1、大型公共建筑冷机 COP 指标：实测与应用清华大学建筑节能研究中心 常晟 王鑫 魏庆芃摘要 冷机是空调系统中的能耗大户，冷机 COP 在基于指标体系的建筑节能诊断中占据重要地位。如何根据具体情况，准确测定空调系统中冷机的能效比，并做出符合 实际情况的评价与诊断，成为建筑节能改造工作中重要的 组成部分。本文基于实测经验，介绍了目前在实际测试中最常用的三种冷机 COP 测试办法，并 对其进行了对比分析。之后，根据大量大型公建节能诊断的成果，介绍了既有大型公建冷机 COP 的分布，并举例说明如何用该指标进行诊断的基本思路。关键词 冷机 COP，大型公建节能，指 标体系，节能诊断1 背景大型公共建筑因
2、其惊人的能耗水平日益成为建筑节能工作中备受关注的部分。实践证明，针对大型公共建筑特别是其空调系统进行节能诊断，并在此基础上施以“无成本、低成本”改造，可以有效的降低大型公建的能耗。但目前，节能诊断还比较依赖专家的经验，使得其难以广泛地推广应用。为此，建立基于指标体系的节能诊断，通过各项指标来判断建筑的能耗水平、可能存在的问题和潜在的节能潜力，成为大型公建节能事业中重要的工作。通过数十座大型公建的现场实测与能耗拆分，发现在大型公建的能源消耗中，空调系统往往占据很高的组成部分。而冷机又是空调系统中的能耗大户。 图 1-1 显示了我国 17座大型公共建筑中，冷机能耗占空调系统能耗的比例，其中有近一半
3、的建筑达到 50%以上。0%10%20%30%40%50%60%70%80%1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617图 1-1 冷机能耗占空调系统能耗的比例冷机的高能耗已引起设计人员的重视，相关设计规范要求设计人员选用高效率的冷机。如北京市公共建筑节能设计标准规定，蒸汽压缩冷水（热泵）机组，应采用“名义工况制冷性能系数（COP）及综合部分负荷性能系数(IPLV) 较高的机型” ，并针对不同机型和额定制冷量规定了 COP 和 IPLV 值的下限。值得关注的是，在大型公共建筑实际运行的空调系统中，由于种种问题，冷机实际运行的效率和其名义工况下的效率相比，往往有显著的差距
4、。而冷机的实际运行效率决定了该系统是否节能，比之额定效率有着更为重要的意义。发现并优化影响冷机实际效率的问题，可以有效地提升系统的节能程度。因此，在建筑节能诊断与改造工作中，如何准确的测定冷机的运行效率，并根据测得值判断系统可能存在的问题及节能潜力，就成为具有很重要的实际意义的问题。2 冷机 COP 的类型与常用测试方法通常，用冷机 COP 来表征冷机运行效率，其定义式为：chilerWQCOP式中各项符号的意义如下： 冷水机组的运行能效比（无量纲） ；Q 冷水机组冷水侧的供冷量（瞬态值单位为 kW，累计值单位为 kWh/a)； 冷机输入的功率（瞬态值单位为 kW，累计值单位为 kWh/a）
5、，对电制冷chiler冷水机组，指的是输入的电功率；对吸收式冷水机组，指的是“加热源消耗量（以低位热值计）+电力消耗量（折算成一次能） ”。从以上的定义中可以发现，冷机 COP 有两种类型：瞬态值和全年累计值。瞬态值反映某一时刻冷机的工作状态（一般选取冷负荷最大的工况和典型工况观察） ；全年累计值则可综合反映冷机在全制冷季中的工作状态，具有更好的代表性。2.1 COP 瞬态值测试方法冷机 COP 瞬态值可通过如下方法测得：首先测得如下物理量：编号物理量 符号 单位 测点位置 测量仪器1冷机进出口冷冻水水温 ，intout 冷机冷冻水干管进出口热电偶或温度自记仪2 冷机冷冻水流量 Gm3/h 冷
