VRV集中空调与区域供冷单位冷量能耗的比较研究

目前，我国的中央空调系统多数采用冷水机组供冷。然而，随着全球对能源紧张形势的深入认识和制冷空调技术的飞速发展，VRV集中式空调和区域供冷技术正凭借其高效、节能、环保等优势向传统冷水机组系统发出挑战，所占市场份额逐年增大。

VRV 集中式空调系统相对传统的定容量制冷机组具有较好的节能效果，同时还具有节省建筑空间、布置灵活等优点，目前在市场上得到广泛应用。

区域供冷是指对一定区域内的建筑群，由一个或多个功能站制得冷水等冷媒，通过区域管网到达最终用户，实现用户制冷要求的系统。由于冷量规模生产，因此冷量生产成本得以降低，实现节能。最早将区域供冷技术商业化的是美国的hartford工程，6年后欧洲国家如法国、瑞典也开始建立一些大型区域供冷工程。法国LaDefense的区域供冷能力达到220 Mw。我国在2000年开始引入区域供冷概念及技术，并先后建成北京中关村、广州大学城等一批区域供冷工程。区域供冷技术与VRV空调技术一样，具有非常明显的节能优势，那么在工程上应该选用哪种技术呢?笔者首先对这2种技术的单位冷量能耗进行计算，然后通过比较分析，考察不同情况下采用哪种系统更为节能，旨在为工程设计人员提供参考。

1  变频集中空调的单位冷量能耗计算

目前VRV技术可分变频集中式空调系统和数码涡旋集中式空调系统，这里只选取变频集中式空调进行分析。变频集中空调的单位冷量能耗由制冷机的能耗及能效比决定。衡量变频空调的能效比，需要考察其季节能效比(SEER)。季节能效比不仅考虑了稳态效率，同时还考虑了变化的环境和开关损失因素，是一个较为合理的评价指标。其计算公式为：

         

式中：i为温度区编号，自低温到高温编号，i=1，2，3 ? ；为计算地区的制冷季节温度区个数；t为计算地区第i个温度区的代表温度(℃)；Q(t )为在第i个温度区空调器所提供的冷量(W)；E(t )为在第i个温度区空调器所消耗的能量(W)。

由季节能效比的计算公式可知，不同的气候区和空调运行模式，计算出的空调器季节能效比会有所不同。为了便于分析，这里选取上海气候条件进行分析。考虑到不同季节负荷率不同，将负荷率用公式来表示，假设室内设计温度为26℃，当室外温度为35℃时，空调的负荷率为1；当室外温度为16℃时，空调负荷率为0。空调负荷率计算公式：

         

式中：X(t)对应于t 温度下空调器的负荷率，由此可见X(35)=1。因此，根据对应于负荷率X(t)的q(t)和e(t)，季节能效比的计算公式可转化为下面的形式：

         

式中：q(t)为在第i个温度区空调器每小时所提供的冷量(W)；e(ti)为在第i个温度区空调器每小时所消耗的能量(W)；h(ti)为第i个温度区所持续的小时数(h)；EER(ti)为对应的负荷率X(ti)。

根据上海的气候参数(见表1)，可得到上海地区变频集中式中央空调器的季节能效比。变频集中式空调器的能耗率不仅随着机组的负荷率变化，而且当室外温度变化时，同一负荷率下机组的能耗率也有所不同，其能效比EER(ti)也会受到机

组容量大小的影响。这里选取1台16 hp的变频空调器室外机进行研究，查样本可知其额定工况下的制冷量为45.0kW，耗电量为14,2kW。本文中空调系统能耗采用温频法(BIN)进行计算。

         

根据表1和表2由季节能效比的公式计算得：SEER =4.38。

选取1台某厂家生产的变频集中空调器进行研究。该机为冷暖两用型，制冷量为135kW，制热量为150kW。则该空调器的单位冷量能耗为：

         

=0.228 kW ／kW (4)

