冷冻站房能效系数分析

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1、冷冻站房能效系数的推导和实例分析钱轶霆上海烟草（集团）公司设备处【摘 要】 目前在大多数企事业单位所关心的空调设施能效情况，其目的 不仅仅为考虑能耗成本费用问题，更主要是考虑在限电规定用电范围内，最大能 力提高空调设施使用效率，最大范围满足生产经营和行政办公的需求。由于以往业内缺乏足够的研究和规范，占整个空调设施用电量最大的中央空 调系统能效指标至今仍然没有一个统一的认识和研究。特别是针对冷冻站房尚未 制定出与锅炉房和空压站类似的用能评价指标。【关键词】 冷冻站房 空调设施 能效指标 性能系数COP、EER、COP一、前言随着我国城市经济的发展，能源的供求矛盾日益突出。特别在近两年来的夏 季和

2、冬季的极端气温时段，各大城市的电力供应紧张问题已成为关注的焦点。工 商业和民用空调设施在极端气温时段的大量使用是造成这一情况产生的主要原 因。据政府有关部门调查数据表明，在极端气温时段空调设施用电量占整个用电 量的40%以上。当城市用电负荷达到极限时，临时强制性限电拉电措施成为最常 见的行政手段，这已严重地影响了各企业单位的正常生产经营。由于电力供应设 施发展速度在今后几年内都无法跟上城市经济发展的速度，所以在未来的几年 中，一旦极端气温时间延长将造成电力供应的缺口进一步拉大。因此，如何有效 控制空调设施的能效问题已形成共识。目前在大多数企事业单位所关心的空调设 施能效情况，其目的不仅仅为考虑

3、能耗成本费用问题，更主要是考虑在限电规定 用电范围内，最大能力提高空调设施使用效率，最大范围满足生产经营和行政办 公的需求。经历了 2003年高温气候的考验，自2004年春季开始，关于空调设备 的各项节能措施和空调设备的能耗指标纷纷见诸报端。其中EER指标和COP指 标更成为了控制产品进入市场的标准。由于以往业内缺乏足够的研究和规范，占 整个空调设施用电量最大的中央空调协调能效指标至今仍然没有一个统一的认 识和研究。特别是针对冷冻站房尚未制定出与锅炉房和空压站类似的用能评价指 标。而国外还没有相关的技术标准可参考。本文主要就中央空调系统的核心能量 转换部分一电驱动制冷主机的冷冻站房能效系数作一

4、推导和应用分析。二、电驱动冷冻站房能效系数的推导1. 冷冻站房能效系数推导的基础是制冷的基本热力学原理从热力学角度说，制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统。按补偿能量的 形式（或驱动方式），前面所提及的制冷方法归为两大类：以机械能或电能为补 偿的和以热能为补偿的。前者如蒸气压缩式、热电式制冷机等；后者如吸收、蒸气喷射、吸附式制冷机等。两类制冷机的能量转换关系如图1所示。图1制冷机的能量转换关系A 以电能或机械能驱动的制冷机B 以热能驱动的制冷机热力学关心的是能量转换的经济性，即花费一定的补偿能，可以收到多少制 冷效果（制冷量）。2. 由制冷的基本热力学原理推出的COP与EER指标的比较根据上述

5、原理，对于机械或电驱动方式的制冷机引入制冷系数e来衡量；对 于热能驱动方式的制冷机，引入热力系数E来衡量。（1）=Q0/W（2肉=Q0/Qg式中Q0制冷机的制冷量W制冷机的轴功率（为便于实际测量和计算常以输入功率来代替）Qg驱动热源向制冷机输入的热量国外习惯上将制冷系数和热力系数g统称为制冷机的性能系数 COP（Coefficience of Performance） o而对于中小型空调器引入了 EER系数来衡量：EER=标准规定的名义产冷量（KW）空调器的消耗功率（KW）由上可知，COP与EER都是标志着制冷单位冷（热）量所需消耗的能量， 因此COP和EER都是针对不同类型空调设备节能评价指

6、标，其理论基础是一致 的。但是通过比较，我们可以看到：由于影响COP值的两个变量实际制冷量以 及输入功率比起影响EER值的两个变量标准规定的名义产冷量和空调器的消耗 功率更便于实时监测和计算。因此，COP指数更适应评价实际运行变化中的制 冷空调设备。3. 冷冻站房能效系数的导出1.在COP指标的计算基础上确定冷冻站房能效系数为COP :ECOPE指数计算方法如下：公式cope=q/n式中：Q冷冻站房即时制冷量（见公式）KWN冷冻站房制冷系统（包括运行的制冷机组、辅机、循环水泵、 冷却水泵、风冷冷凝器等）即时有效输入功率（见公式） KW其中：公式Q=Average（ZQn）式中：Qn单台制冷机组

