对IPLV应用的探讨

2012-08-03曾振威

制冷 2012年3期

曾振威

(深圳市拓普威机电设备安装工程有限公司,深圳518002)

计算主机全年能耗的最佳办法是根据建筑物形态参数、气候状况、主机设计负荷点和部分负荷点性能系数等,利用相关软件如eQUEST,EnergyPlus,Dest等建立数学模型进行计算。但上述条件一般无法满足,因此就需要采用一些简单可行的评估方法。其中最常用的方法是采用IPLV(综合部分负荷性能值)和满载设计点性能系数 (COP)。两者方法都不可能准确计算主机全年能耗,但相对而言,因为IPLV其兼顾了满载设计点和部分负荷点(及相应的冷却水温度)的综合性能,因此在考察某台机组的全年综合表现比单纯的满载设计点性能更具有客观性,因而被相关标准、业主、顾问公司、设计院广泛接受和采用。

贾晶在一系列论文[1,2]中通过对同一个案例进行分析后认为,一台在满载设计点高效但IPLV不高的机组,其全年运行费用比一台满载设计点低效但IPLV高的机组要少。并由此得出结论 “冷水机组的选型宜采用名义制冷工况性能系数 (COP)较高的产品,并兼顾机组的IPLV,须同时考虑满负荷和部分负荷因素”[2]。本文将对该案例再次进行深入分析并作出不同的解读。

在分析之前,我们先对文献 [2]中的相关论点做一个阐述。

1 对ASHRAE90.1-2010机组能效规定的解读

该标准专门针对变频机组规定了认证途径(Path B),因为考虑到变频器本身在满载设计点要增加部分能耗,因此其COP比常规机组稍低,但却在IPLV获得大幅提升。文 [2]解读为 “允许方案B(即途径B,笔者注)的COP比方案2的COP平均低3.0%,但要求方案B的IPLV比方案A的IPLV平均高20.3%作为补偿。故2种方案COP与IPLV要求的差值平均相差6.7倍以上”。个人认为这不是一种准确的理解方式。

2 对计算能耗两个公式的理解[2,3]

作者提出了计算全年能耗两个公式如下,但两者之间是不相等的:

式中:E为机组全年能耗;H为机组的全年运行时间;T为机组名义冷量;A,B,C,D分别为100%,75%,50%和25%负荷时的性能系数COP(kW/kW)。

特别针对公式1的理解如表1[2](最后一行为笔者所加)。

表1 与机组4种负荷相关的参数的权重比较

从表1可以看出,式 (1)中的负荷权重累积只有58%,是不可能等于式 (2)的。曹琦教授指出[4]“IPLV中权重系数的真实含义是相应负荷率段的时间频数”。表1中的58%可以理解为机组(单机)/系统 (多机)的全年平均负荷率。事实上在本例中将式 (2)乘以该系数得出的结果与式(1)的吻合度很高,其精度在工程上是可以接受的。

3 对文献 [1,2]中案例的再分析

采用式 (1)的结果:

变频机组:402900kWh

高效机组:387960kWh

采用式 (2)并乘以全年平均负荷率0.58,则结果为:

变频机组 (IPLV=8.06):379519kWh

高效机组 (IPLV=7.84):390168kWh

但如果采用满载设计点COP作为计算依据,则两者分别为:

变频机组 (IPLV=5.16):592814kWh

高效机组 (IPLV=6.82):448522kWh

从上面的结果可以看出,采用IPLV公式并乘以负荷系数的方法与实际结果的最大偏差为5.8%,而采用满载设计点COP为计算依据的结果最大偏差为47%,那么相对来说,无疑采用IPLV比满载设计点更接近实际。韩树衡指出[5]:普遍来说,应该是 (以kW/RT表示的)IPLV(NPLV)值越高,其能耗越高。

虽然就本特例而言,IPLV高的机组的全年能耗高,虽然计算结果已经很接近实际,但该项目不具有典型意义,之前也有类似分析。文献 [5]就对文献[6]中的案例进行分析后认为:至于文献[2](实为文献[6],笔者注)中的算例出现的IPLV(以kW/RT表示,笔者注)高的冷水机组反而省电的结果,是由于作者脱离实际随意杜撰部分负荷下机组效率 (kW/ton)衍生出来的怪胎,不足为凭。