6、机冷冻水干管 超声波流量计3 冷机耗电量 WkW 冷机配电柜 电功率计注：以上测试量要在同一时间段内完成。之后通过如下计算公式即可得到冷机瞬态 COP。WQCOP360)(outinGccos3UIW通常，选取以下两种工况测量瞬态 COP：1、冷负荷最大的工况。如：出现室外气温达到最高值，人员负荷达到最高值等情况。2、典型工况。如：室外气温接近当地制冷季气温平均值，人员设备负荷处于正常状态。2.2 冷机 COP 累计值测试方法冷机 COP 累计值有两种获得方法，一是根据运行记录的数据推算，二是根据建筑能耗实时监测系统计算。在很多建筑中，工程部运行记录中都会有冷机耗电量的逐日记录，据此可计算出全
7、制冷季耗电量。但只有很少的运行记录会提供冷量相关的记录（即：流量、冷冻水供回水温差） 。因此，除非节能诊断过程涵盖整个制冷季，否则无法获得冷机全制冷季供冷量，从而无法计算出冷机 COP 全年累计值。这个方法只适用于运行记录非常完备的建筑。通过建筑能耗实时监测系统，则可以非常方便的获得冷机 COP 全年累计值。该系统可通过一定的自动测量和通讯手段，将建筑物内发生的各种类型能耗实时记录并远传到数据处理中心的电耗计量系统，其中就包括冷机的逐时供冷量和逐时耗电量。也就是说，通过该系统，不仅可以获得冷机 COP 的全年累计值，而且可以获得各时刻的瞬态值。2.3 几种测试方法的比较上文介绍了三种冷机 CO
8、P 的测试方法：现场实测法、运行记录法和分项计量法，其中常用的是第一种和第三种。这三种方法的特点比较如 表 2-1 所示。表 2-1 三种测试方法比较现场实测法 运行记录法 分项计量法获得数据类型最大冷负荷工况下的瞬态值/典型工况下的瞬态值全年累计值 各时刻的瞬态值/全 年累计值数据代表性 弱 强 强误差 中等 大 小读取数据便利度 中等 难 易在节能诊断中，主要使用以下两种冷机 COP 判断问题：1、 最大冷负荷工况下的 COP 瞬时值；2、 全年累计值；如果该建筑装有建筑能耗实时监测系统，则很容易获得所需的数据；反之则需要采用现场实测法得到冷负荷最大工况下的 COP 值，并用典型工况（描述
9、见 2.1 COP 瞬态值测试方法节) 下冷机 COP 的瞬态值代替全年累计值。3 既有大型公建冷机效率水平十余年来，清华大学建筑技术科学系一直坚持为既有大型公共建筑进行节能诊断，获取了大量第一手的实测数据。 图 3-1 总结了近三年来（ 20052007）我系实测的大型公建冷机 COP，通过这些数据，可以看出目前国内大型公共建筑中冷机 COP 的大致水平分布。图中的 COP 均为瞬态 COP，测试工况均为最大冷负荷或接近最大冷负荷状态下。0.001.002.003.004.005.006.00A B C D E F G H I J K L M N O P Q R实 测 值额 定 值图 3-1
10、 大型公共建筑冷机 COP 实测值与额定值图 3-1 显示的 18 座建筑均为面积在 1 万平方米以上的大型公共建筑，涉及政府办公楼、医院、商场等各种功能。各建筑均使用电制冷冷机作为冷源，其中 AO 及 Q 为水冷式螺杆机或离心机，P 为水冷式活塞机，R 为风冷式活塞机。其冷机 COP 平均值为 4.22。其中，COP 大于等于 5 的冷机共有 4 处，介于 4 和 5 之间的冷机共有 4 处，介于 3 和 4 之间的有 8 处，小于 3 的有 2 处，其分布如 图 3-2 所示。 545343图 3-2 实测大型公建冷机 COP 分布测试结果表明，目前在大多数既有公共建筑中，即使是最大冷负荷
11、工况下的冷机 COP值，也与其额定值有一定差距。为了挖掘既有建筑中冷机 COP 偏低的原因，就需要利用测得的 COP 进行判断。4 冷机 COP 偏低的原因分析既有建筑冷机 COP 偏低的原因，不外乎两类：第一类是设备自身的原因，常见问题有冷机设计选型偏大，设备性能老化等。第二类是运行管理存在问题，常见问题有多台冷机运行时策略过于保守，冷却塔效率偏低导致冷却水回水温度偏高等。首先，比较最大冷负荷工况下的冷机 COP 瞬时值与冷机额定 COP，如果前者明显小于后者，说明冷机效率低下很可能源于设备自身的原因。例如在 图 3-1 的 J 楼中，通常运行三台冷机，其额定 COP 均为 5.5。但实测发
