技术交流丨常用冷水机组的性能特征和选型案例分析
一、冷水机组特点分析
1、变频螺杆式冷水机组的性能系数曲线
螺杆式压缩机是一种回转式容积制冷压缩机，利用 滑阀调节气缸的工作容积调节负荷。变频调节比滑阀调 节更为快捷和准确，可以方便地通过增加电机频率实现 排量的增大，在部分负荷下的性能比滑阀调节好[7] 。变频 螺杆式冷水机组采用电机变频技术结合滑阀调节技术，以提高机组部分负荷性能。不同冷凝器进水温度下变频 螺杆式冷水机组的COP曲线如图1所示。
由图1可知，变频螺杆式冷水机组COP随着冷凝器 进水温度的降低而升高。当冷凝器进水温度不变，机组 负荷由100%负荷向部分负荷降低时，COP均呈现先增大 后降低的趋势，在20%~70%负荷下机组效率最高。冷凝 器进水温度降低到18 ℃时，机组无法在20%以下负荷运 行，此时冷凝器进水温度过低，空调用螺杆冷水机组容 易出现“跑油”现象，最终导致机组油位保护停机[8]。
2、定频离心式冷水机组的性能系数曲线
离心式压缩机为速度型压缩机，通过叶轮离心力作用吸入和压缩气体，通过调整旋转的叶轮带动气体做功，从而提高气体压力。定频离心式冷水机组通过改变压缩 机的进口导叶（IGV）调节负荷，通过调节导叶的安装角改变导叶的开度，从而调节压缩机的流量，改变机组的制冷能力。不同冷凝器进水温度下定频离心式冷水机组的COP 曲线如图2所示。
由图2可知，定频离心式冷水机组的COP随着冷凝器进水温度的降低而升高，100%负荷时升高幅度最大。当冷凝器进水温度不变，机组负荷由100%负荷向部分负 荷降低时，COP均下降。负荷率低于50%时，该定频离心式冷水机组有发生喘振的风险，应避免在50%负荷率以下运行。通过多级压缩、热气旁通和变频控制等技术使离心式冷水机组负荷卸载到更低负荷率而不发生喘振。
3、变频离心式冷水机组的性能系数曲线
定频离心式冷水机组的负荷降低时，导叶开度降低，冷剂流过导叶时存在冲击和摩擦损失，使得压缩机的整体压缩效率下降[9]。常规变频离心机一般采用变转速与调节导叶相结合的控制策略负荷从 100％降到65％的过程可通过变转速实现。如果负荷进一步降低，为了防止喘振，需要通过关小导叶进行冷量调节[10]。不同冷凝器进水温度下变频离心式冷水机组的COP曲线如图3所示。
由图3可知，变频离心式冷水机组的COP随着冷凝器进水温度的降低而升高。当冷凝器进口水温不变，机组负荷由100%负荷向部分负荷降低时，COP均呈现先增大后降低的趋势。采用变频技术可以降低离心式冷水机组的喘振点，但在冷凝器进水温度较高时，40%负荷以 下就有喘振风险，随着冷凝器进水温度的下降，变频离心机可在更低负荷工况运行。
4、磁悬浮离心式冷水机组的性能系数曲线
磁悬浮离心式冷水机组采用磁轴承，运行时轴承悬浮避免了摩擦损失，不必控制油压差，可以降低蒸发压力和冷凝压力差，提高冷水机组在部分负荷及低压力差时的运行能效[11]。不同冷凝器进水温度下磁悬浮离心式冷水机组的COP曲线如图4所示。
由图4可知，磁悬浮离心式冷水机组的COP随着冷凝器进水温度的降低而升高。当冷凝器进水温度不变，机组负荷由100%负荷向部分负荷降低时，COP均呈现先增大、后降低、再增大的趋势，在20%~60%负荷率下机组效率最高。使用磁悬浮离心式冷水机组能够改善低负 荷时的喘振现象，显著提高了低负荷区间的性能系数。
二、项目案例分析
2.1项目概况
以长沙市某综合商业体项目为例，项目总建筑面积约27万㎡，由商业、公寓式办公、办公、酒店、地下超市和地下停车场组成。
2.2设计负荷计算
