来源：暖通学堂  暖通空调

摘要
通过对实际项目的详细测试和数据分析，从外因、内因以及内外协同三方面入手，总结了常规工频冷水机组和变频冷水机组实际运行过程中存在的共性问题和特性问题。针对存在的典型问题，提出了冷水机组运行调适方法，为冷水机组运行性能的提升指明了节能方向。

关键词
空调系统  冷水机组  工频  变频  运行调适

作者
清华大学  邓杰文  何适  魏庆芃  卢地  张辉

 0 引言 

冷水机组能耗是公共建筑空调系统能耗的重要组成部分。在许多实际工程中，冷水机组电耗占空调系统总电耗的一半甚至更高，其运行效率对空调系统的整体效率有显著影响。冷水机组在实际运行中存在着如下问题：台数搭配不当导致运行负荷率偏低；蒸发器、冷凝器结垢或制冷剂充灌量不足导致蒸发器、冷凝器换热效果不佳；冷水供水温度设定值过低导致蒸发温度过低；冷却侧换热效果不佳导致冷凝温度过高；等。这些问题导致冷水机组运行性能较差，运行能耗增大。针对上述问题，研究者分别从冷水机组的故障诊断和群控策略等方面入手，探讨了冷水机组运行性能优化方法。

本文结合实际案例，对冷水机组在实际运行过程中存在的典型问题进行归纳，并提出适用于冷水机组的运行调适方法。

 1 冷水机组实际运行性能影响因素 

空调系统蒸发侧各介质温度之间的关系如图1所示，以采用送风形式末端的系统为例，送风温度由室内负荷特性决定。而从送风温度到蒸发温度，需要跨越三段温差：末端盘管换热温差、冷水供回水温差及蒸发器换热温差。在实际工程中，水系统换热设备性能不佳，一、二级泵系统逆向混水导致末端供水温度偏高，冷水机组过渡季出水温度设定值偏低，蒸发器换热性能不佳，是导致蒸发温度偏低的几类典型问题。

图1 空调系统冷却各介质温度之间的关系

对于冷凝温度，如图2所示，从室外湿球温度到冷凝温度，同样需要跨越三段温差:冷却塔换热温差、冷却水供回水温差及冷凝器换热温差。在实际工程中，冷却塔换热性能不佳，冷却塔旁通导致冷却水供水温度偏高，冷凝器换热性能不佳，是导致冷凝温度偏高的几类典型问题。

图2 空调系统冷却却侧各介质温度之间的关系

压缩机效率与压缩比及工质流量（负荷率）相关。对于工频离心式压缩机,当压缩比或者工质流量减小时，其效率相对于额定满负荷工况降低（如图3所示），而变频离心式压缩机应对部分负荷的调节性能更佳，可以在较大工况范围内保持高效（如图4所示）。

图3 工频离心式压缩机性能曲线

图4 变频离心式压缩机性能曲线

因此，在设计选型阶段,提高冷水机组内部效率的关键是选取与负荷及其变化相匹配的容量组合，同时在成本可接受范围内尽可能选用优质的设备。在运行过程中，压缩机的压缩比主要受限于冷却侧排热情况和冷水侧供水温度，当配置有多台机组时可以利用群控策略调节各台机组的负荷率以提高压缩机效率。而在运行中如果出现制冷剂充灌量不足、冷水机组性能老化等问题，需要联系设备厂商进行调适优化。

 2 冷水机组调适需求及方法分析 

冷水机组实际运行过程中存在的典型问题可以归纳为以下3个方面：（1）冷水侧、冷却水侧运行性能不佳导致冷水机组蒸发温度过低、冷凝温度过高；（2）冷水机组自身运行性能不佳；（3）开机组合不合理导致冷水机组没有运行在最佳的负荷率下，进而降低了冷水机组的性能。

