运行条 件无关，比如冷水温度、冷却水温度等。这显然是不科学的：我们 知道，冷水温度和冷却水温度的高低水平直接决定了蒸发温度和冷 凝温度的高低水平，而这两个温度的高低又影响着制冷效率，即冷 水机组COP。因此，我们有必要寻求一种更科学的描述方法，这也 是本文的一个重要目的所在。2. 冷水机组运行性能影响因素在引言中笔者指出了 COP用于节能诊断的两点不足，造成这两 点不足的根本原因都是因为没有区别影响冷水机组实际运行性能的 各种因素，将它们混淆在一起。因此，要想提出更科学合理的方法 就应首先对各种影响因素进行合理的梳理和分类。冷水机组的运行性能不但受自身因素的影响，还受其所处的运 行条件的影响，因此我们在对各种影响因素进行分类的时候，可以 先分成两大类，即：内部因素和外部因素。内部因素反映的是冷水 机组的型式、制造水平、压缩机的匹配、制冷剂的种类以及充装量 等；外部因素则是指冷水温度、冷却水温度等影响蒸发温度和冷凝 温度的因素。具体的分类如图1所示。响因素 冷水机组运行性能厂冷水机组型式制造水平厂内部因素Y压缩机匹配制冷机剂种类及充装量广蒸发温度冷水温度外部因素V蒸发器换热效率冷凝器换热温差）室外湿球温度冷凝温度冷却水出冷机温度Y冷凝器换热效率冷凝器换热温差）冷却塔换热效率冷却塔换热温差）冷却水供回温差冷却永量）图1：冷水机组运行性能影响因素分类树图1实际上也给出了对冷水机组进行节能诊断的指标体系，即 我们在诊断时不能仅考虑COP,还要结合内部因素和外部因素来分 析；同样在考察外部因素时我们也要结合蒸发温度和冷凝温度两方 面来考虑；如此逐层类推。只有这样，才能对冷水机组的实际运行 性能作出客观评价，才能对图1分类树中的各个结点是否存在问题 作出正确判断，从而指导节能实践。需要指出的是，图1中没有将负荷率对冷水机组性能的影响归 入其中，这并不表示负荷率对冷水机组性能没有影响，而是因为负 荷率的影响有其综合性和复杂性，一般说来它的影响已经反映到其 它影响因素中去了。比如内部因素的各种影响可以通过负荷率综合 地表示出来，在下文中将作详细说明。3. 冷水机组运行性能表示方法既然要考虑内、外部因素的不同影响，自然想到将COP表示成内、外两个效率的积形式，即:总体效率（cop）=内部效率X外部效率（1）对于外部效率，它反映的是外部因素的影响，即蒸发温度和冷 凝温度。由此我们自然会想到用理想效率来表示，即：ICOP =-evcd ev(2)式中:icop 冷水机组运行外部效率，即理想COP；T蒸发温度，K；evT 冷凝温度，Kcd对于内部效率，由公式（1）我们自然想到用实际效率（cop）对理想效率（ICOP）的偏差来表示，即:DCOP =COPICOP(3)式中：DCOP 冷水机组运行内部效率；DCOP反映的是冷水机组的内部特性，与上文提到的冷水机组 自身的一些因素有关，这些因素一般不易用明确的物理量来描述， 工程通常的做法是将其表示成负荷率（PLR）的函数。但是，传统 的方法只是将COP表示成PLR的函数，笔者在引言中已经指出了 这种表示方法并不合适，更为恰当的方法是将DCOP表示成PLR的 函数形式，即：DCOP = f（PLR） （4）函数f的形式一般为多项式，根据冷水机组型式不同，可取不 同的次数，对离心式冷水机组一般取2次，对于螺杆式冷水机组则 可简单地取为1次（线性函数）。4. 应用实例下面以表1中的D建筑为例，说明如何应用上面的方法进行冷 水机组节能诊断的全过程。该建筑冷水机组的装机情况如表2所示, 简便起见，在此仅讨论其中的5台大型离心式冷水机组。