冷水机组选配及运行方案对空调系统的影响

　 　摘要：当前谈到节能多数人只关注冷水机组的NPLV指标（非标准综合部分负荷性能系数）及100%负荷时的能效比，认为只要这2个指标优秀就一定节能。根据国内某知名厂家的产品数据，通过对若干案例的具体分析计算，对这个问题进行了探讨，并阐述了初投资与运行费用的相对关系。
　　关键词：冷水机组选配方案；部分负荷运行方案；能效比；NPLV；节能
　　0 引言
　　资源环境约束与经济快速增长的矛盾已经成为我国经济社会发展面临的严峻挑战，相关资料显示当前我国建筑能耗已经占到总能耗的27%以上，空调能耗约占建筑能耗的60%～70%。随着我国经济的进一步发展、人民生活水平的进一步提高，这个比例必然进一步扩大。面对这样一个基本情况，如何控制空调能耗已经成为暖通空调从业人员必须面对的一个重要课题，中央空调系统由多种设备组成，包含了众多与能耗相关的课题，如一次泵变流量系统、温湿度独立控制系统、低温送风系统、大温差小流量系统、冷水机组变频控制、末端设备变风量控制等，这些课题已经被大家广泛关注。作为暖通空调从业人员，笔者希望从另外一个角度探讨空调系统节能的话题。
　　目前设计人员及用户往往只关注冷水机组的NPLV指标（非标准综合部分负荷性能系数）及100%负荷时的能效比，认为只要这2个指标优秀就一定节能，事实真的是这样吗？相关统计显示空调夏季设计日部分负荷有如下特性：低于70%部分负荷的运行时间占全天总运行时间的63%，也就是说冷水机组在实际使用时多数情况下在部分负荷运行，故而笔者认为在建筑物空调负荷确定后，如何确定冷水机组型号、数量及部分负荷运行方案是一个非常值得探讨的问题。下文笔者根据国内某知名厂家的产品数据，通过对若干案例的具体分析，对这个问题进行阐述。
　　1 本文的分析计算是基于如下原则进行的：
　　1.1 空调系统包含众多用电设备：冷水机组、水泵、冷却塔、末端设备等，基本可以分为两个大系统：机房系统、末端系统，本文只分析机房能耗，以不同机房方案下末端系统能耗一致为基础。本文分析以定流量为基础，故而可忽略水泵、冷却塔的能耗影响，最终将空调能耗分析简化为对冷水机组能耗的分析。
　　1.2 冷水机组运行工况：冷却水进出水温度30/35 ℃，冷却水侧污垢系数0.044 m2·℃/kW，冷冻水进出水温度12/7 ℃，冷冻水侧污垢系数0.018 m2·℃/kW
　　1.3 虽然冷水机组实际运行时的全年耗电量受到众多因素的制约，但我们可以通过选取典型工况进行类比计算的方法来简化计算难度，下文机组全年耗电量计算按照AHRI 550/590(I-P)-2011中关于IPLV（AHRI标准工况下综合部分负荷性能系数）的计算方法进行：IPLV=0.01×A+0.42×B+0.45×C+0.12×D，式中A/B/C/D分别对应于100%/75%/50%/25%负荷百分比下冷水机组的能效比，如下表1所示。

负荷百分比	冷水机组能效比	冷却水进水温度 ℃	运行时间权重
IPLV	NPLV	能耗计算
100%	A	29.4	30	30	0.01
75%	B	23.8	24.2	30	0.42
50%	C	18.3	18.3	30	0.45
25%	D	18.3	18.3	30	0.12

　　 为了使计算结果更加贴近实际运行数据，下文中冷水机组在各部分负荷点的功率指标均按照恒定冷却水进水温度（30 ℃）考虑。
　　下文中NPLV指标对应的各部分负荷点冷却水进水温度如上表所示。
　　1.4 冷水机组全年运行时间按照3 000 h考虑。
　　以下笔者将根据具体案例采用不同的冷水机组选配方案、不同的部分负荷运行方案，对冷水机组在不同方案下的全年运行总能耗进行分析计算。 [NextPage]
　　2 针对设计空调负荷为750 kW 项目的分析计算
　　我们有2种冷水机组选配方案：1台WCFX36TR；2台WCFX18SR，下表2分别显示了WCFX18SR、WCFX36TR机组的运行数据。

