149 武汉地区集中空调工程部分负荷能效系数限值的研究
武汉地区集中空调工程
部分负荷能效系数限值的研究
武汉科技大学城建学院  高 炜 李玉云 胡 勇
中南建筑设计院  蒋修英 马友才
摘要  针对空调工程大部分时间是在部分负荷下运行的特点，分析了影响集中空调工程部分负荷能效系数的因素，讨论了集中空调工程部分负荷能效系数与各子系统能效系数的相关性，给出了空调工程部分负荷DEER计算公式，并提出了武汉市公共建筑集中空调工程部分负荷设计、改造工程能效系数限值。
关键词  部分负荷 DEER 限值 空调工程
表1        集中空调工程部分负荷时间段分析
部分负荷率
100%～75%
75%～50%
50%～25%
25%～0
制冷小时数/h
23
277
577
492
制冷时间比例/%
1.68
20.23
42.15
35.94
1 引言
表2          冷水机组运行调节分析
机组运行台
运行2台机组
运行1台机组
空调负荷率%
100
75
50
25
20
15
机组总负荷/kW
3247
2435
1624
812
649
487
机组负荷率/%
92.35
69.26
92.35
46.17
36.94
27.70
由于公共和民用建筑空调系统的负荷来自围护结构传热(包括太阳辐射)、新风负荷和室内热源，围护结构和新风负荷是随室外气象条件而变化，室内热源随人员散热量、设备散热量逐时变化。因此，空调负荷是逐时变化的。
表1给出了某建筑空调工程在不同负荷率下的运行时间占总空调运行份额。从表中可知，冷水机组在空调负荷率25%～50%时运行时间最长，占整个空调时间的42.15%。该建筑安装两台2×1758kW的冷水机组，其冷水机组的运行调节分析见表2。从表中可知，当空调负荷为25%时，单台机组的负荷率仅为46.17%。因此，研究部分负荷下的空调系统的能效系数为节能运行、减少集中空调系统的能耗有着非常重要的意义。
2 集中空调工程部分负荷设计能效系数
“空调工程部分负荷设计能效系数”是指空调工程在部分负荷率时的冷负荷与设计时已选定的设备（包括主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、末端风设备）在该部分负荷率下作部分负载率调节时的耗电总功率之比[1]。因此，空调工程部分负荷设计能效系数的计算首先是要确定在各种部分负荷率下可能的运行调节方案，进而确定各种方案中各个空调用能设备的耗电总功率[2]。
2.1 集中空调工程部分负荷设计能效系数的功率
2.1.1空调工程部分负荷的确定
空调工程以及各个子系统的部分负荷等于设计负荷乘以部分负荷率，即
                                                                  （1）
式中，为不同部分负荷率下的冷负荷，kW；为部分负荷率，按《公共建筑节能设计标准》[3]，一般取75%、50%、25%。
2.1.2 设备耗电总功率的确定
空调工程在部分负荷下的耗电总功率按下式确定，即
                                                            （2）
式中，为部分负荷下，空调工程的额定耗电功率总和，kW；为部分负荷下，冷源系统耗电功率总和，kW；为风系统（包括所有末端送风设备）耗电功率总和，kW。
1.冷源系统耗电功率
（1）冷水机组根据产品部分负荷下的能效系数EER确定[4]。
（2）冷却水泵。空调工程在部分负荷下，冷却水管路阻抗不发生变化，因此，冷却水泵的耗电功率主要根据冷却水泵的运行方式确定。
·台数控制。运行水泵的耗电功率()等于运行台数×额定耗电功率/台。
·变频控制。水泵在部负荷下的耗电功率与额定耗电功率之比等于水泵在部分负荷下转速与额定转速之比的三次方。即
                                    （3）
变频控制耗电功率耗电控制台数功率。
（3）冷却塔。冷却塔的耗电设备是冷却塔风机，而风机的运行调节同冷却水泵一样，可分为变频调节和台数调节两种。其功率计算方法同冷却泵。变频控制耗电功率台数控制耗电功率。
的计算式为
                                        （4）                                   
（4）冷冻水泵。空调工程在部分负荷下运行时，冷冻水泵的运行调节方式与冷却水泵相同，但其耗电功率与冷却水泵不同，因其在部分空调负荷下运行时，由于末端送风设备冷水管路上电动二通阀等阀门的关小或部分关断，使得冷冻水管路性能曲线发生变化。
· 台数调节。依靠末端设备的阀门调节来满足用户需求，水泵工况点改变，水泵实际耗电功率小于额定耗电功率。的计算方法为：根据所选冷冻水泵的样本性能曲线及台数调节方案，利用Excel2007拟合部分负荷下冷冻水泵运行的Q-N曲线，并代入此时的冷冻水流量计算出。                       
