劉洋

（大連市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧大連116021）

變頻冷水機(jī)組在某實(shí)驗(yàn)樓空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用及節(jié)能分析

劉洋

（大連市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧大連116021）

介紹了某實(shí)驗(yàn)樓中央空調(diào)及空氣凈化系統(tǒng)，分析了該項(xiàng)目的空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)。文章指出，針對(duì)負(fù)荷變化大、制冷周期長(zhǎng)的空調(diào)項(xiàng)目，變頻冷水機(jī)組具有較強(qiáng)的適用性。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明離心式冷水機(jī)組加裝變頻節(jié)能裝置后具有較好的投資回報(bào)率和節(jié)能效益。

變頻冷水機(jī)組；空氣凈化空調(diào)；IPLV；技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

0 引言

大連地區(qū)某實(shí)驗(yàn)綜合樓建筑面積58665m2，地下二層，地上四層裙樓，五至二十七層為塔樓，建筑高度96.75m，主要是由營(yíng)業(yè)大廳、辦公室及各種實(shí)驗(yàn)室組成。大樓的舒適性空調(diào)及實(shí)驗(yàn)室凈化空調(diào)均采用集中冷熱源的中央空調(diào)系統(tǒng)，與寒冷地區(qū)常規(guī)舒適性空調(diào)相比，由于實(shí)驗(yàn)樓的空調(diào)系統(tǒng)對(duì)溫濕度的設(shè)計(jì)精度要求較高，冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，一般可持續(xù)至過(guò)渡季末期或初冬，所以冷源系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)能顯得尤為重要。

介紹了實(shí)驗(yàn)樓的舒適性空調(diào)、潔凈實(shí)驗(yàn)室及恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)的主要設(shè)計(jì)思路。針對(duì)該項(xiàng)目的實(shí)際情況，分析了變頻冷水機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)及其對(duì)實(shí)驗(yàn)樓空調(diào)系統(tǒng)的適用性，分析離心式冷水機(jī)組加裝變頻節(jié)能裝置后的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行效果。

1 空調(diào)系統(tǒng)概述

1.1 舒適性空調(diào)系統(tǒng)

工程大空間區(qū)域如營(yíng)業(yè)大廳、會(huì)議室等均采用單風(fēng)機(jī)全空氣空調(diào)系統(tǒng)，過(guò)渡季可以使用全新風(fēng)免費(fèi)供冷，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。小空間區(qū)域如辦公室等采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)；樓內(nèi)的末端空調(diào)設(shè)備均已納入中央群控系統(tǒng)之中，可進(jìn)行集中調(diào)控，主動(dòng)節(jié)能措施運(yùn)行較好。

1.2 潔凈空調(diào)系統(tǒng)

工程具有19個(gè)用于檢驗(yàn)檢疫的生物實(shí)驗(yàn)潔凈室，各實(shí)驗(yàn)室為避免回風(fēng)交叉污染，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)或獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用凈化空調(diào)機(jī)組，空調(diào)機(jī)組功能段設(shè)置有初效過(guò)濾、中效過(guò)濾、表冷（加熱）段、再熱（電加熱）段、風(fēng)機(jī)段、出風(fēng)段。對(duì)于新風(fēng)比大于30%的4臺(tái)空調(diào)機(jī)組增加電極加濕器，以保證實(shí)驗(yàn)室溫濕度滿足規(guī)范要求。

每個(gè)潔凈室一般設(shè)有萬(wàn)級(jí)實(shí)驗(yàn)潔凈室并設(shè)置了十萬(wàn)級(jí)的緩沖間。萬(wàn)級(jí)潔凈室的換氣次數(shù)[1]在25-30次/h，十萬(wàn)級(jí)潔凈區(qū)域的換氣次數(shù)在15-20次/h。各級(jí)差潔凈區(qū)域的設(shè)計(jì)壓差值為20Pa。氣流組織一般是從高精度的萬(wàn)級(jí)潔凈室流向十萬(wàn)級(jí)潔凈緩沖區(qū)域。氣流組織為上送下回的形式。

