本文作者：陶家顺  (南京中电熊猫平板显示科技有限公司  高级工程师)

　　摘要  离心式冷水机组广泛应用于电子半导体厂、汽车制造厂、化纤厂等场合,由于工艺需求,冷水机组往往需要全年不间断供冷,运行能耗巨大。冷水机组能效的影响因素众多，研究运行工况的变化对离心冷水机组性能的影响，综合考虑主机、水泵及冷却塔的能耗，实现冷水机房的高效运行一直是空调制冷行业研究人员关注的重点所在。本文依据离心式冷水机组实际的运行记录数据进行分析，分别对影响冷水机组性能的5个主要因素，即冷水机组负载率、冷凝器进水温度、蒸发器出水温度、冷冻水流量、冷却水流量，进行了整理与分析，得出了不同运行工况下冷水机组能效的变化规律。建议日常管理运行中，应熟悉冷水机组性能，对各设备统筹兼顾，提升冷水机房系统整体能效。

　　关键词  离心式冷水机组  流量 温度  COP

　　The analysis of the performance of centrifugal chiller on different running condition

　　Taojiashun

　　(Nanjing CEC Panda FPD Technology Co.,Ltd., Nanjing 210033, China)

　　Abstract  The centrifugal chillers are widely used in semiconductor manufacturing, automobile factory, chemical fiber factory and other large engineering which with refrigerating capacity. The Chiller efficiency is greatly affected by running condition. It is difficult to accurately reflect the actual energy efficiency only with the efficiency of nominal operating condition. Because of this, industry researchers have been the focus of the study for performance of the centrifugal chiller in different running condition, to achieve efficient operation of refrigeration chiller. This article gives some conclusion from analysis of operation data of centrifugal chillers. From the five important factors affecting refrigeration chiller efficiency, this paper represents how to improve the efficiency of the refrigeration chiller. To improve energy efficiency of chiller plant, this paper suggest should be familiar with the chiller performance in daily management operation, overall considerations with other equipment in chiller plant.

　　Keywords  centrifugal chiller  performance curve  COP

　　0引言

　　压缩式冷水机组按其压缩形式可分为离心式、螺杆式、活塞式、涡旋式等，离心式冷水机组因其结构紧凑、单机制冷量大、占地面积少、可实现无级自动调节、效率高等诸多特点得到广泛应用。在电子半导体厂、汽车制造厂、化纤厂等制冷量大的工程中，离心式冷水机组更是具有无可比拟的优势，这些设备运行时间长，能耗巨大。正因如此，研究运行工况的变化对离心冷水机组性能的影响，实现冷水机组的高效运行一直是空调制冷行业研究人员致力于突破的重点所在。

　　冷水机组的效率受到诸多因素的影响，主要因素有机组负荷率、蒸发温度（或蒸发压力）、冷凝温度（或冷凝压力）等。而蒸发温度又与蒸发器出口温度及冷冻水流量息息相关，冷凝温度又与冷却水进水温度及冷却水流量密切相关，同时污垢系数、不凝性气体含量、换热器配置等因素也会对蒸发温度和冷凝温度产生一定影响。本文试通过对离心冷水机组多年的运行数据记录进行发掘分析，为合理控制离心式冷水机组的运行工况提出建议，从而提高能源利用率，为实现冷水机房的高效运行提供建议和指导。

　　1 冷水机组性能的影响因素

　　冷水机组的性能指数（COP）是指制冷水机组在特定工况下的制冷量与输入功率之比。文献[1]将影响冷水机组实际运行性能的因素分为两大类，即内部因素和外部因素。冷水机组的运行性能受其自身因素的影响，如压缩机形式、制冷剂种类和充填量、两器污垢系数等。除此之外，冷水机组在不同的运行工况下，性能也存在明显差异。

　　运行工况对冷水机组COP值影响包含以下因素：冷凝温度、蒸发温度、负荷率。冷凝温度又取决于冷凝器流量、冷凝器进水温度、冷凝器换热效率（换热温差），蒸发温度取决于蒸发器换热效率（换热温差）、蒸发器出水温度、蒸发器水流量。笔者在此梳理如下：