· 变频控制[5]～[6]。水泵耗电功率与转速之间遵循式（3）的关系，其值为。且末端设备阀门不做调节，水泵工况点不改变，水泵实际耗电功率小于。的计算式为：
                                              （5）     
由于末端设备阀门动作，导致冷冻水管路性能曲线发生变化、水泵工况点发生变化，以及变频器效率下降等因素，计算水泵变频控制的耗功率时，将公式（5）中的因次取1，即的计算式实际为：
                                              （6）
2.空调末端功率确定。
（1）所有风机在部分负荷下运行，耗电功率为所有末端设备额定功率之和。
（2）组合式空调器变频控制，其它设备为在额定功率下运行。的计算式为
                                          （7）           
3.控制策略
（1）方案1：
手相感情线
· 冷水机组为制冷量无极调节，冷冻水量与其调节成比例变化。
· 冷冻水泵台数调节，依靠末端设备的阀门调节来满足用户需求，水泵工况点改变，水泵实际耗电功率为 ，小于额定功率N2。
· 冷却水泵台数调节。
· 冷却塔台数调节。
· 空调末端设备依靠阀门调节来满足用户需求。
在部分负荷下，空调工程的电功率为
                              （8）
（2）方案2：
· 冷水机组为制冷量无极调节，冷冻水量与其调节成比例变化。
· 冷冻水泵变频调节，末端设备阀门调节以满足不同用户需求，水泵工况点不发生改变，水泵实际耗电功率为，小于额定功率。
· 冷却水泵台数调节。
· 冷却塔变频调节。
· 空调末端设备依靠阀门调节来满足用户需求，大空间组合式空调采用变频控制。
在部分负荷下，空调工程的电功率为
                      （9）
根据上面的讨论，。
2.2 集中空调工程部分负荷设计能效系数DEER
2.2.1 不同冷源形式的空调工程部分负荷DEER
根据对武汉市的能耗调查与能源审计[7]，分别按方案1和方案2计算，得出按冷源形式不同分类的各栋建筑的空调工程部分负荷DEER及各子系统空调工程部分负荷DEER平均值，见表3。冷水机组在50%负荷下，EER最高。
表3                      不同冷源形式的空调工程和各子系统部分负荷DEER平均值
冷源形式
部分负荷率
冷源系统 DEER
冷水机组EER
冷却水系统DEER
冷冻水系统DEER
风系统DEER
冷量输配系统DEER
空调工程DEER
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
螺杆式冷水机组
100%
3.70
3.70
4.81
4.81
26.51
26.51
43.79
43.79
30.17
30.17
17.34
17.34
3.24
3.24
75%
4.19
4.32
6.09
6.09
21.86
23.58
38.63
44.66
22.63
28.45
13.66
17.18
3.44
3.74
50%
4.73
5.03
6.93
6.93
24.38
27.09
41.18
65.51
15.08
27.97
10.79
18.68
3.51
4.17
25%
3.14
3.25
4.51
4.51
18.18
20.35
32.44
33.21
7.54
50.09
5.86
12.10
2.13
2.66
离心式冷水机组
100%
3.96
3.96
5.27
5.27
26.80
26.80
40.38
40.38
29.89
29.89
16.67
16.67
3.46
3.46
75%
4.30
4.40
6.29
6.29
22.55
24.67
36.37
39.75
22.42
38.87
13.45
19.18
3.57
3.94
50%
4.49
4.69
6.68
6.68
23.37
27.06
36.88
49.11
14.95
48.07
10.29
23.30
3.40
4.25
25%
3.63
3.72
5.03
5.03
21.65
26.00
36.47
36.24
7.47
52.12
6.11
19.12
2.41
3.33
风冷热泵机组
100%
2.81
2.81
3.02
3.02
-
-
40.91
40.91
ps换背景54.40
54.40
22.95
22.95
2.67
2.67
75%
3.13
3.16
3.42
3.42
-
-
39.36
44.79
40.80
42.40
19.70
20.99
2.91
2.93
50%
3.24
3.33
3.56
3.56
-
-
36.32
62.17
27.20
28.90
15.38
18.27
2.89
2.98
25%
写植物的作文三年级2.76
2.79
3.02
3.02
-
-
31.62
36.25
13.60