1.3 恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)

紡織實(shí)驗(yàn)室及包裝實(shí)驗(yàn)室對(duì)溫濕度精度要求高，設(shè)計(jì)采用自帶壓縮機(jī)+風(fēng)冷冷凝器的專用恒溫恒濕精密空調(diào)機(jī)組。實(shí)驗(yàn)室專用精密空調(diào)應(yīng)能按要求自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫、濕度，具有同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷、加熱、加濕、除濕等功能的能力。氣流組織為吊頂孔板送風(fēng)+地板回風(fēng)。送風(fēng)采用雙層吊頂形式，雙層吊頂之間空間作為靜壓箱，專用空調(diào)加裝管道送風(fēng)進(jìn)靜壓箱，氣流再經(jīng)孔板整體均勻向下送風(fēng)。地面設(shè)300mm高的架空地板作為回風(fēng)靜壓箱。

2 變頻機(jī)組的設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 空調(diào)冷負(fù)荷的特點(diǎn)

和普通辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)相比較，本項(xiàng)目含有潔凈室的空調(diào)系統(tǒng)具有單位面積冷指標(biāo)較高、空調(diào)負(fù)荷晝夜變化大、制冷周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。

本項(xiàng)目的空調(diào)冷負(fù)荷主要分為二部分，其中舒適性空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷與一般空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算一致，主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)、人員、照明、新風(fēng)、設(shè)備等負(fù)荷組成。潔凈空調(diào)的冷負(fù)荷與舒適性空調(diào)差異較大，相關(guān)文獻(xiàn)表明[2]，潔凈室能耗較普通空調(diào)辦公樓耗能多10-30倍。其主要特點(diǎn)是：換氣次數(shù)高、空調(diào)風(fēng)量大、風(fēng)壓較常規(guī)空調(diào)高300-400Pa高，風(fēng)機(jī)能耗高；新風(fēng)比例大，以本項(xiàng)目為例，動(dòng)物飼養(yǎng)室要求全新風(fēng)運(yùn)行，PCR、細(xì)菌實(shí)驗(yàn)室等的新風(fēng)量所占比例都在30%左右；工藝設(shè)備多，散熱量大。

分析空調(diào)冷負(fù)荷的變化規(guī)律，本項(xiàng)目空調(diào)冷負(fù)荷除了隨季節(jié)天氣變化外，在某一相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間段內(nèi)也具有比較明顯的運(yùn)行變化特點(diǎn)：在常規(guī)的工作時(shí)間段，營(yíng)業(yè)場(chǎng)所、普通辦公室的舒適性空調(diào)系統(tǒng)和潔凈區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)均運(yùn)行。在節(jié)假日或者夜間，營(yíng)業(yè)場(chǎng)所、大部分辦公區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)，但少部分工作區(qū)及潔凈區(qū)因?qū)嶒?yàn)工作的需求會(huì)連續(xù)工作，夜間及節(jié)假日會(huì)有一定的值班負(fù)荷，而且與正常負(fù)荷的差異量較大。

大連地區(qū)一般舒適性空調(diào)的運(yùn)行周期是從6月初至10月初，120天左右。而潔凈室空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行周期則長(zhǎng)很多，主要原因是空調(diào)新風(fēng)量較大，除濕要求高。為滿足系統(tǒng)的送風(fēng)溫濕度的精度要求，制冷機(jī)組在5月份即開(kāi)始要求制冷，制冷周期延續(xù)到10月底至11月初，運(yùn)行周期約為6個(gè)月，180d左右，運(yùn)行時(shí)間較普通舒適性空調(diào)增加50%。

