离心式与螺杆式冷水机组组合应用系统方案的性能分析

离心式与螺杆式冷水机组组合应用系统方案的性能分析冷水机组,性能分析,方案,离心式[摘要]本文通过对示例四种冷水机组组合应用系统方案的分析，重点比较离心式、离心式与单压缩机螺杆式或多压缩机螺杆式冷水机组组成冷水机组系统应用的满负荷和部分负荷性能，指出应根据不同的实际建筑负荷需求来合理选择冷水机组系统最佳组合方案，同时提出冷水机组系统部分负荷值(SPLV)值得进一步深入研究。[关键词]离心式冷水机组螺杆式冷水机组压缩式制冷冷水机组系统满负荷部分负荷效率一、前言随着中央空调冷水机组应用的进一步发展，冷水机组的满负荷和部分负荷性能分析研究受到日益重视。由于水冷离心、螺杆或活塞机组的大量应用，各种蒸气压缩式制冷冷水机组的满负荷和部分负荷性能特点已被逐渐了解和掌握，但对多台冷水机组组合为系统应用的性能特点相对分析得较少，本文通过对开利公司典型离心式冷水机组、单压缩机或多压缩机螺杆式冷水机组组合应用四种系统方案的性能比较和分析，深入探讨实际冷水机组系统应用的特点。二、冷水机组的组合应用美国开利公司和在上海的合资公司制造并应用的上千个冷水机组项目中有一个十分重要的统计分析：86%的大型中央空调项目由两台或两台以上的多台冷水机组组合成系统进行应用，而单台冷水机组应用在项目中的比例仅为14%，见下图：图1.开利冷水机组单台及多台组合应用在项目中的比例A-单台冷水机组B-2台相同或不同规格冷水机组C-2台较大规格冷水机组与1台较小规格冷水机组D-3台相同规格冷水机组E-4台及4台以上冷水机组从图1中可以看出：两台以上冷水机组组合应用在实际项目中占有绝大多数比例，因此分析研究两台及两台以上冷水机组系统的特性具有重要的指导意义。影响冷水机组及冷水机组系统选择和组合的因素是多方面的，如项目的投资状况、制冷剂的选择要求、操作维护性等等，但冷水机组及冷水机组组合系统的满负荷和部分负荷性能直接影响着整个项目的初投资和运行费用，因此值得深入分析研究。三、冷水机组组合应用系统方案开利公司目前制造销售单压缩机离心式或螺杆式、多压缩机螺杆式或活塞式等三大类全系列水冷冷水机组，可提供完全应用HCFC-22或HFC-134a环保制冷剂的冷水机组系统全面解决方案。为便于分析并具有典型性，本文以空调冷负荷为5274kW（1500冷吨）的典型系统为例确定下列四种冷水机组系统组合方案。表1.四种冷水机组系统组合方案方案方案类型机组类型和型号机组台数系统组合方案一2台相同规格机组19XR750离心机组(19XR6666467DJS)2台系统组合方案二3台相同规格机组19XL500(HFC-134a)离心机组(19XL5152495CR)3台系统组合方案三3台机组：2台相同规格机组一台较小规格机组19XL600(HCFC-22)离心机组(19XL5353466CR)2台23XL300(HCFC-22)单压缩机螺杆机组(23XL4343ED60)1台系统组合方案四3台机组：2台相同规格机组一台较小规格机组19XR600离心机组(19XR6061447DFS)2台30HXC300多压缩机螺杆机组1台注：上述离心、螺杆机组均符合中国标准空调工况[1]：冷冻水温度为7℃/12℃，冷却水温度为32℃/37℃，水侧污垢系数均为0.086㎡·℃/kW。上述离心、螺杆机组为开利公司符合中国标准空调工况的标准选型。四、四种系统组合方案的负荷变化特性和功耗比较设冷水机组系统制冷总负荷即为建筑需求总负荷。表2.组合方案一：2台相同规格机组组成冷水机组系统建筑负荷运行机组机组负荷100%1，2100%90%1，290%80%1，280%70%1，270%60%1，260%50%1100%40%180%30%160%20%140%10%120%5%110%在实际应用的多台冷水机组系统中机组为并联或串联布置，均可随建筑负荷变化对冷水机组开机或关机进行系统负荷调节。当组合方案一中建筑负荷降至50%总负荷时，系统控制可停机一台并通过对水泵和电动阀等的控制调节使另一台机组达到高负荷而获得高效率。若为3台相同规格机组组成系统的组合方案二，当建筑负荷降至30%总负荷时，冷水机组系统将卸载关机2台而使1台机组达到高负荷、获得高效率。而对于3台不同规格机组（40%/40%/20%）的组合方案三和方案四，从表4中可看出建筑负荷分别在20%、40%、80%、100%时均由1台、2台或3台机组达到高负荷，因此冷水机组满负荷效率不仅在单台冷水机组项目应用中成为关键性能参数，而在多台冷水机组系统应用中同样十分重要。由于离心机组与螺杆机组在不同冷量范围中满负荷效率的差异，因此需进一步分析四种冷水机组组合系统方案随建筑负荷变化时的功耗。事实上建筑负荷变化同项目实际应用的气候条件、空调负荷需求等有着直接的关系，不能类似于美国空调制冷协会ARI冷水机组标准或我国冷水机组标准而完全认为建筑负荷随着冷却水进水温度从29.4℃或32℃线性下降至零负荷点15.6℃（60F）来定义其部分负荷变化。