考虑到变频集中空调受管长限制，并且随着管长的增加会产生衰减，因此对于上述分析得出的单位冷量能耗还需进行修正。为便于分析，这里不考虑落差问题，按连接室内外机的管子的长度进行计算。

         

         

按当量长度确定室外机制冷量的修正系数，可得到不同管道当量长度下变频集中空调系统的单位冷量能耗。

         

2  区域供冷系统的单位冷量能耗

区域供冷的能耗主要来自制冷机及水系统。供冷示意见图1。冷冻水的二级泵系统中采用变频技术控制水泵运转以实现空调二次水系统的节能。它由一次水系统及二次水系统组成：一次水系统主要包括制冷机冷却水、一级冷冻水泵及分集水器；二次水系统主要包括二级冷冻水泵、末端设备及分集水器。二次水系统一般由2个以上环路组成，每个环路由一组二级泵供水。下面针对区域制冷系统在整个供冷季节内，制冷机组运行能耗、冷却水系统、一次泵的运行能耗、二次水系统能耗及管道冷量损失一一进行计算。

2.1  区域供冷系统的制冷机组运行能耗

制冷机组的运行能耗主要由所需的冷负荷和机组的综合部分负荷效率决定。根据表4中上海的气候参数，以某台大型离心机组为例，通过计算机组的综合部分负荷性能参数(PL)以及能耗计算BIN参数法，可得出制冷机组的运行能耗。

由表4可知整个制冷机的总制冷量为：W _总制冷量 =5050208.4 kW·h

根据文献得到的上海地区综合部分负荷效率(IPLV)为6.514，可以得出制冷机组在供冷季节期间的运行能耗为：

         

2.2  冷却水系统的能耗

通过冷却塔的冷却水流量L(m ³ ／s)为：

         

式中：Q为冷却塔排走的热量(kw)，取制冷机负荷的1.3倍；C为水的比热容(kJ／(kg·℃))，常温时取4.1868kJ／(kg·℃)；P为冷却水的密度(kg／m ³ )，取水温为冷却水进出口的平均温度34.5℃时的密度；tw1和tw2分别冷却水进、出口温度(℃)，分别取32℃ 和37℃ 。选择开放式冷却塔2台，型号为SKB-IOOOR，单台冷却塔性能参数如下：极限循环水量651m ³ ／h，压力损失35.6kPa，配置轴流送风机4台，单台功率为7.5 kW。

         

冷却水循环管路，由于管径没有沿程变化，可认为是一个计算管段，按水流速推荐值选用DNSO0的管道，开式系统。管道内水流速(m／s)为：

         

查水管路计算图可知，单位比摩阻为75 Pa／m，取冷却水管长为60m，局部阻力与沿程阻力损失之比为1.5，则：

沿程阻力损失(kPa)：hf=75×60=4.5

局部阻力损失(kPa)：hm=1.5×4.5=6.8

查样本可知：冷凝器阻力为114.1 kPa，水处理设备阻力为15kPa。

冷却水泵所需扬程：H=4.5kPa+6.8 kPa+114.1kPa+15kPa+35.6kPa=176kPa=17.9mH ₂ O。

选用水泵，流量和扬程皆考虑10 的余量，流量(m／h)为1.1×593.1=652.4，扬程(m)为1.1×17．9=19．7，则：

         

选择型号为TP250—270／4的冷却水泵3台，2用1备，单台扬程为27m，电机功率为45.0kw。则冷却水系统的能耗(kW)为：

w2= P 冷却塔+ P冷却水泵=4×7.5+2×45= 120

由此可知冷却水系统在供冷季期间的运行能耗(kW·h)为：

W2=w2×h=120×957.57=114908.0    (8)

2.3  一次泵冷冻水系统能耗

一次泵按照定流量计算，查冷机样本可知冷冻水流量为252 L／s(907.2m ³ ／h)，按水流速推荐值选择公称直径为DN350的冷冻水管管径。其冷冻水流速(m／s)为：

         