14.58
9.49
10.21
2.29
2.33
由表3所示，按冷源形式不同对空调工程进行分类，在75%、50%、25%部分负荷下，空调工程DEER75%、DEER50%、DEER25%均满足：方案2＞方案1，说明方案2比方案1更节能。
按方案1计算出的空调工程DEER，以螺杆式冷水机组为冷源的工程部分负荷下的空调工程及各子系统的设计能效系数满足：DEER50%＞DEER 75%＞DEER 100%＞DEER 25%，以离心式冷水机组、风冷热泵机组为冷源的工程部分负荷下的空调工程及各子系统的设计能效系数满足：DEER75%＞DEER 50%＞DEER 100%＞DEER 25%。按方案2计算出的空调工程及各子系统的设计能效系数均满足：DEER50%＞DEER 75%＞DEER 100%＞DEER 25%。
2.2.2 末端风系统形式不同的空调工程部分负荷DEER
按末端风系统形式不同计算空调工程及各子系统的部分负荷设计能效系数平均值，计算结果见表4。
由表4所示，按末端风系统形式不同对空调工程进行分类，在75%、50%、10万以内的车排行榜25%部分负荷下，
空调工程DEER75%、DEER50%、DEER25%均满足：方案2＞方案1，说明方案2比方案1更节能。
按方案1的计算，末端为新风机组+风机盘管、混合式风系统的部分负荷下的空调工程及各子系统的设计能效系数满足：DEER50%＞DEER 75%＞DEER 100%＞DEER 25%，全空气系统满足：DEER 75%＞DEER 50%＞DEER 100%＞DEER 25%。而在所调查样本中采用全空气系统的均为商场建筑，可认为末端风系统形式是造成商场建筑DEER 75%＞DEER 50%的部分原因；按方案2的计算，末端为新风机组+风机盘管系统的部分负荷下的空调工程及各子系统的设计能效系数满足：DEER50%＞DEER 75%＞DEER 100%＞DEER 25%，全空气系统和混合式系统满足：DEER 50%＞DEER 75%＞DEER25%＞DEER 100%。
买蔬菜
表4                不同末端风系统形式的空调工程和各子系统部分负荷DEER平均值
末端风系统
部分负荷率
冷源系统 DEER
冷水机组
COP
冷却水系统DEER
冷冻水系统DEER
风系统
DEER
冷量输配系统DEER
空调工程
DEER
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
全空气系统
100%
3.95
3.95
5.13
5.13
28.91
28.91
43.62
43.62
19.98
廉颇蔺相如列传翻译
19.98
13.26
13.26
3.25
3.25
75%
4.42
4.51
6.15
6.15
26
27.81
41.15
44.2
14.98
32.87
10.67
18.3
3.35
3.94
50%
4.63
4.84
6.49
6.49
27.36
30.59
41.98
58.61
9.99
59.78
7.80
28.62
3.07
4.47
25%
3.57
3.64
4.75
4.75
24.49
28.00
41.3
38.95
4.99
132.84
4.42
27.63
2.05
3.51
新风机组+风机盘管
100%
3.34
3.34
4.15
4.15
24.91
24.91
39.87
39.87
44.04
44.04
20.55
20.55
3.08
3.08
75%
3.69
3.79
5.01
5.01
20.37
23.09
36.03
41.11
33.03
37.61
16.96
19.02
3.28
3.42
50%
4.03
4.22
5.48
5.48
23.24
28.04
37.12
56.76
22.02
28.26
13.54
17.54
3.34
3.61
25%
3.01
3.1
3.98
3.98
17.5
22.12
29.89
32.62
11.01
15.07
7.95
9.96
2.32
2.55
混合式风系统
100%
4.18
4.18
5.43
5.43
31.53
31.53
39.16
39.16
30.38
30.38
16.87
16.87
3.66
3.66
75%
4.57
4.65
6.45
6.45
28.01
28.59
34.99
40.61
24.2
32.37
13.94
17.51
3.82
4.04
50%
4.95
5.19
7.21
7.21
28.23
28.87
33.38
52.07
18.02
30.62
11.28
17.92
3.87
4.40
25%
4.38
4.55
6.2
6.2
26.63
27.35
32.89
41.58
11.84
22.15
7.95
13.79
3.17
3.76

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