水冷冷水機(jī)組是大型公共建筑中常用的*空調(diào)供冷設(shè)備,而離心式冷水機(jī)組更是因其有較高的能效指標(biāo)和較大的機(jī)組制冷能力而深受用戶的歡迎。由于空調(diào)系統(tǒng)耗能在建筑能耗中占有很大的比重,在能源危機(jī)、節(jié)能降耗呼聲很高的形勢下,降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗成為制冷空調(diào)行業(yè)的熱門話題,為此,業(yè)內(nèi)的專家提出了很多策略,溫濕 度獨(dú)立控制就是在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方面提出的一種新思路。該方法采用溫濕度獨(dú)立控制技術(shù)通過提高冷水機(jī)組的出水溫度來提高冷水機(jī)組的能效指標(biāo)、采用干式末段換熱的方式改變整個空調(diào)系統(tǒng) 的工作模式,這些措施可以從系統(tǒng)的角度來降低 空調(diào)系統(tǒng)的能耗。在冷水機(jī)組本身,離心式冷水 機(jī)組與其他型式冷水機(jī)組不同,出水溫度提高需要較高的蒸發(fā)溫度,而高蒸發(fā)溫度對離心壓縮機(jī) 的影響是多方面的,按正常標(biāo)準(zhǔn)工況（7℃出水溫度）設(shè)計的壓縮機(jī)[1],在較高蒸發(fā)溫度工作時,由于系統(tǒng)流量和壓比的變化,可能會導(dǎo)致離心式冷水機(jī)組高能效的工作特性不能充分發(fā)揮出來,這就需要重新對產(chǎn)品進(jìn)行研究。
    本文介紹了高溫離心冷水機(jī)組及其變工況的特性研究情況,為溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計者提供技術(shù)參考。
    2　高出水溫度時離心式冷水機(jī)組的特性
    以1臺4000kW冷媒為R134a的離心式冷水 機(jī)組的設(shè)計為例:當(dāng)冷水出水溫度為16℃時,蒸 發(fā)溫度取14℃,冷凝溫度按37℃,過冷和過熱度 取2℃,壓縮機(jī)的效率和電機(jī)的效率分別取0. 8 和0. 94,用美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院循環(huán)分析軟 件NIST軟件進(jìn)行計算分析,機(jī)組的COP值可以 達(dá)到8. 01。
    為了獲得按標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)計的產(chǎn)品在變化工作 條件下的數(shù)據(jù),對現(xiàn)有離心式冷水機(jī)組進(jìn)行了摸 底試驗(yàn),用1臺實(shí)際的4000kW冷媒為R134a的 離心式冷水機(jī)組分別在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試工況（冷 水進(jìn)水溫度12℃,出水溫度7℃;冷卻水進(jìn)水溫度 30℃,出水溫度35℃）和高出水溫度工況下（冷水 進(jìn)水溫度21℃,出水溫度16℃;冷卻水進(jìn)水溫度 30℃,出水溫度35℃）進(jìn)行測試[1],測試結(jié)果如表 1所示。
                