查水管路计算图可得比摩阻为152Pa／m，取一次环路冷冻水管长为80m，则管路的沿程阻力12.16kPa；取局部阻力与沿程阻力的比值为1.5，则整个管路的阻力损失为0.4 kPa；分集水器的阻力损失取40kPa，蒸发器侧压力降为121.5 kPa。则冷冻水泵的扬程为19.6mH ₂ O。

选用水泵，流量和扬程皆考虑10％ 的余量，则选用水泵的参数：

流量(m ³ ／h)：1.1×907.2=997.9

扬程(mH ₂ O)：1.1×19.6=21.6

则冷冻水泵的功率(kW)可表示为：

         

选择型号为TP250—370／4的冷却水泵2台，1用1备，单台扬程为27m，电机功率为75kw，则一次泵冷冻水系统的能耗w3 =75 kW。

在一次泵定流量的区域供冷系统中，一次泵流量保持不变，能耗亦不变。通过计算可知机组总运行小时数为1789h，所以一次泵在供冷季期间的运行能耗(kW·h)为：W3=w3×h=120×1789=134175.0  (9)

2.4  二次泵冷冻水系统能耗

任取支路冷冻水流量为302.4m／h，按水流速推荐值选择公称直径为DN200的冷冻水管管径。其冷冻水流速(m／s)为：

         

查水管路计算图可得比摩阻为300Pa／m，记二次环路中供水管长为L，不再考虑随沿程管径变化比摩阻的变化，统一按此定值计算，则管路的沿程阻力(kPa)为：

HF=0.3×2L= 0.6L

取局部阻力与沿程阻力的比值为0.4，则整个管路的阻力损失(kPa)为：

H=Hf+Hd=(1+0.4)×0.6L=0.84L

分集水器阻力损失取40 kPa。水系统为枝状环路，为解决系统平衡，在各回水支干管或支管上安装动态流量平衡阀(压降取40kPa)，二通阀压降取30kPa，末端装置压差控制在20kPa以内，末端阻力45～50kPa之间。则冷冻水泵的扬程(mH ₂ O)为：

Hp= Hf+ Hd+H

=0.84L+40+40+30+18

=128+0.84L (kPa)

=13.05+0.0856L

选用水泵，流量和扬程皆考虑10%的余量，则选用水泵的参数为：

流量(m ³ ／h)：1.1×302.4=332.6

扬程(mH ₂ O)：1.1×(13.05+0.0856L)

=14.36+0.09422L

则该冷冻水泵的额定功率(kW)可表示为：

         

假设房间冷负荷与室外空气温度成线性关系以及二次变频泵输送的冷冻水流量随冷负荷的增减作一致变化。根据前面计算变频集中式空调系统季节能效比的方法，计算供冷季节二次变频泵的能耗。

同样，假设末端用户室内温度保持26℃ 不变，不过与计算变频集中式空调系统季节能效比不同的是，变频泵的最低频率一般不低于30Hz。

通常情况下，只有当室外干球温度高于20℃时，制冷机组才开始供冷，二次变频泵才开始运转；当室外温度高于35℃时，空调器处于满负荷状态，二次变频泵处于额定工况运行(见表5)。根据这2点数据，可以进行线性插值，确定不同温区的负荷率及二次变频泵耗功率。二次变频泵的调节范围为单台的最低频率到3台泵的额定频率之间。

空调冷冻水泵变频运行的能耗既不与流量的三次方成正比，也不与流量的一次方成正比，而是处于二者之间的依赖于管路阻力分布特性(与空调负荷及空调用户的位置有关)的一个量值。根据王寒的相关研究，在这里取修正系数为1.15，则在整个供冷季二次变频泵所消耗的能量(kw·h)为：

Wsp=1.15×(3O025.423+196.998L)=34529.236+226.548L   (10)

结合式(5)，(8)～(10)，当1台制冷机运行时，

区域供冷系统在整个供冷季节的能耗(kw·h)为：

W 总=W1+W2+W3+Wsp=1058897.536+226.548L(11)