有文獻(xiàn)研究指出[3]，在中央空調(diào)系統(tǒng)能耗中，冷凍水泵能耗只占整個(gè)冷水機(jī)房?jī)?nèi)能耗的15%-20%，而冷水機(jī)組的能耗占冷水機(jī)房?jī)?nèi)能耗70%左右的比例。綜合以上分析，提高冷水機(jī)組的效率，要求機(jī)組部分負(fù)荷條件下IPLV值高，減小冷水機(jī)組的能耗是影響整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵因素。本工程采用離心式冷水機(jī)組變頻技術(shù)作為機(jī)房節(jié)能的主要控制手段。其工作原理[4]是根據(jù)冷凍水實(shí)際溫度、設(shè)計(jì)溫度、蒸發(fā)/冷凝壓力等參數(shù)，通過(guò)控制主軸轉(zhuǎn)速和導(dǎo)流葉片開(kāi)度控制壓縮機(jī)的輸出負(fù)荷，優(yōu)化壓縮機(jī)的做功能力，降低無(wú)用功的比例，從而使機(jī)組可以在較大的范圍內(nèi)運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能目的。冷水系統(tǒng)控制相對(duì)簡(jiǎn)單、安全可靠。

2.2 冷水機(jī)組選型

工程選擇二臺(tái)變頻離心式冷水機(jī)組(環(huán)保冷媒R134a)，單臺(tái)機(jī)組額定工況制冷量為2110kW（600RT），額定輸入功率N=396kW，標(biāo)況COP=5.33?？照{(diào)水系統(tǒng)夏季運(yùn)行供回水溫度為7℃/12℃，空調(diào)冷卻水供回水溫度為32℃/37℃。冷水機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)全自動(dòng)軟水器，軟化水箱和補(bǔ)水泵，冷凍水泵采用軟化水，冷卻水系統(tǒng)設(shè)自動(dòng)加藥裝置?？照{(diào)系統(tǒng)采用膨脹水箱定壓，膨脹水箱設(shè)高低液壓信號(hào)，控制冷水機(jī)房?jī)?nèi)補(bǔ)水泵啟停，高液位時(shí)補(bǔ)水泵停，低液位時(shí)補(bǔ)水泵開(kāi)始系統(tǒng)補(bǔ)水。本工程空調(diào)末端水系統(tǒng)采用分區(qū)二管制，舒適性空調(diào)與潔凈空調(diào)分別為獨(dú)立的干管系統(tǒng)，可以保證不同功能的空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)域運(yùn)行。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較及運(yùn)行分析

3.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

為比較冷水機(jī)組加裝變頻器后的實(shí)際運(yùn)行效果，本文針對(duì)項(xiàng)目實(shí)際選型，對(duì)制冷量相同配置的定頻與變頻離心冷水機(jī)組的耗能情況進(jìn)行計(jì)算比較，圖1是業(yè)主采購(gòu)冷水機(jī)組生產(chǎn)商提供的選型機(jī)組在定頻工況與變頻工況下，在各種負(fù)荷下的性能系數(shù)COP值的比較?？梢钥闯觯评淞吭?00%到90%時(shí)，變頻機(jī)和定頻機(jī)的COP值差別很小，因?yàn)檫@時(shí)變頻機(jī)的轉(zhuǎn)速和定頻機(jī)的轉(zhuǎn)速差異很小。從90%到10%時(shí)，COP值的差異很大，變頻機(jī)的COP比定頻機(jī)高很多，因此，在部分負(fù)荷時(shí)，變頻機(jī)較定頻機(jī)有明顯的節(jié)能效果。

圖1 600RT變頻與定頻離心式冷水機(jī)組部分負(fù)荷性能系數(shù)比較

項(xiàng)目采用綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV指標(biāo)[5]計(jì)算方法來(lái)評(píng)估變頻與定頻冷水機(jī)組二種方案下的年運(yùn)行費(fèi)用，具體見(jiàn)下式：

式中A—100%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)，W/W；

B—75%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)，W/W；

C—50%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)，W/W；

D—100%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)，W/W。

表1 變頻冷水機(jī)組與定頻冷水機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

表1列出了二種設(shè)計(jì)方案的能耗指標(biāo)及年運(yùn)行費(fèi)用。其它相關(guān)設(shè)定參數(shù)如下：空調(diào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間為夏季：5-10月份，10h/d，運(yùn)行時(shí)間為10h/d×6個(gè)月× 30d/月=1800h；電費(fèi)按0.842元/kWh計(jì)算。