7、每小时输出制冷量KWQn=V* （T 回-T 出）*p*C/3600 KW式中：V 冷冻循环水即时流量M3/hT回机组冷冻循环水回水温度CT出机组冷冻循环水出水温度 CP机组冷冻循环水介质密度kg/m3C机组冷冻循环水介质比热容 kJ/kg-K公式 N=Average(LNn)式中：Nn冷冻站房各设备有效输入功率Nn=I*U*cos 中式中：I一各设备输入电流值 AU各设备输入电压值Vcos中功率因素值注：能效指数可考虑使用累积冷负荷除以累积用电数来获得，但采用上述方 式是侧重分析能耗费用方面分析应用，这与本文推导公式目的有较大的区别。此外由于有了上述计算结果，可以产生以下几项辅助评价指标：

8、单台制冷机组的运行负荷率：n 1=Qn/Qe式中：Qn单台制冷机组(约克离心式水冷机组)日平均输出制冷量RWQe单台制冷机组额定制冷量KW 冷冻站房制冷机组的运行负荷率：n 2=Q/ZQe式中：Q冷冻站房即时总制冷量KWQe当日运行的制冷机组额定总制冷量KW 冷冻站房制冷机组的有效利用率：n 3=Q/Qe式中：Q冷冻站房日平均制冷量 KWQe冷冻站房制冷机组额定总制冷量KW三、实例分析1.上海卷烟厂冷冻站房概况：目前上海卷烟厂冷冻站房自1996年改造投运至今，设备配置如下:序号设备名称数量主要技术参数1约克YK700冷吨水冷 离心式制冷机组 （1 # 4# 机组）4额定制冷量2461KW；额定

9、输 入功率479KW；满负荷耗电 指标0. 684KW/TR;满载电流 849A等（根据冷冻水进/出 口温度12/7C,根据冷却水进/出口温度32/37C,换 热器都为2流程，启动方式 为星三角闭式）2约克YT500冷吨水冷 离心式制冷机组 （5#6甘）2额定制冷量1758KW；额定输 入功率310KW；满负荷耗电 指标0. 62KW/TR;满载电流 539A等（根据冷冻水进/出 口温度12/7-C,根据冷却水进/出口温度32/37C,换 热器都为2流程，启动方式 为星三角闭式）3国产冷却塔4500T/H4国产循坏泉45国产冷却泵46国产送水泵47动力数据采集系统1计算应用参数如下表烟厂动力数

10、采系统冷冻站房和变配电站房选取集参数表:序 号参数名称序号参数名称序 号参数名称序号参数名称11#约克冷冻循环 水回水温度22#约克冷冻 循环水回水 温度3#约克冷冻循 环水回水温度44#约克冷冻循环水 回水温度55#约克冷冻循环 水回水温度66甘约克冷冻 循环水回水 温度71#约克冷冻循 环水出水温度82#约克冷冻循环水 出水温度93#约克冷冻循环 水出水温度104#约克冷冻 循环水出水 温度115#约克冷冻循 环水出水温度126#约克冷冻循环水 出水温度131#约克冷冻循环 水流量142#约克冷冻 循环水流量153#约克冷冻循 环水流量164甘约克冷冻循环水 流量175#约克冷冻循环 水流

11、量186#约克冷冻 循环水流量191#约克输入电 流值202甘约克输入电流值213#约克输入电流 值224#约克输入 电流值235#约克输入电 流值246#约克输入电流值251甘约克输入电压 值262#约克输入 电压值273#约克输入电压值284#约克输入电压值295#约克输入电压 值306#约克输入 电压值311#约克输入功 率因素值322#约克输入功率因 素值333#约克输入功率 因素值344#约克输入 功率因素值355#约克输入功 率因素值366#约克输入功率因 素值37冷却塔输入电流 值38冷却塔输入 电压值39冷却塔输入功 率因素值401-2#冷却泵输入 电流值411 2#冷却泵输