2.5  冷冻水管管道输送冷量损失

利用张思柱提出的区域供冷输送管道能量损失计算方法，管道温升因子：

         

其中，d1，d2和d3，分别为管道内径、外径及保温层外表面直径(m)；ts为管道保温层外表面温度(周围土壤)℃；tin为流体进入管道温度(℃)；tout为流体流出管道温度(℃)；ρ为管道内流体的平均密度(kg／m ³ )；Cp为水的比热容(kJ／(kg·℃))；λ1和λ2分别为保温材料和管道材料的导热系数(W／(m·℃ )。

输送冷冻水至末端泵中流体的管道能量损失的计算。冷冻水供水温度取7℃，引起的误差已很小，其余各参数取值分别为：d1=0.207m，d2=0.219m，取保温材料的厚度为45mm，测d3=0.309m，A=πd ₁ ² ／4=0．0036 m ² ，取 λ1=0．05W／(m·℃)；

λ2=45W／(m·℃ )；tin =7℃ ，ts=20.6℃，Cp=4.186 8 kJ／(kg·℃)，ρ=1000kg／m ³ ， υ=2.5 m／s，代入(12)和(13)式，可得：△ t=(e ^x -1)△tin =13．6×(e ^{2.59 ×10-6} L-1)。

当单台变频泵在额定转速下运行时，此沿程能量损失为：

         

由末端泵输送机组时产生的管道能量损失，冷冻水回水温度取12℃。可类似得：

         

将这2部分能耗损失加起来，则单台变频泵额定工况下运行时，流体输送引起的能量损失为：

         

         

         

故该区域供冷系统提供的单位冷量能耗：

负荷侧单位冷量能耗=供冷季节区域供冷系统的总能耗量／(供冷季节区域供冷系统所提供的总冷量一通过冷冻水管道损失的总冷量)

         

3  变频集中空调与区域供冷系统单位冷量能耗

的比较分析根据式(4)和(15)，可以对这2种制冷技术的单位冷量能耗进行比较。

在某条件下，如果区域供冷比变频集中供冷更为节能，那么下式成立：

ω _DIS ≤ω _VRV

对上式进行求解，对于区域供冷系统，当其供水管道长度分别达到382m，657 m和962m时，单位冷量能耗分别为0.228，0.240和0.253。因此可以认为，当变频集中空调系统的管道当量长度小于8m时(此种建筑物常见于小别墅、居民楼等较小的场合)，若采用区域供冷系统进行供冷，建议用户与制冷站的距离不超过382m。否则，则采用变频集中空调系统。当变频集中式空调系统室内外机连接管道的当量长度小于50m时，在设计区域供冷系统时，推荐冷站到该用户的供冷距离不超过657m，此类建筑比较常见，在一些中型建筑中均适用。对于当量长度在100 m 以内的变频集中空调系统，在一些大型建筑包括写字楼、医院、会所、大型公共建筑中应用较多，其实这已达到变频集中空调系统的供冷极限，超过此当量长度，变频集中空调系统与分体空调相比在能耗方面不存在优势；而采用变频集中空调方案的初投资则远远高于分体式空调。综合考虑，用户会优先选用分体式空调，此时区域供冷系统的供冷半径需严格控制在962m以内。

4  结论

1) 变频集中空调的管道当量长度不超过8m，50m和100m时，单位冷量能耗分别约为0.228，0.240和0.253；

2) 得到区域供冷系统单位冷量能耗随管道长度变化的表达式，可近似认为单位冷量能耗与管道长度成正比；

3) 当变频集中空调系统的管道当量长度小于8m时，如果该用户距离制冷站小于382m，那么采用区域供冷技术更节能；当管道的当量长度小于50m(大于8m)时，制冷站与该用户的供冷距离超过657m，则采用变频机组更节能；对于当量长度在100m以内(大于50 m)时，采用区域供冷系统时应将供冷半径控制在962 m 以内。

本文来源于互联网。