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摘要： 本文对磁悬浮水冷直接制冷式空调机组在焓差实验室进行不同负荷的多个工况点进行制冷实验，实验中的空调机组水流量分别采用定流量和变流量的方式去进行，通过各个不同负荷的工况点与不同的水流量运行去测出空调机组的性能数据，分析得到在定水流量与变水流量运行时下全空调系统的耗能特点（空调机组的耗功加上冷却水系统的耗功等于全空调系统耗功），并得出对降低全空调系统耗能有意义的方法。
关健词： 磁悬浮水冷直接制冷式空调机组 全空调系统 IPLV 变水流量
0 引言
磁悬浮压缩机在十多年前面世，其采用了100%无油设计，磁悬浮轴无磨损运行，不但大大减少了机组的维护费用，同时对制冷系统能效的发挥有巨大的帮助，凭借其独特的优势，磁悬浮压缩机的应用也越来越广。当传统水冷冷水式冷水机组采用磁悬浮压缩机时，其IPLV值可以超过11 W/W，是大型公共建筑节能空调系统中一种理想的解决方案。
钱漾漾和魏庆芃等人[1]对应用磁悬浮冷水机组实际工程的运行有研究分析中，指出定冷却水流量的运行方式中，冷水机组长期在部分负荷下运行时，冷冻水和冷却水出现大流量小温差的情况，导致水系统输配耗能偏高，其中结语里提出对冷却水输配系统应进行调控策略全局优化，充分发挥其能效特点，进一步降低运行耗能；钱漾漾和魏庆芃等人[1]对各类冷水机组实际工程运行分析比较中，各种类型的空调机组在工程应用是否更具节能优势，不仅与空调机组本身能效比和综合部分负荷性能系数高低有关，更准确的是去评价包括冷却水系统在内的整个制冷站系统耗能高低。
当采用水冷直接制冷式处理室内的余热余湿时，与传统的水冷冷水机组相比，减少了中间的中间载冷剂与末端的二次换热，大大提高了空调机组能效比，同时省去了冷冻水泵、冷冻水系统管道及相应的阀门等，更是大大节省了机房的面积，而磁悬浮水冷直接制冷式空调机组不但具有前面所述优点，更是因为其采用了高能效磁悬浮压缩机，所以磁悬浮水冷直接制冷式空调机组（以下称空调机组）应用在轨道交通地铁站是可行的。本文将通过综合部分负荷性能系数（以下称IPLV）的实验并结合不同的流量控制方式去分析和研究整个全空调系统（含送风、制冷主机和冷却水系统）的耗能，希望能得出空调机组在工程应用中能更全面的耗能分析和进一步提高运行节能效果的一些方法。
1 实验数据的说明
1.1 空调机组信息
空调机组属水冷直接制冷式机组，制冷压缩机采用150冷吨的磁悬浮压缩机，冷凝器采用壳管式换热器，蒸发器采用翅片式换热器模块化组合结构，节流机构采用与模块化蒸发器对应的多个电子膨胀并联组成，蒸发器风机采用EC风机组合的风机墙，整机框架结构采用互锁式组合柜结构，机组名义制冷量为460kW，机组制冷负荷运行范围在10%~100%（变频），风机墙风量能根据负荷、进出风温度和能效等因素作变风量运行。
1.2 测试实验室
测试实验室采用具有CNAS认证的多功能实验室，被测机冷量范围是0~2100kW，功率范围是0~300kW，风量范围是10000~120000m3/h，全压范围是0~3500Pa。
1.3 测试工况
目前，应用在地铁站使用的空调机组的行业标准已有试行版标准《水冷直接制冷式地铁站空调机组性能检测方法》，该最新标准IPLV的测试方法中，制冷量是有4个级别百分比（100%、75%、50%和25%），风量风压也相应有4个级别百分比。本文实验将空调机组放在夏热冬暖IPLV四个工况点及其扩展的工况点下，各相邻工况点之间以5%制冷量递减折算出各中间工况点的不同的进水温度、风量以及余压，共有16个工况点，其中1个是100%负荷点，其余15个是部分负荷点，具体见表1。
表1 试验工况
注：进风干球温度：29℃，进风湿球温度：22℃，出风温度18±0.5℃。
1.4 计算说明
空调机组的各点冷量与功率均是实际测试得出；冷却水系统的主要耗功设备为水泵、冷却水泵变频器和定速冷却塔风机，是根据以下相关计算式以及典型冷却水系统选型参数计算得出；通过以下计算式，最终得出空调机组和全空调系统的各负荷点的COP并绘制成表和曲线，如表2~4和图1~4所示。
η ————变频水泵的综合效率，kW
γ ————水的比重，kN/m3
G ————水泵的流量，m3 /S
H ————水泵的杨程，mH2O
H0 ————开式冷却水系统定值项，mH2O
S ————管路的特性系数值，S2/m5
N ————全空调系统消耗功率，kW
Nk ————空调机组消耗功率，kW
Np ————水泵变频器损耗功率，kW
Nl ————冷却塔风机运行功率，kW
COPk ————空调机组的COP，W/W；
COPq ————全空调系统的COP，W/W；
IPLV ————综合部分负荷性能系数，kW
A ————100%负荷时的COP，W/W
B ————75%负荷时的COP，W/W
C ————50%负荷时的COP，W/W
D ————25%负荷时的COP，W/W
2 定水流量实验数据和分析