表2：建筑D的冷水机组装机情况编号型号台数额定冷量（kW）额定功率（kW）备注CH1、CH2、CH3、CH4、CH5YKSESBJ3500C-563055630136810kV离心机CH6YSEAEAS53CK-105611056275380V螺杆机第一步：冷水机组总体效率诊断（COP）经测定，该建筑全年（2006）的冷水机组电耗约为989万度（此 电量仅为大冷水机组电耗，且不计变压损失），全年的耗冷量约为 4097万度，全年的综合COP约为4.34（4097/989）。瞬时COP与PLR 的散点关系如图2所示，数据采样时间为2006上半年，以1小时为 步长（下同）。10.0d8CH1 口 CH2 ACH3 x CH4 CH50 O.：L 0.20.30 以 0 吕 0.60. T 0.80.911.11.2PLR图2： COP-PLR散点关系图本工程采用的是水冷式大型高压离心式冷水机组，COP值一般 较高。但从全年综合COP （4.34）以及全年的瞬时COP分布来看， 冷水机组总体效率明显偏低，故认为有进一步进行诊断的必要。第二步：内部效率诊断（DCOP）1OOOOOOOO CH1 CH2 ACH3CH4 *CH5111111111111-T 1 - -1- -1 1 1 1 1 1 1 1 1 . 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 111111111：f11，-.Ltrr11111tt-1 - -根据公式（2）很容易求出瞬时DCOP，图3给出了其与PLR 的散点关系图。100I0.30.娃 0吕 0.60 丫 0.80.912PLR图3： DCOP-PLR散点关系图比较图3与图2,可以看出两图的最大不同之处是散点图型状,图3呈现出的DCOP-PLR关系是一条单调升曲线，而图2呈现出的COP-PLR关系是一条凸曲线，在部分负荷下COP值最大。我们知 道，冷水机组群控策略往往是根据COP-PLR关系制定，对于本例来 说，这样制定出来的策略必然是想让冷水机组尽量处于某个部分负 荷率下工作。但是图3的DCOP-PLR关系告诉我们，冷水机组满负 荷率下的内部效率最高，冷水机组的群控策略应该是尽量让冷水机 组处于满负荷率下运行。更进一步的说，图2揭示的只是一种假象, 某个部分负荷下的冷水机组效率最高不是因为冷水机组自身的特性 决定的，而是因为在这个部分负荷下冷水机组所处的运行条件好（室 外湿球温度低）。冷水机组群控策略目的是尽量让冷水机组处于最高的效率下运 行，但是外部条件（外部效率）往往不是人为可以控制的，更不是 群控策略可以做好的，所以冷水机组群控策略的依据不应该是COP， 而应该是根据冷水机组自身的特性制定，即根据本文所提出的 DCOP来制定。图4给出了该工程现有的策略下的多台冷水机组作 为整体的COP-PLR散点图，虽然从该图中可以看出当 0.55vPLRv0.75时，似乎运行两台冷水机组与运行三台的效率一样, 即此时无所谓运行两台或三台，但是从图5所示的DCOP-PLR关系 散点图中可以看出，在此负荷率区间内，三台冷水机组的内部效率 明显低于两台，即此时应该运行两台冷水机组，而不是运行三台。 同样当0.25vPLRv0.35时，也应该优先运行一台冷水机组，而不是 运行两台。经测算，若按此方法调整冷水机组群控策略，全年约可节体省电量31万度。10+ One Chi 11eia Thr ee Chi Ilers么It基PLR图4不同台数冷水机组的COP-PLR散点关系图1 o* One Chil1er Tto Chil1ers a Thr ee Chi Ilerso19 o8 o76 s4 o32图5：不同台数冷水机组的DCOP-PLR散点关系图作为示例，笔者在此处给出了应用DCOP进行节能诊断的一个 实例，需要指出的是，DCOP的应用绝不仅于此，随着工程实际积 累的增加，会逐渐认识出DCOP的合理水平，从而也就能由此判断 冷水机组的一些自身特性是否存在问题，比如冷水机组制造水平如 何、压缩机与实际运行工况是否匹配、制冷剂充装量是否合适、是 否存在内部故障等。