图1 影响冷水机组性能的运行工况因素

　　《标准》[2]规定了检测冷水机组效率的名义工况，标准规定，冷水机组蒸发器出水温度为7°C，进出水温差5°C，冷凝器进口温度为30°C，进出水温差4°C。通常在机组铭牌上所标示的COP即为国标名义工况下的效率。依据该COP值可在一定范围比较冷水机组运行性能，但实际冷水机组运行中，运行工况千差万别，机组整体运行性能是机组内部特性对运行工况的反映。以下通过我厂配备的特灵CVHG1100离心式冷水机组多年来的运行数据，进行归纳整理。试图寻找不同因素与机组性能之间的规律关系。

　　2 冷水机组负载率对性能的影响

　　我厂配备的特灵CVHG1100离心式冷水机组名义工况下的COP值为6.6。在冷却水泵和冷冻水泵工频运行条件下，当机组运行在如下工况，可得到不同负荷率下的冷水机机组性能特性。

　　根据上表确定的工况及机组在不同部分负荷率下COP值可绘制机组的COP特性曲线，该工况下的部分负荷性能曲线如图2所示：

图2 冷水机组部分负荷曲线

　　从图2可以看到，离心式冷水机组部分负荷性能曲线随着负载率下降，COP值缓缓升高，在75%~85%的部分负荷段，COP值达到最高，而后，随着负载率继续下降，COP值快速下降。曲线最高处的COP值约为满载工况COP值的1.05倍。图2的部分负荷性能曲线展示了离心机组的普遍性能规律，即离心式冷水机组的COP峰值往往不出现在满负荷时。以市场上常见的特灵、约克、开利定频离心主机为例，大多数的机组的最高COP往往出现在70%~90%的负载段（另外，也有少数机型在接近满负载率时COP最高）。并且，值得注意的是随着运行工况的不同，最高COP对应的负荷率（即最佳负荷率）也是动态变化的。这是因为定频离心式冷水机组在部分负荷运行时，通过导流叶片调节、进口节流调节等方式来实现制冷量调节。导流叶片略微关闭时，改变了气流进入叶片的方向，导流叶片调节在一定范围内调节时可使压缩机的效率略有提高。但当导叶开度过小时，节流作用明显增加，效率大为下降。

　　发现并分析冷水机组的最佳运行负荷段，合理控冷水机组加减载，对提升整个机房能效水平的重要意义不言而喻。

　　2 冷冻水出水温度变化对冷水机组性能的影响

　　在相同冷凝温度下，蒸发器出水温度不同也会对冷水机组COP产生影响。下面通过对三条性能曲线进行分析，整理出COP值随蒸发器出水温度变化而变化的规律。这三条性能曲线的分别代表运行工况为：

图3冷冻水出水温度变化对冷水机组性能的影响

　　可以看到，冷水机组性能COP值随着蒸发器出水温度的提高而提高。通过对大量运行数据记录的量化分析比较，可知蒸发器出水温度每提升1°C，冷水机组COP提升1.5%~3%，具体提升效果与实际运行工况相关。图3中三条冷水机组性能曲线的COP峰值均出现在75%~85%的负荷率。

　　提高蒸发器出水温度可以提高冷水机组COP值是由于蒸发温度的提高，其实质在于压缩机压缩比的降低。同时，机组的制冷量以及制冷剂循环量也会发生变化。制冷循环中的制冷剂容积制冷量随压缩机的吸气状态而变，制冷循环中的制冷剂蒸气比体积随蒸发温度的降低而加大。若冷凝温度确定情况下，离心冷水机组的制冷量将随蒸发温度的提高而增大，冷水机组性能随着蒸发温度的提高而提升。

　　虽然提升冷冻水出水温度以提升冷水机组性能的效果显著，但是工厂工程中出于对工艺的要求，尤其半导体工厂洁净室车间对空调温湿度、换气次数有严格的要求，冷冻水出水温度调节范围比较窄，这就需要具体控制中，操作人员熟悉冷机性能曲线，在保证工艺需求的前提下，尽量使冷水机组在COP峰值点运行，进一步提升冷水机组性能。而在商业楼宇建筑中，冷冻水出水温度重置不失为有效提高空调冷水机房整体能效的重要途径，当春秋过渡季节或夜间低负荷时段，负荷降低时，末端除湿的需求也相应降低，适当的提高出水温度同样可以满足房间内的温湿度要求。

　　3 冷凝器进水温度变化对冷水机组性能的影响

　　冷水机组的冷凝温度由冷水机组冷却侧的换热过程决定，热量从冷水机组排到室外环境中，依次经历三个换热过程：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、冷却塔中冷却水与外部空气换热。