型号	WCFX18SR
负荷百分比	冷量kW	功率kW	备注	100%负荷能效比	NPLV
100%	376.72	69.08	A△	5.45	6.53
75%	282.54	57.58	B△
50%	188.36	43.43	C△
25%	94.18	36.15	D△
型号	WCFX36TR
负荷百分比	冷量kW	功率kW	100%负荷能效比	NPLV
100%	758.4	136.08	5.57	7.10
75%	568.8	114.62
50%	379.2	70.86
25%	189.6	47

　　△，用于指示2.2项中各部分负荷点的运行方案
　　2.1 按照配置1台WCFX36TR，冷水机组全年总耗电量计算结果如下表3所示。

型号/台数	WCFX36TR/1台
负荷百分比	冷量kW	功率kW	运行时间权重	运行时间h
100%	758.4	136.08	0.01	30
75%	568.8	114.62	0.42	1260
50%	379.2	70.86	0.45	1350
25%	189.6	47	0.12	360
全年总耗电量 kWh	261084.6

2.2 按照配置2台WCFX18SR，冷水机组全年总耗电量计算根据部分负荷运行方案不同会有不同的计算方法，下面列举了其中2种计算方法。
　　（1）运行方案一，如下表4所示。

型号/台数	WCFX18SR/2台
负荷百分比	冷量kW	功率kW	运行时间权重	运行时间h	备注
100%	753.44	138.16	0.01	30	A*2
75%	565.08	115.16	0.42	1 260	B*2
50%	376.72	86.86	0.45	1 350	C*2
25%	188.36	72.3	0.12	360	D*2
全年总耗电量 kWh	292535.4

　　注：A/B/C/D分别对应表1中A/B/C/D部分负荷点
　　2.2.2 运行方案二，如下表5所示。

型号/台数	WCFX18SR/2台
负荷百分比	冷量kW	功率kW	运行时间权重	运行时间h	备注
100%	753.44	138.16	0.01	30	A*2
75%	565.08	112.51	0.42	1 260	A+C
50%	376.72	69.08	0.45	1 350	A
25%	188.36	43.43	0.12	360	C
全年总耗电量 kWh	254800.2

　　注：A/C分别对应表1中A/C部分负荷点
　　2.3 结论
　　(1)各方案对应的冷水机组全年总耗电量统计，如下表6所示。

项目	全年总耗电量 kW·h
WCFX36TR/1台	261 084.6
WCFX18SR/2台 运行方案一	292 535.4
WCFX18SR/2台 运行方案二	254 800.2

　　(2)各型号冷水机组的100%负荷能效比、NPLV指标统计，如下表7所示。

型号	100%负荷能效比	NPLV
WCFX18SR	5.45	6.53
WCFX36TR	5.57	7.10

　　针对上部分析计算，虽然WCFX36TR机组在100%负荷时的能效比及NPLV指标均优于WCFX18SR机组，但该项目配置2台WCFX18SR机组并采用运行方案二更加节能。
　　对最终用户来讲，这其中有一个初投资与运行费用的综合考虑问题。在阐述这个问题之前，我们需要先了解一个客观事实：以冷水机组的平均寿命25年计，在对冷水机组的所有投资中，初投资仅约占8.3%，运行费用约占91.4%，制冷剂添加费约占0.3%[1]。也就是说与冷水机组在整个使用寿命内的运行费用相比，初投资完全可以忽略不计，或者说少量的初投资差异，很快会在使用过程中由于运行费用的减少而回收。
　　针对此项目初投资与运行费用的相对关系如下：
　　按照市场价格，2台WCFX18SR 较之1台WCFX36TR的初投资差价约4万元左右，根据上述计算结果，2台WCFX18SR运行策方案二较之1台WCFX36TR的年运行费用节省6 284元(按照电费为1元/ kW·h考虑)，如此，初投资回收期约6.37年。 [NextPage]
　　3 针对设计空调负荷为1 610 kW项目的分析计算
　　我们有3种冷水机组选配方案：1台WCFX69R；1台WXFX46TR、1台WCFX23SR；3台WCFX23SR。下表8分别显示了WCFX23SR、WXFX46TR、WCFX69R机组的运行数据。
　　 表8 WCFX23SR、WXFX46TR、WCFX69R机组运行数据

