冷水机组变频改造节能性能分析

冯劲梅 许 俊上海应用技术大学

冷水机组变频改造节能性能分析

冯劲梅 许 俊
上海应用技术大学

通过对上海金山区某公司冷水机组系统变频改造前后进行数据采集及工况监视，分析改造前后节能情况,采用冷水机组系统COP值和外部效率ICOP、内部效率DCOP综合评价冷水机组的运行性能。数据显示：改造前后COP节能率为24.56%；改造前后ICOP节能率为39.63%；改造前后DCOP节能率为-20.45%。本次变频改造外部系统运行节能效果较明显，COP和ICOP提高显著；但冷水机组本身效率不升反降，内部因素DCOP有一定的下降，这表明，传输系统以及相应的冷机系统变频改造使系统总能耗降低，但冷水机组的功效利用还有挖掘潜力。系统总体的COP值的提高不能保证机组内部效率的提升，在变频节能改造工程中，需要考虑充分提高冷水机组运行效率，达到进一步降低系统运行的能耗的效果。

冷水机组；COP；DCOP；ICOP；节能改造

Fund Item: Shanghai Alliance Program Project（LM2016031）

冷水机组广泛应用于现代民用与工业的各种领域，发挥着重要作用，但冷水机组的运行也消耗了大量的能源，为了达到节能目的，往往需要对冷水机组进行节能改造。为了达到冷水机组的节能，采用变频驱动装置的冷水机组目前得到广泛使用[1-4]。已有的文献表明，中央空调系统采用变频机，在80%的负荷下达到最佳的节能效果，节能33%，年运行费用平均可节省15%[5]；冷水机组采用变频VSD装置，约2年左右即可收回投资[6]。现以上海金山区某公司冷水机组的变频改造测试为例，进行节能效果分析，并对冷水机组在工业中运用的实际效果进行分析预测，提出最大程度上发挥变频的冷水机组节能效果的方法，有助于节能改造时，提高冷水机组运行效率，降低能耗。

1 评价指标

目前用于评价冷水机组的能效特性主要有冷水机组的名义工况性能系数COP和综合部分负荷性能系数IPLV两个重要指标[7]。

其中A、B、C、D分别是冷水机组在100%、75%、50%和25%负荷下的EER或COP。本次实测项目冷水机组节能改造前后的负荷率（PLR）改造前在55%～75%间波动，改造后在35%～55%况基本稳定，运用IPLV指标评价并不合适，故采用COP指标进行评价。冷水机组负荷率变化详见图1。

图1 冷水机组改造前后负荷率PLR

将COP作为单一指标来评价冷水机组运行性能及进行节能诊断时有其不足之处。其一，COP是指冷量与电耗的比值，其值反映了冷水机组运行的经济性好坏，COP直观地反映了冷水机组的整体运行性能，但是却忽略了不同因素的影响；其二，在进行节能分析计算对冷水机组的性能进行数学描述时，一般采用的方法是将COP拟合成负荷率PLR的函数，这样实际上主观的认为冷水机组的COP只与负荷率有关，而与冷水机组所处的运行条件无关，是不科学的[8]。故在此基础上，本文采用文献[8]提出的ICOP（外部效率）及DCOP（内部效率）概念，将机组运行多方面因素综合起来评价冷水机组的运行性能。

式中：ICOP——冷水机组运行外部效率，即理想COP；Tev——蒸发温度，K；Tcd——冷凝温度，K。

式中：DCOP ——冷水机组运行内部效率。

2 冷水机组运行性能评价及节能分析

2.1 测试情况

上海金山区某公司原有组件区冷水机组系统（包括机组、冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵、室外冷却塔等）均为定频运转，没有根据系统流量、温度变化、室外气象条件变化进行相应的运行模式调整，该公司对整个冷水机组系统进行变频节能改造。冷水机组装机情况如表1所示。

表1 冷水机组装机情况

本文根据连续测试数据对冷水机组系统变频改造前后性能进行对比分析，对改造后的节能效果进行综合评价，为工业生产中冷水机组节能改造应用效果提供科学依据。

2.2 运行性能评价

（1）机组COP评价

经测定，该冷水机组改造前运行综合COP为3.01，改造后运行综合COP为3.99，数据采样以1 min为步长，测试时间24 h。瞬时COP与PLR关系如图2所示。