　　冷凝器进水温度受到冷却塔出力及湿球温度的影响。下面整理出不同冷凝器进水温度下，冷水机组性能曲线。这些性能曲线的分别代表运行工况为：

图 4冷凝器进水温度变化对冷水机组性能的影响

　　由图4可知，随着冷凝器进水温度的降低，冷水机组COP逐渐提升，根据对已有运行记录数据的量化统计分析，冷凝器进水温度每降低1度，冷水机组COP提升2%~5%，冷水机组节能效果明显。

　　冷凝器进水温度对冷水机组性能影响密切，对冷凝器进水温度的控制这也是空调冷水机房传统节能措施，市场上已有许多BA厂家通过对冷却水温的控制取得了一定的节能效果。其原理在于冷水机组冷凝温度的下降，当冷凝器进水温度降低时，冷凝压力下降，压缩机出口气体的焓值下降，输入的电能降低，进而提高冷水机组COP。

　　值得一提的是，降低冷却水温必须以提高冷却塔的散热能力，而牺牲了冷却风机及冷却水泵的能耗。这提醒我们，实际运行管理中，不能一味追求降低冷却水温，当冷却水温降低到一定范围时，若继续降低冷却水温度，冷水机组COP提升节省的能耗不足以抵消冷却水输配排热设备增加的能耗，所谓过犹不及。实际操作控制中，需要根据室外湿球温度以及冷却塔与冷水机组的实际配置情况，合理的调配冷水机组与冷却水输配排热设备的能耗权重，以达到机房整体能效提升。

　　4 冷冻水变流量对冷水机组性能的影响

　　文献[3]指出了冷冻水变流量控制中，常见的三种方式：I)供回水干管压差恒定的压差控制法，II)最不利末端环路压差保持恒定的末端压差控制法，III)定供回干管温差的定温差控制法。

　　三种变流量控制的差别在此不做讨论，为研究方便，下面对冷冻水采用定温差变流量（即上图中T1-T2=定值）的数据，以分析冷冻水变量对冷水机组性能的影响。下面整理出冷凝器侧条件相同时，蒸发器侧变流量的性能曲线。这些性能曲线的分别代表运行工况为：

图5冷冻水变流量对冷水机组性能的影响

　　从图5可以看到，冷水机组蒸发器变流量性能曲线在部分负荷大于80%时，三条变流量的性能曲线极为接近。相比定流量运行时，冷水机组COP下降仅在0.5%以内；在80%以下的部分负荷段，蒸发器侧变流量引起冷水机组COP的下降也在3%以内。上述结果表明当冷凝器条件一定时，冷冻水流量变化引起的冷水机组性能变化很小。

　　究其原因，一方面蒸发器侧水流量的降低，导致蒸发器侧换热效率下降，这使得机组COP降低；另一方面，定温差的变流量控制下，由于蒸发器出水温度相同，蒸发器回水温度的不同会引起蒸发温度的变化，蒸发器侧进出水温度平均值在部分负荷下比定流量的蒸发器侧进出水温度平均值高，也就意味着冷水机组蒸发温度较高,从而机组COP提高。上述两个方面的综合影响使得机组在不同温差下的COP基本保持不变。

　　冷冻水泵变流量后，节省的能耗往往占到冷水机组运行能耗在3%~8%，这也肯定了冷冻水泵变流量的可行性，当满足末端换热除湿需求时，通过水泵变频来调节冷冻水流量应该是流量调节的最好手段。

　　冷冻水泵变频，近年来已有许多成功案例，通过水泵变频来调节冷冻水流量应该是流量调节的最好手段，其水泵能耗的降低，笔者在此不多赘述，文献[4]指出，水泵采用变频控制后，其能耗并非如厂商所宣传的那样，与流量的三次方成正，功率和流量的实际关系和水泵性能曲线、管网曲线以及控制方式都有关系。同时还应考虑控制精度和工艺要求，进而确定冷冻水泵变频采用定温差控制抑或压差控制法。

　　5 冷却水变流量对冷水机组性能的影响

　　虽然相对于定流量的冷却水系统，冷凝器变流量在冷却水温上具有一定的优势。但随着冷却水流量的减少，若冷却塔出力不变，冷却水在冷却塔内的热湿交换更为充分，因此冷却水温会更接近湿球温度，冷凝器进水温度对主机性能的影响前文已作讨论。但当冷凝侧进水相同时，随着冷却水流量的减小，引起系统排热量的减小和冷凝器换热效率的下降。以下分析当冷凝器进出水温度相同的情况下，冷却水变流量对冷水机组性能的影响。