型号	WCFX23SR
负荷百分比	冷量kW	功率kW	备注	100%负荷能效比	NPLV
100%	533.95	93.14	A△	5.73	7.09
75%	400.46	76.41	B△
50%	266.98	57.42	C△
25%	133.49	49.51	D△
型号	WCFX46TR
负荷百分比	冷量kW	功率kW	备注	100%负荷能效比	NPLV
100%	1 071.49	184.15	E△	5.82	7.63
75%	803.62	152.43	F△
50%	535.75	97.48	G△
25%	267.87	62.42	H△
型号	WCFX69R
负荷百分比	冷量kW	功率kW	100%负荷能效比	NPLV
100%	1 612.74	281.93	5.72	7.52
75%	1 209.56	230.97
50%	806.37	165.29
25%	403.19	89.4

△，用于指示3.2项及3.3项中各部分负荷点的运行方案
　　3.1 按照配置1台WCFX69R，冷水机组全年总耗电量计算结果如下表9所示。
　　表9 1台WCFX69R冷水机组全年总耗电量计算

型号/台数	WCFX69R/1台
负荷百分比	冷量kW	功率kW	运行时间权重	运行时间h
100%	1 612.74	281.93	0.01	30
75%	1 209.56	230.97	0.42	1 260
50%	806.37	165.29	0.45	1 350
25%	403.19	89.4	0.12	360
全年总耗电量 kWh	554805.6[NextPage]

　　3.2 按照配置1台WCFX23SR、1台WXFX46TR，冷水机组全年总耗电量计算根据部分负荷运行方案不同会有不同的计算方法，下面列举了其中3种计算方法。
　　（1） 运行方案一，如下表10所示。
　　 表10 1台WCFX23SR、1台WXFX46TR冷水机组全年总耗电量计算方案一　

型号/台数	WCFX23SR/1台 WCFX46TR/1台
负荷百分比	冷量kW	功率kW	运行时间权重	运行时间h	备注
100%	1 605.44	277.29	0.01	30	A+E
75%	1 204.08	228.84	0.42	1 260	B+F
50%	802.72	154.9	0.45	1 350	C+G
25%	401.36	111.93	0.12	360	D+H
全年总耗电量 kW·h	546 066.9

　　注：A/B/C/D/E/F/G/H分别对应表2中A/B/C/D/E/F/G/H部分负荷点
　　（2）运行方案二，如下表11所示。
　　表11 1台WCFX23SR、1台WXFX46TR冷水机组全年总耗电量计算方案二

型号/台数	WCFX23SR/1台 WCFX46TR/1台
负荷百分比	冷量kW	功率kW	运行时间权重	运行时间h	备注
100%	1 605.44	277.29	0.01	30	A+E
75%	1 204.08	233.66	0.42	1 260	D+E
50%	802.72	152.43	0.45	1 350	F
25%	401.36	76.41	0.12	360	B
全年总耗电量 kW·h	536 018.4

　　注：A/B/D/E/F分别对应表2中A/B/D/E/F负荷点
　　（3）运行方案三，如下表12所示。
　　 表12 1台WCFX23SR、1台WXFX46TR冷水机组全年总耗电量计算方案三

型号/台数	WCFX23SR/1台 WCFX46TR/1台
负荷百分比	冷量kW	功率kW	运行时间权重	运行时间h	备注
100%	1 605.44	277.29	0.01	30	A+E
75%	1 204.08	228.84	0.42	1260	B+F
50%	802.72	152.43	0.45	1350	F
25%	401.36	76.41	0.12	360	B
全年总耗电量 kW·h	529 945.2

　　注：A/B/E/F分别对应表2中A/B/E/F部分负荷点
　　3.3 按照配置3台WCFX23SR，冷水机组全年总耗电量计算根据部分负荷运行方案不同会有不同的计算方法，下面列举了其中4种计算方法。
　　 （1）运行方案一，如下表13所示。
　　表13 3台WXFX23SR冷水机组全年总耗电量计算方案一

型号/台数	WCFX23SR/3台
负荷百分比	冷量kW	功率kW	运行时间权重	运行时间h	备注
100%	1 601.85	279.42	0.01	30	A*3
75%	1 201.39	229.23	0.42	1 260	B*3
50%	800.93	172.26	0.45	1 350	C*3
25%	400.46	148.53	0.12	360	D*3
全年总耗电量 kW·h	583234.2