对该项目设计日的逐时逐项冷负荷进行计算，得出该项目设计冷负荷为19 744 kW。根据该计算结果，仅能得出各部分业态设计日的逐时负荷，无法得到设计日以外的负荷分布情况。仅能根据已有项目经验，采取大小 配等原则进行主机匹配，但此时的匹配方案有很多选择，缺少确定投资相对节约、节能效果显著的方案的依据。
2.3全年逐时计算负荷
对空调区进行8 760h全年逐时负荷计算，空调大部分运行在部分负荷区域。全年冷负荷率分布如表1所示。
2.4方案对比分析
为了分析不同冷源搭配方案的经济性，制定3种设备组合形式，从初投资、运行费用、投资回收期、全寿 命周期运行费用等方面进行对比分析。定频离心式冷水机组和变频离心式冷水机组在低负荷区间容易发生喘振，不适合过渡季节低负荷的调节，因此配置变频螺杆机或 磁悬浮变频离心机进行低负荷调节。冷水机组设计方案选型及经济性分析如表2所示。由表2可知:
（1）方案一的初投资最低，但运行费用和全寿命周期费用均最高，全寿命周期费用为4207.33万元。
（2）方案二的初投资最高，但运行费用和全寿命周期费用均最低，全寿命周期费用为3607.89万元。
（3）方案三的初投资、运行费用和全寿命周期费用均介于中间值，全寿命周期费用为3653.07万元。
（4）与方案一相比，方案二的静态投资回收期为3.88年，方案三的静态投资回收期为2.33年。
（5）与方案二相比，方案三的运行费用每年增加约10万元，全寿命周期费用增加45万元，但可节约前期投资压力。方案二采用变频离心式冷水机组+磁悬浮离心式冷水机组，利用磁悬浮离心式冷水机组应对低冷却水、低负荷工况，变频离心式冷水机组主要在高冷却水或高负荷下运行，与定频离心式冷水机组（方案三）相比，其节能性有限。方案一采用变频螺杆式冷水机组在低负荷工况运行，但由于本项目总负荷较大，单台螺杆式冷水机组的冷量有限，螺杆式冷水机组在总负荷配比中占比较小，其节能贡献有限，年运行费用仍最高。
三、总结
根据厂家提供的冷水机组选型参数得出，冷凝器进水温度不变时，变频螺杆式冷水机组的COP随负荷的降低呈现先增大后降低的趋势，在低负荷率下运行不发生喘振现象，但应注意低冷却水温度、低负荷下出现的“跑油”现象；
（1）定频离心式冷水机组的COP随负荷的降低而下降，负荷率低于50%时，该定频离心式冷水机组有发生喘振的风险；
（2）变频离心式冷水机组的COP随负荷的降低呈现先增大后降低的趋势，变频离心式冷水机组也存在喘振现象，随着冷凝器进水温度下降，最小运行负荷率随之下降；
（3）磁悬浮离心式冷水机组的COP随负荷的降低呈现先增大、后降低、再增大的趋势，磁悬浮离心式冷水机组能够改善低负荷时的喘振现象，显著提高了低负荷区间的性能系数。
（4）变频螺杆式冷水机组部分负荷且高冷却水温度运行时的节能性最好。
（5）定频离心式冷水机组满负荷运行时的节能性最好。
（6）与定频离心式冷水机组相比，变频离心式冷水机组在冷凝器进水温度不变、负荷降低时的节能效果较差，而在负荷和冷却水温度同时降低时的节能效果较好，且冷却水温度降低对机组节能效果的影响比负荷降低明显。
磁悬浮离心式冷水机组的整体节能性优于其他冷水机组，尤其是在低冷却水温度、低负荷下的节能性能非常优越。依据建筑全年逐时负荷分布特点、冷水机组部分负荷性能特性及项目资金情况进行冷源设备选型搭配。案例的建筑体量较大，采用水冷螺杆式冷水机组改善部分负荷的节能效果不如磁悬浮冷水机组。在磁悬浮离心式冷水机组调节部分负荷的前提下，相比定频离心式冷水机组，搭配变频离心式冷水机组的初投资增加，但获得的节能效果有限，采用定频离心式冷水机组方案可以减少前期投资压力。
来自：暖通学习吧
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