实际上本工程的最大问题就是压缩机选型与实 际运行工况不匹配，但此问题不具有典型性，限于篇幅，在此不作 讨论。第三步：外部效率诊断（ICOP）外部效率反映的是冷水机组的运彳丁条件，其值越咼说明冷水机 组所处的运行条件越好。图6给出了本工程的ICOP-PLR散点关系 图，图中散点分布呈现出单调下降的趋势，这实际上反映了气温对 负荷率的影响。因负荷率随着室外气温的升高而单调升高，图中的 曲线正好呈单调形状，由此我们可以推测在本工程中影响冷水机组 外部效率的主要因素是冷凝温度，而不是蒸发温度。事实上由于本 工程的冷水温度常年设定为7C,蒸发温度波动小，故冷水机组外 部效率的变化主要就是由于冷凝温度引起。1筑000ID. D8. 0筑04. 02. 0：=CH 1 口 CH2 aCH3 x CH4 r*： CH50(k 2 (k 孑 0. 40 吕。合0T D 80. 91111.2PLR图6： ICOP-PLR散点关系图冷凝温度冷却水进冷水机组温度冷却水出冷水机组温度室外湿球温度冷却器换热温差冷却水供回温差V八冷却塔换热温差温度标尺图7：冷水机组冷却侧传热温差示意图冷凝温度由冷水机组冷却侧的换热过程决定，如图7所示。热 量从冷水机组搬运到室外依次经历三个过程：冷凝器中制冷剂冷凝热传给冷却水、冷却水将热量从冷水机组搬运至冷却塔、冷却塔中 冷却水与室外空气换热。相应地存在三个换热温差：冷凝器换热温 差 （A T）、冷却水供回水温差（ T2）、冷却塔换热温差（4 T3）。 换热的极限是室外湿球温度（TS）,这样冷凝温度就是由室外湿球温 度和以上的三个温差决定，即：T 二T +AT +AT +AT （4）除非冷却塔所处的微气候条件太差，室外湿球温度只由气象决 定，我们一般无所作为。从节省冷水机组电耗的角度考虑，节能诊 断的主要目标还是要尽量降低AT +AT +AT，下面我们针对本工程实 例分别讨论,。123123（1）冷凝器换热温差（A T1）从图6中可以看出，虽然本工程的这几台型号相同的冷水机组 所处的运行环境相同（TS、A T2、A T3，以及蒸发温度基本相同）， 但是各台冷水机组的外部效率并不相同，由此只能认定各台冷水机 组的冷凝器换热温差（A T1）不同。为此我们不妨作出各台冷水机 组的冷凝器换热温差分布图，如图8所示。 CH1 - CH2 a CH3 CH4 * CH550505050504433221100图8：各冷水机组冷凝器换热温差从图8可以清楚地看到，各冷水机组的冷凝器换热温差存在较 大差异，CH2的冷凝器换热温差最小，CH3的则最大，这正说明了 为什么CH2的外部效率最高而CH3的则最低，如图6所示。另外，还有一种更简便的方法说明这个问题。充分的实测数据 表明，冷凝温度（Td） 般与冷却水出冷水机组的温度（T2）成线 d2性关系，如图9所示。从图中可以显然看到CH2的冷凝温度最低，而CH3的冷凝温度最高，这与图6和图8所得出的结论是一致的。图9： Td-T2散点关系图d 2造成同型号且工作环境相同的冷水机组冷凝器换热性能不一样 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 凝器结垢脏堵等，则应立即采取措施改进之。就本例工程来说，初 步认定为先天性因素，在这种情况下应优先运行换热性能好的冷水机组。经测算，如此调整运行策略，年可节省冷水机组电耗约30万 度。需要指出的是：同型号的冷水机组在实际运行中会表现出不同 的性能，这是工程实际中容易被忽视的一个普遍现象，在对冷水机 组进行节能诊断时应引起注意。