　　注：A/B/C/D分别对应表2中A/B/C/D部分负荷点
　　（2） 运行方案二，如下表14所示。
　　 表14 3台WXFX23SR冷水机组全年总耗电量计算方案二

型号/台数	WCFX23SR/3台
负荷百分比	冷量kW	功率kW	运行时间权重	运行时间h	备注
100%	1 601.85	279.42	0.01	30	A*3
75%	1 201.39	235.79	0.42	1 260	A*2+D
50%	800.93	152.82	0.45	1 350	B*2
25%	400.46	76.41	0.12	360	B
全年总耗电量 kW·h	539 292.6

　　注：A/B/D分别对应表2中A/B/D部分负荷点
　　（3） 运行方案三，如下表15所示。
　　 表15 3台WXFX23SR冷水机组全年总耗电量计算方案三

型号/台数	WCFX23SR/3台
负荷百分比	冷量kW	功率kW	运行时间权重	运行时间h	备注
100%	1 601.85	279.42	0.01	30	A*3
75%	1 201.39	226.97	0.42	1 260	A+B+C
50%	800.93	183.34	0.45	1 350	B+C+D
25%	400.46	106.93	0.12	360	C+D
全年总耗电量 kW·h	580 368.6

　　注：A/B/C/D分别对应表2中A/B/C/D部分负荷点
　　（4）运行方案四，如下表16所示。
　　 表16 3台WXFX23SR冷水机组全年总耗电量计算方案四

型号/台数	WCFX23SR/3台
负荷百分比	冷量kW	功率kW	运行时间权重	运行时间h	备注
100%	1 601.85	279.42	0.01	30	A*3
75%	1 201.39	226.97	0.42	1 260	A+B+C
50%	800.93	150.56	0.45	1 350	A+C
25%	400.46	76.41	0.12	360	B
全年总耗电量 kW·h	525 128.4

　　注：A/B/C分别对应表2中A/B/C部分负荷点
　　3.4 结论
　　3.4.1 各方案对应的冷水机组全年运行能耗统计，如下表17所示。
　　 表17 各方案对应的冷水机组全年总耗电量

项目	全年总耗电量 kW·h
WCFX69R/1台	554 805.6
WCFX23SR/1台 WCFX46TR/1台 运行方案一	546 066.9
WCFX23SR/1台 WCFX46TR/1台 运行方案二	536 018.4
WCFX23SR/1台 WCFX46TR/1台 运行方案三	529 945.2
WCFX23SR/3台 运行方案一	583 234.2
WCFX23SR/3台 运行方案二	539 292.6
WCFX23SR/3台 运行方案三	580 368.6
WCFX23SR/3台 运行方案四	525 128.4

　　3.4.2 各型号冷水机组的100%负荷能效比、NPLV指标统计如下表18所示。
　　 表18 各型号冷水机组100%负荷能效比、NPLV指标

型号	100%负荷能效比	NPLV
WCFX23SR	5.73	7.09
WCFX46TR	5.82	7.63
WCFX69R	5.72	7.52

　　针对上部分析计算，虽然WCFX46TR机组在100%负荷时的能效比及NPLV指标最优,但该项目配置3台WCFX23SR机组并采用运行方案四更加节能。
　　针对此项目初投资与运行费用的相对关系如下：
　　按照市场价格，3台WCFX23SR 较之1台WCFX69R的初投资差价约7万元左右，根据上述计算结果，3台WCFX18SR运行方案四较之1台WCFX69R的年运行费用节省29 677元(按照电费为1元/ kW·h考虑)，初投资回收期约2.36年。
　　4 结语
　　笔者曾针对大量案例做过不同的分析计算，其结论与上述2个案例的计算结果一致，故而，我们可以得到如下结论：
　　（1）冷水机组选配方案及部分负荷运行方案的确定对空调系统的运行费用有很大影响，我们不能只关注冷水机组的NPLV指标和100%负荷时的能效比。
　　（2） 通过优化冷水机组选配方案及部分负荷运行方案会带来空调系统运行费用的大量节省，少量的初投资差异很快会在使用过程中回收回来，系统越大初投资回收周期越短。
　　（3）冷水机组选配方案及部分负荷运行方案的确定需要综合考虑地理环境、建筑物类型、空调日部分负荷变化情况、各厂家设备运行特性等众多因素，需要经过详细的对比计算才能得出最优化方案。