另外,需要指出的是,本例中高效机组的满载设计点COP为6.82,超过国标一级能效标准10%以上;而普通变频机组的满载设计点能效为5.16,仅超过三级能效标准1%左右,两者的COP相差32.2%,但两者的全年运行费用仅相差3.71%(本例中设计工况与国标额定工况接近,对性能系数的影响可以忽略不计)。那么,按照文献 [2]作者对ASHRAE90.1-2010标准的分析,两者差值相差8.7倍!那么是否意味着为了节省1%的能耗,高效机组的满载设计点COP比变频机组至少高9%才能满足要求?

4 如何理解 “部分负荷”

在文献 [2]中也提出了有3台机组的机房在系统部分负荷工况下单机的冷量都处于100%或者接近100%高负荷率点,并以此为依据,结合几条简单的主机性能曲线分析认为,在满载设计点高效的机组对减少系统的运行能耗有利。

不可否认的是,对于多台机组而言,如果按照常规 “机组运行数量越少越好”的控制策略,单机的运行负荷区间会相对处于高位值。而且数量越多,负荷率越高。

但从另外一个角度看,就系统而言,冷却水温度与系统负荷存在一定的关联,随着系统负荷的减少,冷却水温度也随之降低。因此,在部分负荷运行区间,虽然单机负荷率处于高位,但冷却水温度已经不是设计点的温度,因此也不能直接套用满载设计点 (负荷为100%,冷却水温度为设计温度)的性能参数。这样直接引用负荷变化而不指出冷却水温度的变化有一定的误导作用——这样导致很多使用者认为在系统部分负荷的工况下的单机冷量为满载设计点,而实际上仅是高负荷率 (没有考虑冷却水温度对性能的影响)。

之所以提出这个问题是因为在定冷却水流量下,主机的性能系数COP取决于部分负荷百分比和冷却水进水温度,而冷却水的进水温度对主机性能系数COP的影响更大。

表2为一台标准定频3517kW(1000RT)(IPLV=6.456)离心机组的不同负荷率与不同冷却水温度下的性能参数表,很清楚表明在推荐的运行范围内[2]冷却水温度对机组性能的影响要远远大于负荷率的影响。

表2 3517kW定频离心机组在不同冷却水温度和负荷率下的性能系数

该机组在国标规定工况下各部分负荷点的性能系数如表3。

表3 国标工况下机组部分负荷性能参数及IPLV

如果我们将表3中的部分负荷率全部改为100%负荷率,性能系数参见表2,此时各相关参数如表4,那么此时的 “IPLV”变为6.773。

与单机相比,两者相差4.7%。因此我们可以说,即使机组处于高负荷率工况,只要冷却水温度按照国标工况,单机的IPLV也能大致反映系统整体的 “IPLV”。

表4 负荷率100%但冷却水温度变化时的性能参数

那么我们能否将此规律引申到多机组系统中,我们不妨考察一个具有两台上述型号的机房。相关参数如表5。

此时系统 “IPLV”为6.775,与单机 IPLV=6.456比较,两者仅相差4.7%。

3台机组的系统 “IPLV”为6.825,与单机比较相差5.4%。

表5 2台3517kW离心机组国标工况下系统参数

4台机组的系统 “IPLV”为6.773,与单机比较相差4.7%。

从上面的分析可以看出,采用单机的IPLV能基本反映系统的IPLV。

文 [1,2]根据几条简单的主机性能曲线就比较得出 “高效机组的年运行费用会低于变频机组”的结论是不科学的。首先是对 “部分负荷”的理解不够全面,将系统部分负荷工况下单机部分负荷工况 (同时考虑负荷率和冷却水温度)简单理解为处于高负荷率 (不考虑冷却水温度)。其次是满载设计点高效并不意味着其它部分负荷点高效,即IPLV不一定高,结合本文第3节分析,单机能耗就不一定低。还有就文 [1,2]中案例的高效机组性能数据,姑且不论其满载设计点COP高达6.82能否实现,即使能够实现,其价格是否能在采购方的承受范围之内也是一个问题。