12、入电压值421-2#冷却泵输入功率因素值433-4#冷却泵 输入电流值443-4#冷却泵输入 电压值453-4#冷却泵输 入功率因素值461 2#循环 泵输入电流 值471-2#循环泵 输入电压值481 2#循环泵输入 功率因素值4934#循环泵输 入电流值503 4#循环 泵输入电涂值513-4#循环泵 输入电流值521-2#送水泵输入 电流值531-2#送水泉输 入电压值541 -2 #送水 泉输入功率 因素值553-4#送水泵 输入电流值563-4#送水泵输入电压值573 4#送水泉输 入功率因素值该冷冻站制冷工艺基本流程图如下:2.以2003年5月7日冷冻站房运行数据为例2003年5月

13、7日冷冻站房运行数据采集统计情况如下:3#机组数据(07 ： 0016 : 00)时I可07 ： 0008 ：00(9：0010：0011 ：0012：0013 ：0014：0015 ：0016： 00 716平均出口温度6.406.406.406.406.406.406.406.406.406.406.40进口温度9.409.409.409.409.409.409.409.409.408.609.32流量T/H476.10476.10476.10476.10476.10476.10476.10476.10476.10476.10476.10制冷量KW1661.111661.111661.11

14、1661.111661.111661.111661.111661.111661.111218.151661.824#机组数据(07 ： 0016 : 00)时I可07 ： 0008 ：00(9：0010：0011 ：0012：0013 ：0014：0015 ：0016： 00 716平均出口温度6.606.606.606.606.606.606.606.606.605.86.52进口温度9.409.409.409.409.409.409.409.409.408.609.32流量T/H444.2444.2444.2444.2444.2444.2444.2444.2444.2443.6444.14

15、制冷量KW1446.491446.491446.491446.491446.491446.491446.491446.491446.491444.541446.305#机组数据(07 ： 0016 : 00)时I可07 ： 0008 ：00(9：0010：0011 ：0012：0013 ：0014：0015 ：0016： 00 716平均出口温度7.47.47.47.47.47.47.47.47.46.97.35进口温度10.810.810.810.810.810.810.810.810.810.110.73流量T/H405405405405405405405405405402.5404.75

16、制冷量 KW1601.451601.451601.451601.451601.451601.451601.451601.451601.451497.941591.056#机组数据(07：0016：00)时I 可07： 0008 ：00(9：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016： 00 716 平均出口温度7.57.57.57.57.57.57.57.57.57.57.5进口温度10.810.810.810.810.810.810.810.810.810.810.80流量T/H419.7419.7419.7419.7419.7419.7419.7419.7419.

17、7419.7419.7制冷量KW1610.771610.771610.771610.771610.771610.771610.771610.771610.771610.771610.77总冷负荷(KW)(7 : 0016 : 00)时间07：00n n n n08：0009：0010：00H ：0012：00B ：0014：0015：0016：00716平均#6319.826319.826319.826319.826319.826319.826319.826319.825771.46264.93开关号开关容量用途7-16 负荷(KW)17-23 负荷(KW)05-1110001#YORK02-

18、1110002#YORK04-0710003#YORK32629102-0110004#YORK29628901-0910005#YORK29829103-0710006#YORK28806-078001-2#冷却泵21921804-0410003-4#冷却泵06-11250冷却塔504103-136001-2#循环泵898904-114003-4#循环泵947606-0410001-2#送水泵14913601-1310003-4#送水泵6463合计187314943.数据分析和结论根据上述数据我们可以得出5月7日冷冻站房能效系数及辅助评价指标，见下表序名称计算公式结果名称计算公式结果17时至

19、16时COPe 值7时至16时站房总平均制冷量/7时至16 时站房总平均有效功率=6264.929/18733.347时至16时冷 冻站房运行负 荷率7时至16时冷冻站房总平均制冷 量/冷冻站房运行额定制冷量= 6264. 929/(2461*2+1758*2)74%217时至23时COPe 值17时至23时站房总平均制冷量/17时至23 时站房总平均有效功率=4397. 506/14942. 9417时至23时冷 冻站房运行负 荷率17时至23时冷冻站房总平均制 冷量/冷冻站房运行额定制冷量 =4397. 506/ (2461*2+1758*1)66%37时至16时3#约 克机组COP平均值