12、现，即使在满负荷工况下，这三台冷机也达不到额定值，其中最低一台仅为 3.5，最高一台为4.5。22.533.544.550 2 4 6 8 10 12 14 16COP1#冷 机 4#冷 机 9#冷 机图 4-1 三台冷机典型工况 COP 值经诊断，其问题有二。一是设计时冷机选型过大。每台冷机制冷量为 2037kW，而实际上最大冷负荷工况下每台冷机供冷量只需要 1500 kW，低负载率导致了低效率。同样的问题存在于 图 3-1 中的 H，K ，Q 楼。二是冷机性能老化。这些冷机运行了 13 年，其换热效果，密封性等等都已经逐渐退化，特别是其中效率最低的那台冷机，由于负责区域有特殊需要，供冷季几
13、乎全天运行。L 和 P 建筑也存在这样的问题。这两点问题就属于冷机自身参数（如额定制冷量、性能等）与实际需求不匹配。其次，比较冷机 COP 全年累计值与当地建筑节能设计标准。如果一台冷机的全年累计COP 小于对应指标，说明该冷站的运行管理可能存在问题。例如在北京某国家机关办公楼及其附属医院的冷站中，共有 3 台额定制冷量为 500 冷吨的离心式冷机和 1 台额定制冷量为 100 冷吨的螺杆式冷机。目前的运行策略为工作日开两台离心机。大部分时间这两台冷机处于 50左右的负载率，COP 值偏低（ 图 4-2） 。同时螺杆式冷水机组长期处于搁置状态，只有某些夜间会用于部分区域供冷。7月 12日 逐
14、时 2 机 制 冷 量 负 载 率 与 COP00.10.20.30.40.50.60.79:00 10:00 11:00 11:40 12:40 14:40 16:00时 间负载率12345COP负 载 率 COP7月 12日 逐 时 3#冷 机 制 冷 量 负 载 率 与 COP00.10.20.30.40.50.60.79:00 10:00 11:00 11:40 12:40 14:40 16:00时 间负载率12345COP负 载 率 COP图 4-2 典型天冷机 COP 与负载率明显，这样的运行策略是不合理的。经过调研，可以优化运行策略如下：在个别天气热负荷大时，依然使用两台离心式冷
15、机供冷，而其他时间使用一台离心式冷机和一台螺杆式冷机供冷，如此完全可以满足该建筑的供冷要求。这样一方面减少了运行冷机的电功率，另一方面离心式冷机由于工作在满负荷附近，COP 较高（ 图 4-3） 。满 负 载 运 行0%20%40%60%80%10%120%140%1:501:201:5012:012:5013:2013:5014:20负载率 0123456COP负 载 率 COP图 4-3 满负荷附近冷机负载率与 COP此问题还存在于 R 楼中。另外，还有因为冷却塔效率低下造成冷却水回水温度偏高（K 楼） ，冷冻水不适当旁通（ L,I 楼）等问题，这些都可以通过优化运行管理解决。5 小结结合最大工况下冷机 COP 瞬时值和其全年累计值，可以很好的评价冷机的运行效率，并判断影响其效率的潜在问题。实测 17 座既有大型公建冷机 COP 瞬时值（冷负荷最大工况）在 2.8 到 5.5 之间，平均值为 4.2。大量的诊断经验表明，冷机运行效率偏低的可能原因是多种多样的，但其中一些尤为常见。这些问题可归结为两类：设备自身原因造成冷机偏离最佳工况点，运行管理不佳导致冷机 COP 偏低。对冷机实际运行工况和实际运行 COP 进行研究，了解 COP 的影响因素，对于指导运行控制、系统设计、产品研发等都有非常重要的意义。