空调机组测试水流量以名义负荷下确定的额定流量不变的方式运行，以表1工况测试取得数据如表2，空调机组在16个工况点下性能参数分析如图1。
从表2和图1可知，空调机组的能效比随部分负荷减少而不断增加，在25%工况点时COP高达15.81，这主要是因为空调机组采用磁悬浮变频压缩机、EC风机墙以及模块化蒸发器设计，并配合以精准的能级控制发挥出超高能效的优势；当耗能计算以全空调系统分析时，将冷却水系统各项耗能统计进去时，发现全空调系统能效比在50%的部分负荷下达到峰值的7.49，然后在便随负荷下降不断降低，显然实际上并不是负荷越低越节能，并且负荷越低相对来说更不节能。
表2 空调机组与全系统能效对比情况
图1 定水流量下空调机组与全系统在各个部分负荷的能效比较
3 变水流量方式运行数据和分析
3.1 第一种变水流量方式运行实验
第一种变流量运行方式主要是依据水流量根据冷负荷减小从100%负荷开始成线性递减的方式去控制，因考虑到壳管式冷凝器流速过小会令传热系数大幅降低，以及过小流速在实际工程运行会沉积污垢等因素，最小流量控制在60%。
从表3看出，全空调系统和空调机组部份负荷点的COP是都下降的，最终计算出的IPLV分别减少6%和21%，达不到降低耗能的效果；从图2曲线分析可知，全空调系统的部分负荷cop在44%的部分负荷点是分界线，高负荷比段耗能在变水流时反而更高，低负荷比段较低可以节能运行，但总体来说变流量全空调系统IPLV比定流量时更低，明显不具有节能意义。
表3 定流量与变流量下空调机组与全系统能效对比情况
图2 定水流与变流量下空调机组与全空调系统在各个部分负荷的能效比较
3.2 第二种变水流量方式运行实验
根据第一种变水流量方式来看，能使整个空调系统优化节能效果的负荷段是在较低部分负荷段，所以第二种变水流量式在65%部分负荷以上采用100%流量运行，而65%以下根据负荷减小从100%负荷开始成线性递减的方式去控制，最小流量仍控制在60%。
从表4看出，变流量下相对定流量时，空调机组部份负荷的COP当然仍是下降的，从图3的机组COP曲线可知，下降幅度没有第一方式大，其中50%时的COP明显大于第一种变流量方式；从图3曲线分析可知，全空调系统的部分负荷COP在55%以下的部分负荷点明显可以更节能运行，而且是负荷越低节能效果越大，虽然变流量全空调系统的IPLV值比起定流量的增幅不大，只增加0.7%，但是空调全系统在45%至25%低负荷段长期运行的仍具有较大的节能优势，相对定流量方式能效比有5%至22%的提升。
表4 定流量与变流量下空调机组与全系统能效对比情况
图3 定水流与变流量下空调机组与全系统在各个部分负荷的能效比较
3.3 冷却水系统功耗分析
从测试数据提取出定流量、第一种变流量方式和第二种变流量方式的冷却水系统的功耗，以整个全空调系统的功耗作为分母计算出不同部分负荷工况的功耗占比曲线如图4，从图4知，定流量时冷却水系统功耗占从100%到25%工况点时水系统功耗占比越来越高，25%工况点时超过60%；而第二种变流量方式从分析可知，它在整个空调系统运行中，水系统功耗从65%工况点时27%缓慢升到25%工况点时的33%，变化幅度相当缓慢，在减小冷却水输配耗能方面发挥出非常大的作用。从曲线比较中，可以得到从功耗比较的去判断磁悬浮水冷直接制冷式空调机组水系统运行是否节能合理的一种方法，也可得出通过功耗比较作为水流量控制目标或控制参数是一个可行的控制方案选择。
水流量变化范围
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图4 冷却水系统功耗占比分析
4 结语
4.1 采用磁悬浮压缩机空调机组IPLV值特别是低负荷时，比起传统压缩机的空调机组明显要高出很多，但在计算全空调系统的IPLV中，采用定冷却水流量的运行时，部分负荷在45%时的能效峰值以后便开始下降，所以定流量冷却水系统实际上对于整个空调系统上并不能很好体现磁悬压缩机的部分负荷的节能优势。
4.2 在变冷却水流量的运行时，采用合适的冷却水流量控制策略，可以提升低负荷段在全空调系统的能效比，本文中流量变化方式是从定性定量的实验中去作有限的研究分析，在实际应用中或许有更多特殊场合，读者可以将分析结果作为一个参考去作更进一步的实际研究。
4.3 变冷却水流量运行的磁悬浮水冷直接制冷式空调机组，在实际工程应用中，相比其它形式空调机组更具有节能优势，特别是在轨道交通的地铁站中，除了早晚高峰外，很多的时间均处于较低负荷运行，特别一些新站和人流量较少的站更是大部分时间处于低负荷运行，变水流量运行的磁悬浮水冷直接制冷式空调机组能更好地降低实际的运行耗能。
参考文献：
[1]钱漾漾，魏庆芃.磁悬浮变频离心式冷水机组能效实测研究[J].暖通空调，2018，48（4）：114-119
[2]胡 磊，卢 军，陈 明，王 曦，曾永攀.集中空调变冷却水流量节能研究[J].暖通空调，2011，41（9）：137-140
[3]曹 阳，曲凯阳.水冷直接制冷式地铁车站用空调机组性能检测方法V9.0－中心备案试行版
谭鸿坚，男，1981年6月生，大学，制冷中级工程师