20、7时至16时3#约克机组平均制冷量/7时至 16时3#约克机组有效功率=1616. 82/3264. 967时至16时3# 约克机组运行 负荷率7时至16时3#约克机组平均制冷 量/3#约克机组额定制冷量= 1616.82/246166%47时至16时4#约 克机组COP平均值7时至16时4#约克机组平均制冷量/7时至 16时4#约克机组有效功率=1446. 3/2964.897时至16时4#约克机组运行 负荷率7时至16时4首约克机组平均制冷 量/4#约克机组额定制冷量= 1446. 3/246159%57时至16时5#约 克机组COP平均值7时至16时5#约克机组平均制冷最/7时至 16时

21、5#约克机组有效功率=1591. 05/2985. 347时至16时5# 约克机组运行 负荷率7时至16时5#约克机组平均制冷 量/5#约克机组额定制冷量= 1591.05/175891%67时至16时6#约 克机组COP平均值7时至16时6#约克机蛆平均制冷量/7时至 16时6#约克机组有效功率= 1610. 77/2885. 597时至16时6# 约克机组运行 负荷率7时至16时6#约克机组平均制冷 量/6#约克机组额定制冷量= 1610. 77/175892%717时至23时3#约 克机组COP平均值17时至23时3#约克机组平均制冷量/17 时至23时3#约克机组有效功率= 1422.

22、 02/2914. 8917时至23时3#约克机组运 行负荷率17时至23时3#约克机组平均制 冷量/3#约克机组额定制冷量= 1422. 02/246158%817时至23时4#约 克机组COP平均值17时至23时4#约克机组平均制冷量/17 时至23时4#约克机组有效功率= 1414. 28/2894.8917时至23时4#约克机组运 行负荷率17时至23时4#约克机组平均制 冷量/4#约克机组额定制冷量= 1414. 28/246157%917时至23时5#约 克机组COP平均值17时至23时5#约克机组平均制冷量/17 时至23时5#约克机组有效功率=1561. 20/2915.361

23、7时至23时5#约克机组运 行负荷率17时至23时5#约克机组平均制 冷量/5#约克机组额定制冷量= 1561.20/175889%综合上述统计数据可以得出以下结果(1) 5月7日17时至23时COPe值要低于7时至16时COPe值，其直接原因是 17时至23时冷冻站房运行负荷率要低于7时至16时冷冻站房运行负荷率。(2) 5月7日500冷吨的YT约克5#和6#机组的COP值要远高于700冷吨YK约 克3#和4#机组的COP，其直接原因是3#和4#机组运行负荷率要低于5#和6#机 组运行负荷率。(3) 通过对比运行参数和额定参数，造成5月7日500冷吨的YT约克5#和6#机 组的COP值运行负

24、荷率和要远高于700冷吨的YK约克3#和4#机组的COP和 运行负荷率的根本原因是供应5#和6#机组冷冻水流量与3#和4#机组冷冻水流量 均接近450T/H。由于机组型号的差异，使该流量参数能满足500冷吨的YT约 克5#和6#机组在高效率工况下运行，而不能满足700冷吨的YK约构3#和4# 机组在高效率工况下运行，因此3#和4#机组的COP和运行负荷率始终处于一个 低能效比的状态中。(4) 当17时总负荷下降时，由于停开了高能效比的6#机组而维持低能效比的3# 和4#机组运行造成了 17时至23时冷冻站房运行负荷率和COPe值要低于7时 至16时冷冻站房运行负荷率和COPe值。(5) 假设能

25、够通过改进措施使得供应700冷吨的YK约克3#和4#机组冷冻水流量 满足高能效要求，机组运行负荷率和COP值接近5#和6#500冷吨的YT约克机 组水平达到90%和5.4,则3#和4#机组的运行制冷量可达到2461x90%=2215KW， 此时有效功率为2215/5.4=411KW。那么在当天7时至16时高峰时段，站房负荷 为6264KW时只需开3# 4#和6#机组，此时站房总负荷可下降近90KW，COPe 值应上升至3.51;而17时后当负荷下降至4400KW时只需运行3#和4#机组即可， 此时的站房总电负荷可下降60KW，COPe值应上升至3.07。(6) 另外我们又抽样计算了 2003年

26、7月至9月其他运行日期不同负荷情况下该冷 冻站的COPe指数，基本情况与5月7日情况相似(本文不再详述)，其COPe值 均在2.6至3.4之间。而采用结果5的改进措施和测算方法，该冷冻站的COPe 指数则能上升至3.0-3.7。结论:上海卷烟厂冷冻站房最佳的能效指数COPe值应大于3.0以上。四、原因分析和改进措施从2003年5月7日等烟厂冷冻站房COPe指数的计算结果中我们看到了该 站房系统运行管理中的缺陷。由于约克离心式冷水机组的设计能力应在5以上， 所以确定该站房两台500冷吨机组日常运行符合要求而四台700冷吨机组日常运 行处于较低的水平。这样，一方面在夏季高温季节烟厂的冷冻机组即使全