    從表中的測試數(shù)據(jù)不難看出,按照標(biāo)準(zhǔn)工況 下設(shè)計的離心式壓縮機(jī)組裝的冷水機(jī)組,當(dāng)工作 在高出水溫度時,其制冷量并沒有顯著的增加,而 由于輸入功率的下降,使機(jī)組的COP值提高了 10%左右,這離理論計算的結(jié)果還相差甚遠(yuǎn)。
造成這種情況出現(xiàn)的原因可以從離心式制冷 壓縮機(jī)的特性來分析。離心式壓縮機(jī)是由電動機(jī) 通過齒輪增速帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),自蒸發(fā)器出來的制 冷劑蒸汽經(jīng)吸氣室進(jìn)入葉輪,葉輪高速旋轉(zhuǎn),葉輪 上的葉片即驅(qū)動氣體運(yùn)動,并產(chǎn)生一定的離心力, 將氣體自葉輪中心向外周拋出,氣體經(jīng)過這一運(yùn) 動,速度增大,壓力得以提高,這是作用在葉輪上 的機(jī)械能轉(zhuǎn)化的結(jié)果。氣體離開葉輪進(jìn)入擴(kuò)壓 器,由于擴(kuò)壓器通道面積逐漸增大,又使氣體減速 而增壓,將其動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ堋１粔嚎s的制冷 蒸汽從擴(kuò)壓器流出后,又由蝸室將起匯集起來,進(jìn) 而通過排氣管道輸送至冷凝器,這樣就完成了對 制冷劑的壓縮[2]。
    當(dāng)離心式制冷壓縮機(jī)運(yùn)行在高蒸發(fā)溫度時, 壓縮機(jī)的壓縮比比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工況時要小,冷水機(jī) 組在7℃出水時,機(jī)組的設(shè)計吸氣壓力為0. 35 MPa,排氣壓力為0. 937MPa,壓比為2. 70;而當(dāng)機(jī) 組工作在16℃冷水出水溫度時（冷凝溫度不變）, 機(jī)組的吸氣壓力為0. 473MPa,排氣壓力為0. 937MPa,壓比近似為2. 00,壓縮比減小了25. 9%。 圖1為離心式制冷壓縮機(jī)的性能曲線。從圖中可 以看出在離心壓縮機(jī)的工作區(qū),當(dāng)壓比減小25% 時,流量增加將近1倍左右。如此大的流量變化, 原機(jī)組的葉輪、擴(kuò)壓器等流道設(shè)計必然會對流量 的增加產(chǎn)生阻塞,從而使流量無法達(dá)到額定值,機(jī) 組的性能也會受到影響。
               
    此外,在固定的轉(zhuǎn)速下,壓比與壓縮機(jī)的級效 率有著一定的對應(yīng)關(guān)系,圖2為定轉(zhuǎn)速下離心壓 縮機(jī)的壓比與級效率之間的關(guān)系曲線。
                      
    從圖2的曲線可以看出,當(dāng)壓縮機(jī)的壓比發(fā) 生變化時,壓縮機(jī)的級效率會隨之發(fā)生變化,壓比 從2. 7變化到2. 0之后,效率降到只有0. 7左右。 因此,當(dāng)壓縮機(jī)的壓比發(fā)生變化時,如果不對壓縮 機(jī)的設(shè)計轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整,機(jī)組的性能提高也會受 到很大的影響。
    3　離心式冷水機(jī)組的改進(jìn)
    3. 1　壓縮機(jī)設(shè)計的調(diào)整
    針對上述分析,對用于高出水溫度下的離心 式冷水機(jī)組中的壓縮機(jī)應(yīng)當(dāng)按新的設(shè)計條件進(jìn)行 設(shè)計優(yōu)化,以使機(jī)組的能效得到進(jìn)一步提高。
    （1）流通面積的改進(jìn)
    流量阻塞是指流道出口處氣流達(dá)到臨界狀 態(tài),這時氣體的容積流量已是zui大值,任憑壓縮機(jī) 背壓再降低,流量也不可能再增加,這種情況稱為 “阻塞”工況。增大流道的面積可以提高冷媒的 流通能力,但對于*空調(diào)用冷水機(jī)組來說,大部 分時間機(jī)組都是運(yùn)行在部分負(fù)荷狀態(tài)下,因此制 冷劑流量也會隨著機(jī)組運(yùn)行的狀態(tài)不同而發(fā)生變 化,固定的流道面積也會影響機(jī)組的運(yùn)行。為此, 機(jī)組設(shè)計中應(yīng)設(shè)計可變流截面的擴(kuò)壓器,適應(yīng)流 量的變化,這樣可以滿足機(jī)組在不同負(fù)載情況下 的運(yùn)行要求。圖3為設(shè)計的可變截面擴(kuò)壓器示 意。
                 