针对上述问题，本文将冷水机组调适方法归纳为外因、内因以及内外因协同3个方面，并有针对性地提出调适优化建议。

如图5所示，外因主要包括“外部”需求和“外部”条件，即待解决的外部问题或者外部能提供的有利条件。对于冷水机组，其外因即为冷水侧和冷却水侧的工作环境。

图5 冷水机组节能调适方法

内因主要是指空调系统研究对象内部的、相对固有的技术参数或特征。对于工频冷水机组，其内因为不同冷却水进口温度、不同负荷率下的性能曲线。对于变频冷水机组，还需要考虑不同转速、入口导叶阀开度下的性能曲线等。

内外协同是指在既精确掌握研究对象外部需求和外部条件，又准确了解研究对象内部固有技术特征和能力的前提下，内外兼顾、由内而外、精准匹配的运行调节过程。

本文结合实际案例，给出冷水机组在运行过程中需要注意的关键问题和相应的调适方法。

 3 冷水机组调适方法应用效果分析 

2015年至今，笔者详细测试了多台冷水机组，包括常规工频冷水机组及常规变频冷水机组，本文各选1种类型冷水机组系统进行详细分析，所选取的2种系统基本信息如表1所示。

表1 所选取的2种系统的基本信息

2种系统的冷水机组额定参数如表2，3所示。

表2 系统A冷水机组额定参数

3.1 外因分析，优化冷水机组运行外部条件

31.1 冷却水侧工作环境

如前所述，系统A冷却水侧采用开式冷却塔+2级板式板式换热器换热的形式。冷却水系统水温分布如图6所示。

图6 系统A冷却水侧水温分布

图7显示了系统A和系统B冷水机组冷凝器进水温度。

图7 冷水机组冷凝器进水温度

由此可见，在实际运行过程中，为了降低冷水机组冷凝温度，需要对冷却水系统进行调适。对于冷却塔，通过优化气流组织、合理搭配冷却塔台数与频率优化换热性能,降低冷却塔出水温度。如果由于承压或水质要求，需要加装板式换热器,则需要优化板式换热器换热性能，减小板式换热器换热带来的温升。对于冷水机组冷凝器，则需要避免盘管脏堵或制冷剂充灌量不足的问题，优化冷凝器换热性能。通过冷却水侧系统调适优化，降低冷凝温度，提升冷水机组运行性能。

3.1.2 冷水侧工作环境

图8显示了系统A和系统B全年逐月冷水供水温度。

图8 冷水机组冷水供水温度

当末端同时存在常规供冷需求和特殊供冷需求时，在系统设计阶段就应该分别加以考虑。对于特殊供冷需求末端,单独设置冷水机组，根据其技术要求全年维持低温供水。而对于常规末端，由于末端负荷随室外温度变化，全年供水温度也应该随室外温度变化进行相应的调节。在供冷高峰期，往往同时存在着较大的除湿需求，冷水机组供水温度应该保持在设计值，多为7~8℃，而随着室外气温的降低，供冷需求和除湿需求同步降低，此时可以适当提高供水温度，提高蒸发温度，进而提升冷水机组运行性能。

3.2 内部分析，提升冷水机组全工况运行性能

在优化冷水机组外部工作环境后，为了最大化利用外部有利条件带来的效益，就需要保证冷水机组自身运行性能达到标称值。这项工作不仅要考虑额定工况下实际运行性能是否达标，更应该重点考察冷水机组不同工况下的运行性能是否达标。此时就需要通过设备厂商提供的冷水机组样本，折算出不同冷却水进水温度、负荷率下冷水机组的标称性能，进而分析冷水机组全工况下实际运行性能与样本标称值的差别。

图9显示了该冷水机组在不同冷却水进水温度、负荷率下的COP，COPD性能曲线。当末端同时存在常规供冷需求和特殊供冷需求时，在系统设计阶段就应该分别加以考虑。对于特殊供冷需求末端,单独设置冷水机组，根据其技术要求全年维持低温供水。而对于常规末端，由于末端负荷随室外温度变化，全年供水温度也应该随室外温度变化进行相应的调节。在供冷高峰期，往往同时存在着较大的除湿需求，冷水机组供水温度应该保持在设计值，多为7~8℃，而随着室外气温的降低，供冷需求和除湿需求同步降低，此时可以适当提高供水温度，提高蒸发温度，进而提升冷水机组运行性能。