图2 COP-PLR散点关系

从图1和图2可知，变频节能改造后，冷水机组运行负荷率PLR大幅降低，从55%～75%的区间降低至35%～55%。而COP值有明显提升。

通过对节能率测试和计算，得出制冷机及热泵机组在测试期间的实际平均输出冷（热）量Q和相应的平均有效输入功率P，计算出制冷机组及热泵机组的性能系数COP(COP=Q/P)。考虑到测试工况条件参数的变化，再对改造后的冷（热）量变化进行可比性修正，最后确定改造后的节能率。计算公式如下[9]。

由表2可知，节能率为24.56%，从COP值的单一性能评价角度来说，本次节能改造效果显著。

一般情况COP-PLR呈现的曲线为凸曲线，整体呈现先上升后下降趋势[8]。由图2可知，由于冷水机组运行负荷率较为集中，改造前后COP值均随着PLR的增加呈单边缓慢上升趋势，改造后COP值较改造前有明显提高，但并未达到文献[8]中所述的凸点，故本次改造功效的利用仍有可继续挖掘的潜力。

（2）外部效率ICOP评价

外部因素包括蒸发温度和冷凝温度[10]，其数值反映的是冷水机组的运行条件好坏，数值越大，冷水机组运行条件越好，反之越差。

冷水机组改造前后ICOP与PLR的散点关系如图3所示。

图3 ICOP-PLR散点关系

表2 改造前后冷水机组测试数据汇总

长趋势，幅度较小；改造后随着PLR增加，

ICOP呈单调下降趋势。在绝对数值上，ICOP值改造后明显大于改造前，改造后冷水机组的运行条件得到大幅提升，冷水机组运行性能优越，本次改造效果显著。

表3 改造前后ICOP值汇总

（3）内部效率DCOP评价

内部因素包括冷水机组的型式、制造水平、压缩机的匹配、制冷剂的种类以及充装量等[8]，DCOP反映的是冷水机组的内部特性，可以通过一定的调试方式对其进行调试，使其对冷水机组运行性能的影响程度降低到最小，达到最佳工作状态，属于可控因素。冷水机组改造前后DCOP与PLR的散点关系如图4所示。

图4 DCOP-PLR散点关系

由图4可知，改造前后冷水机组DCOP值均随着PLR的增加而呈现上升趋势，提高系统DCOP值的策略是尽量让冷水机组处于高负荷率下工作，PLR值越大，DCOP值越大。

本次改造中改造前DCOP值大于改造后，由表4可知，改造后的DCOP比改造前低20%，冷水机组内部效率不升反降，从冷水机组内部因素角度看，该公司冷水机组改造并不成功，并未达到冷水机组自身高效运行的目的。

表4 改造前后DCOP值汇总

3 分析与结论

（1）分析

冷水机组在不同负荷率（PLR）下运行，COP、ICOP、DCOP值均有不同幅度变化。该公司对冷水机组进行变频改造。变频驱动装置能根据冷水出水温度与设定值的温差和压缩机的压头来优化电机转速和导流叶片的开度，从而满足负荷要求，并使机组功能最优，效率最高。

改造后冷水机组一直处于低负荷率工况下运行，改造并未从根本上触动系统的内部因素，仅仅通过变频使得外部因素（ICOP）与冷水机组运行工况更加匹配，优化了运行条件，达到节能的效果；虽然从单一的综合COP值角度来讲冷水机组节能效果显著，改造获得了极大成功，达到了降低能耗的目的；但是，改造后冷水机组处于低负荷率工况下运行，DCOP值小于改造前，综合来讲，改造后的冷水机组运行效果比改造前降低了。