    （2）設(shè)計轉(zhuǎn)速的調(diào)整
    為了使機(jī)組在變化后的壓比下仍具有較高的 效率,需要對壓縮機(jī)的設(shè)計轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。從圖 2的曲線顯示可以看出,壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與zui 率點(diǎn)有一定的對應(yīng)關(guān)系,當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時,壓比對級 效率的曲線向逐漸向左移,曲線的形狀基本不變 但跨度開始壓縮。通過分析計算可以得到,當(dāng)壓 比在2. 0時,壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速降低20%時會獲得較 高的效率。
    3. 2　性能測試
    按照上述的技術(shù)分析,珠海格力電器股份有 限公司設(shè)計并制造了一臺4000kW、冷媒為 R134a、冷水出水溫度為16℃的離心式高溫冷水 機(jī)組,并對該冷水機(jī)組按照高冷水出水溫度工況 （冷水進(jìn)水溫度21℃,出水溫度16℃;冷卻水進(jìn)水 溫度30℃,出水溫度35℃）和國標(biāo)GB/T 18430. 1 中的IPLV測試工況進(jìn)性能測試,測試結(jié)果如圖4 所示。
                  
    從測試數(shù)據(jù)可以看出,機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行狀 態(tài)下,能效指標(biāo)COP值達(dá)到7. 7,比7℃出水的離 心式冷水機(jī)組能效指標(biāo)提高了33. 2%,基本接近 設(shè)計軟件的計算指標(biāo);在冷水的出水溫度為16℃ 時,按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18430. 1計算的IPLV值 為8. 1[1]。表2為部分負(fù)荷測試的結(jié)果。
                  
    測試結(jié)果表明,改進(jìn)后的高出水溫度冷水機(jī) 組,其能效指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組相比有大幅度的提高, 基本接近前述軟件的理論計算值,當(dāng)其被用于溫 濕度獨(dú)立控制的空調(diào)系統(tǒng)時,必將顯著降低系統(tǒng) 的能耗。
    4　COP值的變化趨勢
    *空調(diào)系統(tǒng)由于設(shè)計時是按照zui大負(fù)荷設(shè) 計的,而在實(shí)際運(yùn)行時,冷水機(jī)組基本都是處在不 同的工作條件和部分負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的,因此,需 要對產(chǎn)品的變工況和卸載運(yùn)行進(jìn)行試驗(yàn)。
    冷水機(jī)組的變工況包括冷卻水進(jìn)水溫度條件 的改變、冷水出口溫度設(shè)定值的改變和由于空調(diào) 負(fù)荷本身的變化而導(dǎo)致機(jī)組在部分負(fù)荷下運(yùn)行等 情況。實(shí)際應(yīng)用場合,可能是上述條件中的一種 或多種情況的綜合,冷水機(jī)組的變工況和部分負(fù) 荷的特性就能反應(yīng)出機(jī)組的產(chǎn)品適應(yīng)能力和 COP值的變化趨勢。
    4 . 1　變冷卻水條件試驗(yàn)
    離心式冷水機(jī)組在運(yùn)行過程中,如果冷卻水 的溫度發(fā)生變化,將直接影響到機(jī)組的制冷量和 能效特性。當(dāng)冷卻水溫度降低時,由于冷卻效果 好,將使機(jī)組獲得更低的冷凝溫度,從而增加機(jī)組 的制冷量,提高機(jī)組的效率[4]。試驗(yàn)過程中,保持 冷水的進(jìn)口溫度為21℃,出水溫度為16℃;冷卻 水的進(jìn)口溫度從26℃逐漸增加到35℃,測試出來 的COP值變化情況如圖5所示。
                 