　　冷却水变流量控制依据为定温差控制（即下图中T1-T2=定值），文献[5]指出冷却水流量变化的范围主要有以下考虑：冷凝器内换热管的经济流速和冷却水管上流量开关的限定。

　　下面整理出相同蒸发器侧条件相同时，冷凝器侧变流量的性能曲线。这些性能曲线的分别代表运行工况为：

图6冷凝器变流量对冷水机组性能的影响

　　可以看到，当蒸发器侧条件相同及冷凝器进水温度一定时，冷却水变流量对冷水机组性能影响较大。定温差变流量控制下，随着负载率的减少，冷水机组冷凝侧的冷却水流量逐渐减少，相对定流量运行而言，冷水机组COP下降在3%~8%。

　　与冷冻水泵类似，冷却水泵变流量后，节省的能耗往往占到冷水机组运行能耗在3%~8%。具体节能率大小的变化方向与冷水机组COP下降的趋势方向一致，即负载率愈小，冷却水泵节省的能耗越多，而冷水机组COP下降的也愈厉害。

　　可见，冷却水泵的变频控制对冷水机组性能影响较大，冷却水泵变频节省的电能是否抵消了冷水机组能耗的增加后仍有富余，这是决定采用这一技术的关键因素。

　　文献[5]给出了通过冷却水泵与冷机功率的占比来确定冷却水泵变频的可行性依据，提出当冷却水泵功率和冷机功率占比不低于10%，可适用冷却水泵变流量控制。但是该结论仅基于厂家提供的标准机样本中的部分负荷工况性能作出的计算，由此笔者认为冷水机组对冷却水流量比较敏感，冷却水变流量的控制工艺需更为细致谨慎，只有通过对各设备的性能的熟悉，尤其是冷水机组性能曲线，方能更好的保证冷冻机房能动态地运行在最佳效率点上实现最佳节能目标。

　　5 结论

　　本文分别对影响冷水机组性能的5个主要因素，即冷水机组负载率、冷凝器进水温度、蒸发器出水温度、蒸发器水流量、冷凝器水流量，进行了定性定量分析，得出以下结论：

　　1. 离心式冷水机组的COP峰值往往不出现在满负荷时，更多情况是负载率在70%~90%时，冷水机组性能最高；

　　2. 蒸发器出水温度每提升1°C，冷水机组COP提升1.5%~3%，在满足末端换热需求的前提下，适当的提高蒸发器出水温度可以有效的提高机房效率；

　　3. 冷凝器进水温度每降低1°C，冷水机组COP提升2%~5%，实际操作控制中，需要合理的调配冷水机组与冷却水输配排热设备的能耗权重，以达到机房整体能效提升；

　　4. 合理的调节蒸发器水流量，可大量节省冷冻水泵能耗，不同冷冻水控制温差下，冷水机组性能几乎没有差别，因此可在保证末端需求的前提下尽量降低冷冻水流量；

　　5. 冷却水变流量对冷水机组性能影响较大，冷却水变流量需要以充分了解冷水机组性能与冷却水泵、冷却塔性能为基础。

　　6. 冷水机房内各设备间相互影响众多，冷水机组作为冷水机房内最重要的设备，冷水机组节能是机房整体效率的关键，优秀的机房操作与管理应以对实际设备的基本运行特性为基础，统筹兼顾，从而提升机房整体能效，提高能源利用率。

　　参 考 文 献

　　[1]  蔡宏武,魏庆芃.冷水机组运行性能评价及节能诊断[A];全国暖通空调制冷2008年学术文集[C];2008年

　　[2]  GBT 18430[1].1-2007, 蒸气压缩循环冷水(热泵)机组 第1部分工业或商业用及类似用途的冷水[S].

　　[3]  孙一坚,潘尤贵.空调水系统变流量节能控制(续2):变频调速水泵的合理应用[J].暖通空调, 2005, 35(10): 90-92

　　[4]  江亿.用变速泵和变速风机代替调节用风阀水阀[J].暖通空调,1997, 27(2): 66-71

　　[5]  陈剑,李斌.冷却水系统变流量可行性研究[A]. 全国暖通空调制冷2004年学术文集[C],2004年

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