图9 系统B1#冷水机组COP，COPD性能曲线

图9形成的一簇曲线意味着冷却水进水温度处于16~34℃、负荷率处于0.2~1.0之间时，冷水机组运行COP，COPD应该处于该簇曲线内。1#冷水机组实际运行COP，COPD与性能曲线的对比如图10所示。

图10 系统B1#冷水机组实际运行COP，COPD与性能曲线对比

在1#冷水机组运行过程中，通过调节压缩机频率及导叶阀开度来调节其制冷量，满足末端供冷需求。为了分析冷水机组达不到标称性能的原因，笔者对1#冷水机组压缩机全年运行频率、导叶阀开度、负荷率进行了统计，结果如图11所示。

图11 系统B1#冷水机组压缩机运行频率-导叶阀开度-负荷率分布

为了解决冷水机组内部性能衰减问题,需要对其调节模式作出调整。换言之,需要与厂家沟通更改冷水机组调节模式，在负荷减小时优先降低冷水机组频率，将冷水机组实际运行性能提高至额定值，充分发挥变频冷水机组部分负荷下的性能优势。

3.3 内外协同，保证冷水机组运行在最佳负荷工况

以系统A 为例介绍工频冷水机组内外协同的重点工作。

表4显示了2017年系统A 冷水机组实际开机组合情况，可以看到，由于冷水机组共有3种不同装机容量，开机组合较为复杂。表4中负荷率下限表征当前开机组合下的最低负荷率，如果负荷率低于该值，可以切换为更小容量的开机组合，保证实际运行的冷水机组负荷率不至于过低。

表4 冷水机组运行组合

但实际运行结果（如图12 所示）表明，除了1M+1S开机组合冷水机组普遍运行在最低负荷率之上以外，其他开机组合的运行负荷率均普遍低于最低负荷率。由此可见,优化开机组合，提高冷水机组运行负荷率，是提升冷水机组运行COP的关键途径，也是当务之急。

图12 各种开机组合负荷率分布

依据该思路，笔者对冷水机组开机组合进行了优化，确保每种开机组合的实际运行负荷率均高于负荷率下限。由于缺少冷水机组变工况的额定性能曲线，笔者通过对7台冷水机组2017年的逐时运行数据进行拟合，得到了其在不同负荷率、不同压缩比下的运行性能。各冷水机组拟合常数如表5所示。

表5 各冷水机组拟合常数

同样以2017年逐时冷负荷为基础，通过开机组合的优化，得到优化前后冷水机组运行负荷率、运行性能结果,如表6，7所示。

表6 优化前后冷水机组负荷率对比

表7 优化前后冷水机组COP对比

 4 结论 

（1）对于冷凝侧，可以通过优化冷却塔换热性能、减少换热环节等手段，降低冷却水温度，进而通过提升冷凝器换热性能降低冷凝温度。

（2）对于蒸发侧,通过合理匹配末端供冷需求,例如避免一、二次水系统逆向旁通混水，使得常规系统能根据室外温度调节供水温度，避免冷水供水温度过低，进而通过提升蒸发器换热性能提高蒸发温度。对于多级板式换热器水系统，可以强化板式换热器换热性能。对于特殊供冷需求末端，可以单独设置冷水机组，根据其技术要求全年维持低温供水。

（3）在优化冷水机组外部工作环境后，为了充分利用外部有利条件，就需要保证冷水机组在不同工况下的运行性能都能达到标称值。如果出现性能衰减的情况，就应该及时进行测试分析，与厂家积极沟通解决，从而保证冷水机组在全工况下高效运行。

（4）在优化冷水机组外部工作环境，并确保冷水机组自身全工况运行性能达到标称值后，需要根据末端供冷需求，通过合理的控制策略，使得每台冷水机组都运行在最优的负荷率下，从而提升冷水机组实际运行性能。

（全文刊登于《暖通空调》2020年第50卷第1期103～109页）