    4. 2　變冷水出水溫度試驗(yàn)
    冷水出口溫度的升高,對機(jī)組的制冷量和能 效特性也有很大的影響。當(dāng)冷水溫度升高時,由 于更有利于蒸發(fā),將使機(jī)組獲得更高的蒸發(fā)溫度 從而使機(jī)組的制冷量增加[4]。試驗(yàn)過程中,保持 冷卻水的進(jìn)口溫度為30℃,出水溫度為35℃;冷 水出口溫度從12℃升到20℃,測試出的冷水機(jī)組 的性能參數(shù)變化情況如圖6。出水溫度低于12℃ 時,由于制冷劑的流量變小,可能會使機(jī)組工作在 接近喘振的臨界點(diǎn),從而導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)異常,這是 在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)該注意的。
               
    4. 3　部分負(fù)荷試驗(yàn)
    冷水出口溫度恒定時機(jī)組的性能參數(shù)隨負(fù)荷 變化而變化的特性是指保持水冷冷水機(jī)組的出水 溫度為16℃,人工調(diào)整機(jī)組的負(fù)荷從100%開始 逐漸下降,測試機(jī)組COP值和制冷量的變化情 況。測試過程中保持冷卻水的溫度為30℃進(jìn)水 試驗(yàn)的結(jié)果如圖7所示。
    從圖中可以看出,在冷水機(jī)組恒定16℃出水 情況下,當(dāng)冷水機(jī)組壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷從100%降 低到25%時,冷水機(jī)組的COP值下降了42. 6%。 在實(shí)際應(yīng)用過程中,通常冷水機(jī)組的控制系 統(tǒng)都是設(shè)定成固定的出水溫度,當(dāng)實(shí)際空調(diào)負(fù)荷 減小時,機(jī)組的自動控制系統(tǒng)將自動卸載,降低壓 縮機(jī)的負(fù)荷比,成為部分負(fù)荷運(yùn)行狀況,從而導(dǎo)致 COP的下降。這說明在開展節(jié)能降耗的工作中, 僅關(guān)注機(jī)組本身滿負(fù)荷條件下的COP值是不夠 的,需要關(guān)注整個空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行總能耗。
                  
    值得注意的是,由于離心式壓縮機(jī)的工作特性,當(dāng)冷水機(jī)組運(yùn)行時因運(yùn)行條件的變化導(dǎo)致制 冷劑流量減少時,有可能使機(jī)組的工作點(diǎn)接近壓縮機(jī)的喘振臨界點(diǎn)[3],從而影響到機(jī)組運(yùn)行的安全性,這就需要在機(jī)組的設(shè)計時考慮到防喘振控制。
    離心式制冷機(jī)組工作時一旦進(jìn)入喘振工況, 應(yīng)立即采取調(diào)節(jié)措施,降低出口壓力或增加入口流量。壓力比和負(fù)荷是影響喘振的兩大因素,當(dāng)負(fù)荷越來越小,小到某一極限點(diǎn)時,便會發(fā)生喘振,或者當(dāng)壓力比大到某一極限點(diǎn)時,也會發(fā)生喘振。一般可以通過在控制系統(tǒng)中設(shè)定安全工作區(qū),當(dāng)機(jī)組運(yùn)行工作點(diǎn)接近臨界區(qū)域時,通過調(diào)整 流量或壓力來使機(jī)組工作點(diǎn)遠(yuǎn)離臨界區(qū)域,達(dá)到保護(hù)的目的。
    5　結(jié)論
    （1）當(dāng)離心式冷水機(jī)組運(yùn)行在高冷水出水溫度時,需要對壓縮機(jī)本身重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計;
    （2）離心式冷水機(jī)組工作在部分負(fù)荷狀態(tài)下,其能效指標(biāo)將有明顯下降,在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)注意系統(tǒng)的負(fù)荷配置和控制的優(yōu)化,以盡可能降低整個空調(diào)系統(tǒng)的能耗;
    （3）在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)盡量避免空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在較低的負(fù)荷比例下,而由于*空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中,冷水機(jī)組的部分負(fù)荷運(yùn)行勢在難免,因此,通過改善冷水機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時的性能和優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的控制策略也有著非常重要的意義。
參考文獻(xiàn)