（2）冷却水供回水温差（ T2）冷却水供回水温差是影响冷凝温度的又一重要因素，温差越小, 冷凝温度就越低，但与此同时，水系统的投资以及冷却水泵电耗就 会增加，因此，冷却水温差必须适度，工程设计中一般取为5C。 但是通过图10我们可以看到，本工程冷却水温差在绝大部分时间里 均高于5C,这说明本工程的冷却水量相对不足，为降低冷凝温度 应适当增加冷却水量。对此，笔者在现场做过实验，若增开一台冷 却水泵，则整个冷站试验日即可节能电量约2800kWh。经测算，此 举全年可节省电量约14万度。987654321c差温水回供水却冷0图10：各台冷水机组冷却水温差（3）冷却塔换热温差（4 T3）冷却塔换热温差反映的是冷却塔的换热性能，换热性能越好， 则冷凝温度就越低。图11说明本工程的冷却塔换热效果尚可，特别 是在夏季处于较好的水平，但是在冬季冷却塔换热温差相对较大， 存在一定的节能潜力。第四步：节能潜力模拟计算在前面的分析中多次提到了某项节能措施的节能量，那么这些 节能量都是怎么得到的呢？这是节能诊断很重要的一步，是加深对 具体问题认识的必由之路，也是节能决策的重要依据。节能潜力（量）计算的最主要依据是工程实测或实验数据，但 是实际工程的运行条件无法重现，即无法进行“改造”与“不改造” 的对比实验，故无法从实验数据直接得到节能潜力，只能借助一定 的模拟计算。为了保证可靠性，这种模拟计算的依据只能是实测数 据。篇幅所限，此处不作展开论述，仅总结一下本工程模拟计算中 的主要公式，并作简要说明。（1）冷水机组内部效率拟合公式DCOP 二0.3928PLR2 + 0.9261PLR - 0.0093说明：由图3数据拟合得到，各台冷水机组的DCOP认为一 样。此处的满负荷率PLR指的是单台冷水机组的额定制冷（2）不同台数冷水机组内部效率拟合公式单台：DCOP = 2.4895PLR 2 + 2.3362PLR + 0.0339两台：DCOP = 1.0998PLR 2 + 1.5961PLR 0.0438二口： DCOP = 0.8472PLR 2 +1.5758PLR 0.1954说明：由图5数据按拟合得到。此处的满负荷率PLR指的是三台冷水机组额定制冷量的和。(3) 冷水机组冷凝温度拟合公式CH1： T = 0.9868T + 2.8546CH2: Td = 1.0320T 0.3927CH3: Td = 1.1522T2 -1.7510CH4: T； = 1.0625T - 0.1557CH5: Td = 1.0198T + 0.5435cd2说明：由图9数据拟合得到。5. 小结对冷水机组的节能诊断不能只看COP 一个指标，而是应该综合 考虑内部效率（DCOP）和外部效率（ICOP）,以及蒸发温度、冷凝 温度、冷凝器换热温差、冷却水温差、冷却塔换热温差、室外湿球 温度等多个指标（如图1所示）。决定冷水机组内部特性的指标是内部效率（DCOP），而不是COP。将COP拟合成负荷率（PLR）的函数去分析问题的做法并不 合适，正确的做法是将DCOP拟合成PLR的函数。总结一下常见冷水机组能耗问题：（前四个在本文实例中均有分 析，后三个是根据图1指标体系补充的。）（1）冷水机组群控策略不合理。一个很重要的原因就是对冷水 机组的内部特性认识不足。（2）冷凝器换热温差大。同型号冷水机组处于相同的工作环境 中，其性能也可能会相差较大。（3）冷却水量不足。这在中国内地并不常见，但在境外可能性 显著增大。（4）冷却塔换热性能差。（5）压缩机选型与实际运行工况不匹配，反映出的结果是内部 效率差。（6）蒸发温度设定太低。蒸发温度在全制冷季可适当调节，以 节省冷水机组能耗。（7）蒸发器换热性能差。结果是外部效率差。