冷水机组的负荷调节必须满足实际空调负荷的变化，例如在炎热夏季夜晚低负荷时，虽然负荷量较小，但环境湿球温度可能仍高达27～28℃，实际情况就不可能出现机组冷却水进水温度较低的工况。为便于在同一条件下比较四种方案随建筑负荷变化的功耗情况，下列计算和分析设建筑负荷需求线性下降但冷水机组的冷却水进水温度保持不变，见图。五、分析上述四种冷水机组系统方案中各台冷水机组通过控制调节均能在建筑负荷10~100%变化范围内高效稳定运行，而不同的组合方案又有着不同的性能特点，配合满足不同建筑负荷的需求：1.方案一两台规格相同机组组合不仅主机投资经济性较好，而且30%建筑负荷以上机组运行效率较高，同时机型相同便于冷水机组系统的控制、管理和维护，尤其适用于负荷相对稳定的大型工艺性或舒适性空调项目的应用；另一方面此方案在20%建筑负荷以下时相对其他方案性能略差。2.方案二与方案一相比在建筑负荷30~100%范围内功耗略高，但此方案在20%、30%建筑负荷时性能优于两台大规格机组的组合，说明此方案适合于空调负荷需求变化相对较大项目的应用，如宾馆、酒店、写字楼等，同时此方案同样具有机型统一、便于冷水机组系统的控制、管理和维护等优点，因此3~4台相同冷量冷水机组组合系统在实际项目应用中占有一定的比例。3.方案三是未被充分认识但有着相当好应用价值的方案。事实上这是典型的两大一小冷水机组组合方案，两台同冷量大规格机组各占建筑负荷的40%，一台较小冷量机组占建筑负荷的20%。从图2功耗比较可看出：在10~100%整个建筑负荷需求范围内此方案的性能最佳。由于单压缩机螺杆机组在较小冷量范围效率相对较高，即使建筑有极端低负荷时机组仍保持着较低的功耗，尤其适合于新闻机构等建筑在各时间段冷量需求差异较大或区域冷量需求差异较大的项目应用。由于一些大型项目建设的阶段性，此种两大一小冷水机组系统组合方案应用调节灵活的优势更为突出。4.方案四同属两大一小冷水机组组合方案，方案三是开利公司的离心机组与单压缩机螺杆机组组合方案，而方案四是开利公司的离心机组与多压缩机螺杆机组组合方案。从图2中可以看出在20%建筑负荷以上此方案同样保持着单台或两台离心机组高效运行的优势，而在20%建筑负荷以下调节功能强，效率相对也较高。尽管多压缩机螺杆机组的平均运行效率相对低于单压缩机螺杆机组，但开利公司的多压缩机螺杆机组同开利公司的多压缩机活塞机组采用典型的双制冷回路设计，具有备机功能强、调节灵活、启动电流相对较低等优点，因此组合方案四日渐受到广大用户和设计院专家的重视和首肯。回顶部六、结论1.单台冷水机组与冷水机组组合系统在实际应用中满负荷和部分负荷性能存在很大的差异,正如美国空调制冷协会ARI550/590-1998《采用蒸气压缩循环冷水机组》标准[2]白皮书中指出：机组集总部分负荷值（IPLV）只代表单台冷水机组应用的一般情况，而不代表大多数空调冷水机组的应用。最佳的方案是根据实际的气候参数、建筑负荷的需求变化、冷水机组的数量和规格、运行时间及水泵、冷却塔等相关设备的能耗进行全面综合分析，计算和分析整个冷水机组系统的效率。从分析比较中可以看出：单台冷水机组的部分负荷性能不能正确反映多台冷水机组组合系统的部分负荷性能，只能代表单台冷水机组为独立系统的应用状况。2.从表2、3、4中可以明确看出：即使是两台相同规格冷水机组组成的系统在建筑负荷30%以上时，单台冷水机组的运行负荷均在60%以上，机组均达到较高的效率。若采用两台一大一小冷水机组组合方案、三台规格相同或两大一小冷水机组组合方案，各台机组在20%建筑负荷以上均达到较高的单机运行负荷，从而获得较为理想的系统运行效率。根据大量的分析和测试可知：若系统负荷测算正确，一般建筑的实际最小负荷均在建筑负荷的20%以上，20%以下的负荷可能由于有局部区域供冷或项目建设延迟但仍需部分供冷造成，因此，典型项目若选用3台机组则按建筑负荷40%/40%/20%比例选取离心机组和螺杆机组组成冷水机组系统在达到优良性能、充分节省运行费用方面最为理想。3.在单台冷水机组运用中出现极端低负荷、且冷却水进水温度相对较低时应用变频装置可达到一定的节能目的，但只要建筑负荷测算正确并增加裕量不大，通过分析表明：两台及两台以上冷水机组系统实际应用中一般单台冷水机组不会在低于50%机组负荷下运行，因此片面夸大变频器的节能效果是错误的。不具体分析项目实际气候条件、负荷变化特点、冷水机组系统组合方式等，而简单利用冷水机组标准中对机组运行部分负荷的定义，来推算并宣称只要应用变频装置就可使实际系统节能30%以上的做法十分草率，极不严谨，这种误导值得引起广大设计院专家和用户的重视。4.为进一步表征实际冷水机组系统的部分负荷性能，需要以整个冷水机组系统作为研究对象，全面计算、分析和测试在整个运行周期中的功耗，因此计算分析系统部分负荷值(SPLV：SystemPartLoadValue)具有更为重要的应用意义。这方面的工作需要制造公司、设计院、高校及科研单位、安装单位、业主和技术监督部门相互配合，共同为中央空调系统应用的有效节能做出努力。