27、部运行 仍不能满足生产使用要求；另一方面一旦遇上限电拉电情况发生，则影响工艺生 产的范围更广。通过2003年其他时间运行数据和单机实测数据的对比发现:当四台700冷吨 约克机组中单机组测试时其运行负荷率和COP值是能基本接近额定参数的;但是 当处于同一冷冻循环水供应管线的两台机组（1#和2#、3#和4#）同时运行或一台运 行，另一台待机但冷冻水进出口阀门全部开启时就会降低机组运行负荷率和COP 值。造成这一情况的原因是:并联供水的约克机组实际运行时，其冷冻循环泵供 入各机组的水流量是差不多的，均在400-550M3/h之间，这一流量仅能满足500 冷吨约克机组运行要求，而不能达到700冷吨约克

28、机组运行要求。原设计方案中 虽考虑到冷冻机组并联运行时冷冻循环水流量配比问题，并积极采用了同程式替 代异程式的配管方式，但是从实际应用的结果来看，由于泵联供的运行效率下降 造成降低了约克机组的运行效率，因此效果并不理想。提高约克机组运行负荷率的解决方法有以下几种：1. 加强管理措施。也就是要求操作工在同时运行多台约克机组时，开启循环 泵旁通阀并增开一台循环泵提高冷冻水总循环量。通过调节各机组进出口阀门未 达到标准流量。我们经过试验发现:首先，在并联供应时，调节各机组的进出口 阀门引起的流量变化是非线性的，因此调节一台机组阀门时造成其他机组的流量 发生剧烈变化，始终不能达到我们设想的目标。其次，

29、采取这一措施也造成各循 环泵的效率大大降低。所以，这一方法不合适。2. 对目前的循环水系统进行简单改造，将原异程式循环水配管方式改为单泵 直供单机组的配管方式。这样虽增加了一次性投资，但配合目前的循环泵变频器 和温度采集控制器，预计能大大提高设备的运行负荷率和冷冻站房的有效利用 率，并直接提高能效指数。五、结束语影响冷冻站房能效指数的因素非常多的，除上述发现的供应流量配比因素以 外，还涉及机组本身的热交换等问题，冷却塔和泵的运行效率，外界负荷变化时 的机组运行配比方式，长假后开机时的系统运行方式等等，这与系统的设计、布 局、设备选型、运行管理等方面密切相关。因此，每个冷冻站房都有自身的特点和

30、相应的能效指数。但是上述提到影响能效指数的各种因素是以往被我们所忽视而 具有非常大的节能潜力的地方。通过冷冻站房能效指标这一综合评价指数的建 立，将推动冷冻空调系统这一重点用能设备节能工作的开展。此外，烟厂动力数采系统是八五技改这一个重要的内容，由于多种原因，该 项目验收后主要应用在即时监测设备运行方面，而系统采集的大量数据形成的多 项数据库未能得到有效应用，造成了数据信息的浪费。同时由于应用方向的不明 确，也阻碍了该系统面向实际用户的二次开发。通过能效指数的应用分析也能推 动该系统的数据信息有效应用工作。【参考文献】1. 旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准-GB50189-932. 制冷

31、机组及热泵机组节能效果评价方法SJB001-20023. 空调制冷及热电冷联产系统的能耗分析严德隆、张维君4. 新建筑节能规范ASHRAE90-805. 空气调节同济大学暖通教研室编19846. 空气调节手册井上宇市中国建筑工业出版社19867. 高层建筑空调与节能钱以明编著同济大学出版社19908. 制冷中的节能G.NUSSBAUM等（美）上海交大出版社19879. 工程热力学邱信立、廉乐明 中国建筑工业出版社【点评】文章参照评价空调设施COP的方评来评价冷冻站房的制冷效率， 有新意。通过详细剖析上海卷烟厂一天的运行数据，找出实际运行中 的问题，提出了在加强管理，运行操作系统、数据信息的应用等方面 可改进的初步想法，有实用价值，对推进冷冻站房的节能和设备管理 工作的进一进提升有较大的促进作用。但文章在分析的深度和结论方面还略显不足。（基技环保专业组）