（2）结论

本次测试及数据分析分别从COP、ICOP、DCOP与PLR的关系分析改造前后冷水机组的运行性能，改造前后的冷水机组节能效果如表5所示。

表5 改造前后冷水机组节能效果

由表5的数据可得出以下结论：

等观念日益深入人心的情况下，环保政策逐渐出台、环保整治压力逐渐增大，降低水、电、煤、气能耗，减少产品原材料使用量，推出低碳产品成为陶瓷企业发展的必然道路。说它是有相应技术和产品实物的阶段，是因为陶瓷行业面临节能降耗的巨大压力下，陶瓷企业开发低碳产品的步子早已迈开，降低燃料和原料用量的陶瓷薄板早已问世。实际上，陶瓷行业不是缺乏低碳产品，而是缺乏对这些产品的宣传和大范围的推广、使用。但在节能环保、降低碳排放量的大趋势下，瓷砖的薄型化必然会成为行业未来发展的主要方向。因此，越早掌握瓷砖薄型化生产技术就可能使得企业在竞争中抢得优势。而要在应用上推广薄型砖，企业负有生产、说服商家销售及向消费者宣传薄型砖性能及使用意义的责任。而商家越早进入薄型砖的销售，也能在市场竞争中抢得头筹。

（1）从单一COP值指标来分析，冷水机组改造较为成功，改造后COP值有明显提升（改造前3.01，改造后3.99），节能率为24.56%，冷水机组整体运行系统达到了节能目的。

（2）影响冷水机组运行性能的外部因素ICOP改造后从5.56提高到9.21，节能率为39.63%，冷水机组节能改造效果显著。

（3）影响冷水机组运行性能的内部因素DCOP改造后从0.53降低到0.44，节能率为-20.45%，改造并未达到预期节能效果，冷水机组运行性能有一定幅度降低。

4 结语

在实际冷水机组变频节能改造工程中，验收标准往往注重于降低系统总能耗，提升COP值，而忽略了从冷水机组运行内部因素或外部因素的角度来降低能耗，可能导致改造后尽管系统能耗降低，但冷水机组并没有达到最佳运行性能，其运行工况与额定工况并不匹配。虽然冷水机组内部效率DCOP下降能够达到整体冷水机组运行COP提高，达到系统运行节能效果，但是改造并不彻底，冷水机组还有相当大的节能潜力。因此，在冷水机组变频节能改造时，应充分考虑机组特性，有针对性地选择改造方案，达到最优的节能效果。

为了充分挖掘冷水机组的节能潜力，在冷水机组的节能改造工程中除提升ICOP之外，应更加关注DCOP值，通过提高冷水机组负荷率PLR等相关措施，使冷水机组尽可能的在高负荷率下运行；提高压缩机压缩比，或对于部分机组可采取重新选型等方式来提升冷水机组的DCOP值，以达到冷水机组运行工况与额定工况匹配、运行工况与输送系统、用户荷载匹配的最佳节能效果。

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Performance Analysis of Chiller Plant VFD Energy Saving Renovation

Feng Jinmei, Xu Jun
Shanghai Applied Technology University

Through online monitoring of operation data collection and working condition before and after chiller plant VFD energy saving renovation at some company of Shanghai jinshan district, the author analyzes energy saving effect before and after chiller plant VFD energy saving renovation and applies COP value of chiller plant system and ICOP and DCOP to evaluate operation performance of chiller plant. Data results in 24.56% of COP energy saving rate, 39.63% of ICOP energy saving rate and -20.45% of DCOP energy saving rate before and after chiller plant VFD energy saving renovation, which shows that VFD external system renovation has obvious operation energy savingeffect with COP and ICOP improvement. But self efficiency of chiller plant doesn’t improve and internal factor DCOP decreases at some level. The article shows that transferring system and related chiller plant system VFD renovation reduce whole system energy consumption, but there is still some potential in chiller plant power efficiency utilization. COP of system improvement doesn’t guarantee internal efficiency improvement of chiller plant. We should take full consideration of improving chiller plant operation efficiency to reduce system operation energy consumption during VFD energy saving renovation project

Chiller Plant, COP, DCOP, ICOP, Energy Saving Renovation

上海市联盟计划项目（LM2016031）

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.08.012

冯劲梅：（1969—），女，博士，副教授，硕士生导师。研究方向：建筑设备节能，绿色智能建筑。