冷水机组运行性能评判和节能诊断

冷水机组运行性能评判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作为单一指标评判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判冷水机组的运行性能；提出了阻碍冷水机组运行性能的各类因素的分类方式；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阻碍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式应用到工程实际中去，例如性地给出了对冷水机组进行节能诊断的全进程。

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要紧任务是空调系统节能，冷水机组作为空调系统的最要紧用能部份，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形。

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，事实上确实是对冷水机组的运行性能进行科学评判的问题。

有了科学的评判，分析清楚阻碍冷水机组性能的各类因素，自然就能够提出科学的节能诊断意见。

对冷水机组的实际性能进行评判的传统方式（目前普遍采纳的方式）是利用COP那个性能指标。

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。

可是这种评判方式却抹杀了不同因素的阻碍。

举例说：要比较别离位于北京和深圳的两台冷水机组的运行性能，它们的负荷率大体相同，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，可是咱们却不能由此推断北京的这台冷水机组比深圳的更节能，因为咱们无法明白北京的这台冷水机组的COP值高是因为气候使然，仍是因为冷水机组本身的性能好。

若是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，就不能以为北京的这台冷水机组更节能。

不仅如此，传统的COP方式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，目前普遍采纳的方式是将COP拟合成负荷率的函数。

如此事实上是以为冷水机组的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：咱们明白，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阻碍着制冷效率，即冷水机组COP。

因此，咱们有必要寻求一种更科学的描述方式，这也是本文的一个重要目的所在。

2.冷水机组运行性能阻碍因素在引言中笔者指出了COP用于节能诊断的两点不足，造成这两点不足的全然缘故都是因为没有区别阻碍冷水机组实际运行性能的各类因素，将它们混淆在一路。

因此，要想提出更科学合理的方式就应第一对各类阻碍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阻碍，还受其所处的运行条件的阻碍，因此咱们在对各类阻碍因素进行分类的时候，能够先分成两大类，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、紧缩机的匹配、制冷剂的种类和充装量等；外部因素那么是指冷水温度、冷却水温度等阻碍蒸发温度和冷凝温度的因素。

具体的分类如图１所示。

图１：冷水机组运行性能阻碍因素分类树图1事实上也给出了对冷水机组进行节能诊断的指标体系，即咱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；一样在考察外部因素时咱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。

只有如此，才能对冷水机组的实际运行性能作出客观评判，才能对图1分类树中的各个结点是不是存在问题作出正确判定，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阻碍归入其中，这并非表示负荷率对冷水机组性能没有阻碍，而是因为负荷率的阻碍有其综合性和复杂性，一样说来它的阻碍已经反映到其它阻碍因素中去了。

比如内部因素的各类阻碍能够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式既然要考虑内、外部因素的不同阻碍，自然想到将COP表示成内、外两个效率的积形式，即：整体效率（COP）＝内部效率×外部效率 (1)关于外部效率，它反映的是外部因素的阻碍，即蒸发温度和冷凝温度。

由此咱们自然会想到用理想效率来表示，即：evcd evT ICOP T T =- (2)式中：ICOP ——冷水机组运行外部效率，即理想COP ；ev T ——蒸发温度，K ； cd T ——冷凝温度，K关于内部效率，由公式（1）咱们自然想到用实际效率（COP ）对理想效率（ICOP ）的误差来表示，即：COPDCOP ICOP= (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，这些因素一样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。

可是，传统的方式只是将COP 表示成PLR 的函数，笔者在引言中已经指出了这种表示方式并非适合，更为适当的方式是将DCOP 表示成PLR 的函数形式，即：()DCOP f PLR = (4)函数f 的形式一样为多项式，依照冷水机组型式不同，可取不同的次数，对离心式冷水机组一样取2次，关于螺杆式冷水机组那么可简单地取为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式进行冷水机组节能诊断的全进程。

该建筑冷水机组的装机情形如表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 的冷水机组装机情形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：冷水机组整体效率诊断（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（4097/989）。

瞬时COP 与PLR 的散点关系如图2所示，数据采样时刻为2006上半年，以1小时为步长（下同）。

图2：COP-PLR散点关系图本工程采纳的是水冷式大型高压离心式冷水机组，COP值一样较高。

但从全年综合COP（）和全年的瞬时COP散布来看，冷水机组整体效率明显偏低，故以为有进一步进行诊断的必要。

第二步：内部效率诊断（DCOP）依照公式（2）很容易求出瞬时DCOP，图3给出了其与PLR的散点关系图。

图3：DCOP-PLR散点关系图比较图3与图2，能够看出两图的最大不同的地方是散点图型状，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，在部份负荷下COP值最大。

咱们明白，冷水机组群控策略往往是依照COP-PLR关系制定，关于本例来讲，如此制定出来的策略必然是想让冷水机组尽可能处于某个部份负荷率下工作。

可是图3的DCOP-PLR关系告知咱们，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可能让冷水机组处于满负荷率下运行。

更进一步的说，图2揭露的只是一种假象，某个部份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，而是因为在那个部份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可能让冷水机组处于最高的效率下运行，可是外部条件（外部效率）往往不是人为能够操纵的，更不是群控策略能够做好的，因此冷水机组群控策略的依据不该该是COP，而应该是依照冷水机组自身的特性制定，即依照本文所提出的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，尽管从该图中能够看出当<PLR<时，似乎运行两台冷水机组与运行三台的效率一样，即现在无所谓运行两台或三台，可是从图5所示的DCOP-PLR 关系散点图中能够看出，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，即现在应该运行两台冷水机组，而不是运行三台。

一样当<PLR<时，也应该优先运行一台冷水机组，而不是运行两台。

经测算，假设按此方式调整冷水机组群控策略，全年约可节体省电量31万度。

图4：不同台数冷水机组的COP-PLR散点关系图图5：不同台数冷水机组的DCOP-PLR散点关系图作为例如，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，随着工程实际积存的增加，会慢慢熟悉出DCOP的合理水平，从而也就能够由此判定冷水机组的一些自身特性是不是存在问题，比如冷水机组制造水平如何、紧缩机与实际运行工况是不是匹配、制冷剂充装量是不是适合、是不是存在内部故障等。

事实上本工程的最大问题确实是紧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行条件，其值越高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，图中散点散布呈现出单调下降的趋势，这事实上反映了气温对负荷率的阻碍。

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，由此咱们能够推测在本工程中阻碍冷水机组外部效率的要紧因素是冷凝温度，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7℃，蒸发温度波动小，故冷水机组外部效率的转变要紧确实是由于冷凝温度引发。

图6：ICOP-PLR 散点关系图图7：冷水机组冷却侧传热温差示用意冷凝温度由冷水机组冷却侧的换热进程决定，如图7所示。

热量从冷水机组搬运到室外依次经历三个进程：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（ΔT 1）、冷却水供回水温差（ΔT 2）、冷却塔换热温差（ΔT 3）。

换热的极限是室外湿球温度（T S ），如此冷凝温度确实是由室外湿球温度和以上的三个温差决定，即：123cd S T T T T T =+∆+∆+∆ (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，咱们一样无所作为。

从节省冷水机组电耗的角度考虑，节能诊断的要紧目标仍是要尽可能降低123T T T ∆+∆+∆，下面咱们针对本工程实例别离讨论123 T T T ∆∆∆、、。