张治平，刘华，王升

（空调设备及系统运行节能国家重点实验室，广东珠海 519070）

0 引言

在公共建筑能耗中，空调能耗是其重要组成部分。离心式冷水机组一直是公共建筑尤其是大型公共建筑空调系统的主力机型，其能效水平对公共建筑能耗具有重大影响[1]。永磁同步变频离心式冷水机组采用了双级压缩中间补气循环、压缩机全工况气动设计、高速电机直接驱动结构、高速大功率永磁同步变频调速电机及相应变频器等关键技术[2-4]，其额定工况下的能效比（Coefficient of Performance，COP）和综合部分符合性能系数（Integrated Part Load Value，IPLV）得到了大幅提升[5-7]。目前COP和IPLV为评价离心机的重要指标[8]，但是动态仿真可以实现不同地区多工况全年逐时性能的评价，评价结果更加准确。

张野等[9]和夏建军等[10-11]详细阐述了DeST模拟软件中冷源和水系统模型及冷源模拟分析方法。有研究者建立了不同离心式冷水机组的数学模型[12-13]，并研究了不同运行策略下的冷机能耗[14]。然而，以上研究并无全面地考虑冷机的基础部件及其控制过程（比如开/关机过程、载荷过程和未载荷过程），这对总能耗的计算有很大影响。所以，在考虑内部控制过程的前提下，搭建以离心机为核心的水系统模型，定量分析永磁同步变频离心式冷水机组在不同应用场合的全年运行能耗，对推广高效变频离心机技术，实现空调系统节能具有重要意义。

1 仿真平台介绍

1.1 空调系统模型

如果仿真不同控制策略下的系统运行参数和性能，空调系统的动态模型应有以下特征：

1）每个设备模型（比如冷机、泵和冷却塔等）应包括不同工况下动态参数、性能的计算模型以及决定其控制参数（比如频率变化速度、入口导叶阀开度逻辑等）的控制模型；

2）冷冻总管水温应随着冷机制冷量和末端冷量的需求实时变化，在变化过程中应体现冷冻总管水的热惯性。空调系统的仿真步长设定为10 s。

1.2 冷机模型

离心式冷水机组的动态仿真模型应该能够模拟不同控制过程的性能。系统包括以下4个部分。

1）压缩机模型，是从冷机的实验数据获益有相互关系的模型，输入参数包括冷凝器和蒸发器的压力比、频率和压缩机的入口导叶开度，输出参数包括COP、制冷量和冷凝热负荷。

2）控制模式，包含压缩机的实际控制策略，比如频率变化的速度和各个过程时的入口导叶开度控制等。

3）蒸发器模型，是从蒸发器的实验数据获益有相互关系的模型，输入参数有冷冻水供回水温度和流量，输出参数为蒸发温度。

4）冷凝器模型，是从冷凝器的实验数据获益有相互关系的模型，输入参数包括冷却水的供回水温度和流量，输出参数为冷凝温度。图1是冷机模型的典型仿真结果。

考虑到各个设备部件和控制过程，建立的以离心机为核心的空调水系统动态仿真平台还应包括冷冻泵模型、冷却泵模型和冷却塔模型等[15]。

图1 冷机模型的典型仿真结果

2 仿真结果

2.1 搭建仿真平台

冷站中采用了4台650 RT永磁同步变频离心机。相应的冷却水泵（定频）、冷冻水泵（定频）、冷却塔都是4台，采用先并联后串联方式。不同区域的不同类型建筑模型，需根据最大设计冷负荷确定空调面积。空调系统原理如图2所示。空调系统的基本条件如表1所示。

2.2 系统控制策略

系统控制策略对空调系统和冷水机组的性能有重要影响。根据数据中心设计规范GB 50174，数据机房空调冷冻出水温度设定为12 ℃。空调系统中使用的系统控制策略如表2所示。

图2 空调系统原理图

表1 空调系统基本条件

表2 空调系统控制策略

2.3 典型日冷站的仿真结果

以北京办公楼为例，图3～图5是7月27日仿真结果。大部分时段有4台冷机运行，永磁同步变频离心机全天能效比相对于定频离心机提升了1.5左右。图6～图8是5月9日的仿真结果。大部分时段有两台冷机运行，永磁同步变频离心机全天能效比相对于定频离心机提升了6.0左右，节能效果更加显著。

图3 7月27日1#永磁同步变频离心机水温

图4 7月27日永磁同步变频离心机逐时负荷率

图5 7月27日永磁同步变频离心机和常规定频离心机COP对比

图6 5月9日永磁同步变频离心机水温

图7 5月9日永磁同步变频离心机逐时负荷率

图8 5月9日永磁同步变频离心机和常规定频离心机COP对比

2.4 冷站年度仿真结果

为了定量分析以永磁同步变频离心式冷水机组为核心的冷站系统在北京办公楼的全年运行能耗，本文对5月至10月的空调系统进行了全年模拟。冷站主要设备单位平米月耗电量的模拟结果如图9所示。冷机的年制冷量约为9,555,475 kW·h（115.0 kW·h/m2）。冷水机组年耗电量约为1,009,348 kW·h（12.1 kW·h/m2），冷站年耗电量为1,103,658 kW·h（15.8 kW·h/m2）。并统计了永磁同步变频离心机和普通定频离心机单位平米月耗电量如图10所示。冷机节能率是同工况下永磁同步变频离心机相对普通定频离心机的月平均节能率，采用永磁同步变频离心机在办公楼中应用的月平均节能率达到了24.1%～43.3%，年平均节能率达到了30.0%。

图9 冷站主要设备月耗电量

图10 冷机单位面积月耗电量

2.5 不同场合冷机年度仿真结果

为了评估冷机在不同地区、不同建筑类型应用的全年运行性能及能耗，分别模拟了永磁同步变频离心机和常规定频离心机在北上广三地办公楼和数据机房中应用的全年运行性能及能耗。设计参数及运行条件如表3所示。模拟结果如表4所示。

表3 设计参数及运行条件

表4 北上广三地办公楼和数据机房的模拟结果

从表4北上广三地办公楼和数据机房的仿真结果可以看出：

1）永磁同步变频离心机的运行效果明显优于常规定频离心机；

2）北上广三地的节能率，随着地域从南到北，节能率越来越高；

3）在同一地点办公楼和数据机房相比较，数据机房全年平均节能率高于办公楼；

4）采用永磁同步变频离心机在办公楼中应用的全年节能率达到了27.8%～30.0%，在数据机房中应用的全年节能率达到了39.5%～41.0%。

3 结论

本文建立了以4台离心机为核心的空调水系统动态仿真平台，并对空调系统北上广三地的办公楼和数据机房工况进行了仿真研究。结果显示，永磁同步变频离心机相较于常规定频离心机，从广州到北京全年平均节能率逐渐增加，在同一地点数据机房全年平均节能率高于办公楼。采用700 RT永磁同步变频离心机在办公楼中应用的全年节能率达到了27.8%～30.0%，在数据机房中应用的全年节能率达到了39.5%～41.0%。