從表中可看出，600TR空調(diào)系統(tǒng)其加裝VSD變頻驅(qū)動(dòng)器后，優(yōu)化了主機(jī)能耗指標(biāo)，相比恒速離心機(jī)組，年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省約13.4萬(wàn)（約27.8%）。如果按冷水機(jī)組能耗占比整個(gè)冷水機(jī)房70%考慮，則整個(gè)冷水機(jī)房大約可節(jié)能19.5%左右。600TR離心式冷水機(jī)組的VSD變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置需增加投資約30萬(wàn)，則收回VSD裝置的期限為：30/13.4=2.3a，具有較好的投資回報(bào)率。

3.2 運(yùn)行效果分析

該工程自2013年秋季投入使用后，通過(guò)業(yè)主反饋，目前系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，特別在過(guò)渡季及假日值班時(shí)，節(jié)能效果較明顯。筆者在2014年10月上旬分別選擇一個(gè)工作日及一個(gè)節(jié)假日對(duì)該制冷機(jī)組進(jìn)行了運(yùn)行數(shù)據(jù)收集，在該時(shí)段內(nèi)氣候涼爽，整個(gè)大樓僅開(kāi)一臺(tái)制冷機(jī)組即可空調(diào)制冷需求。通過(guò)對(duì)工作日及假日值班工況時(shí)的空調(diào)冷凍水供回水溫度、運(yùn)行電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析后，機(jī)組的COP值計(jì)算值如圖2所示。分析可得，由于節(jié)假日僅有潔凈空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行，離心機(jī)組在部分負(fù)荷下的輸入電流較工作日有較明顯的降低，體現(xiàn)出較好的節(jié)能效果。本項(xiàng)目采用變頻離心冷水機(jī)組的另一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是可以不必設(shè)置假日或夜間值班機(jī)組，減少機(jī)房建設(shè)費(fèi)用和初投資。

圖2 節(jié)假日與工作日600RT變頻離心式冷水機(jī)組的計(jì)算COP值

4 結(jié)語(yǔ)

制冷主機(jī)變頻系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、安全可靠，機(jī)組部分負(fù)荷條件下IPLV值高等特點(diǎn)。特別是對(duì)于制冷周期較長(zhǎng)、負(fù)荷變化較大的項(xiàng)目，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析具有較強(qiáng)的節(jié)能性。

[1] 馮樹根.空氣潔凈技術(shù)與工程應(yīng)用[M].1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

[2] 許鐘麟.潔凈室及其受控環(huán)境設(shè)計(jì)[M].1版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

[3] 錢以明.高層建筑空調(diào)與節(jié)能[M].1版.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1993．

[4] 王鋒，劉媛，段希希.離心冷水機(jī)組加裝變頻節(jié)能裝置的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估[J].中國(guó)科技信息（制造），2011，（9）:134-136.

[5] GB50189-2015，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

修回日期：2016-12-12

Application and Energy Saving Analysis of Variable Frequency Refrigeration Unit in Air Conditioning System of an Laboratory Building

LIU Yang
（Dalian Institute of Architectural Design and Research，Dalian 116021，China）

This paper introduces an experimental building central air conditioning and air purification system, analyzes the characteristics of the air conditioning load of the project. For load change, long cycle refrigeration air conditioning project, the article points out that the inverter chiller has strong applicability. The operating data show that the centrifugal chiller with frequency conversion energy-saving device has better investment returns and energy efficiency.

variable frequency refrigeration unit；air purifying conditioning；IPLV；technical and economic analysis

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.023

TU831

B

2095-3429（2016）06-0092-03

劉洋（1978-），男，遼寧營(yíng)口人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：建筑能耗分析。

2016-11-04