空调制冷机组的选择与分析.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 精品文档空调制冷机组的选择与分析 【摘要】本文着重分析了负荷变化特点及制冷机组在部分负荷下的运行情况，提出了以这两者为首要考虑点进行机组选型 的思路。【关键词】负荷变化部分负荷机组选型SELECTION AND ANALYSIS OF AIR-CONDITIONINGREFRIGERATING UNIT【Abstract】 This article focuses on the feature of load variation and the state of refrigeration unit when runs under part - load condition, and gives a way to the selection of refrigerating unit, in which the two formers are thought as the most important factors. 【Keywords 】load variation part - load selection of refrigerating unit一、存在的问题及分析目前在国内的空调设计中，对于制冷机组容量的 确定、台数的配备和机型的选择，往往只根据经验，结 果造成设备初投资大量增加，并引起电气、土建和建 筑等方面的造价相应上升;装机容量远远超过实际需 要（有的甚至超过50%以上），部分制冷设备长年闲 置，制冷机组运行效率低，费用高，事故出现频繁。产生这种现象的原因是多方面的。其中一个很 主要的原因就是设计者没有充分把握负荷变化的规 律,一味的将最大负荷值作为机组选型时唯一考虑的 因素，而忽视了负荷在不同时间、不同场合的变化规 律。从各方面的统计资料来看，在我国。一般空调供 冷期中出现最大负荷的时间很少，大概只占全年运行 时间的百分之几，制冷机组绝大部分的时间都芏作在 部分负荷工况下。图1是北京地区旅馆类建筑的空调冷负荷时间 频数曲线。该图以全年最大冷负荷的5%为跨度分 成20个负荷区间，分别统计出冷负荷在各区间出现 的小时数，以及各负荷区间时数占全年总时数的比 例。从图中可以看出，在绝大多数供冷时间内，机组 所需提供的冷量远小于其最大设计冷量。80%以上 的时间内，供冷量在最大冷量的50%以下;而供冷量 超过最大冷量70%的时间仅占5%左右，可见高负荷 出现的时间非常少。并且，在对供冷季节各个月的空调冷负荷累积值进行计算和分析后发现，即使在峰值 负荷最高、运行时数仍然占有相当的比例。时 l.uj ( % )设计者除了需要充分把握住负荷变化的规律外， 还需要熟悉各种制冷机组的特点、适用范围，特别是 机组在部分负荷下的运行情况。因为只有将这两个 条件结合起来，综合考虑，才有可能得到满意的设计。常用的制冷机组按压缩机可分为活塞式、螺杆式 和离心式等。1. 活塞式制冷机组活塞式属于中小冷量制冷机组，它造价低廉、体 积小、效率也较高，所以仍被广泛用于家用冷藏、住宅 空调、汽车空调以及小型商用空调等领域。但随着其 它新机种（特别是螺杆式）的不断开发及效率的提高，活塞式固有的缺陷，比如冷量小、结构复杂、易损 件多、对湿行程敏感、负荷调节性能差（只能依靠增 减气缸数进行有限级数调节）等等，都使得其使用范 围日益缩小，目前活塞式制冷机组的单机容量使用范 围一般在lW 200kW之间。2. 螺杆式制冷机组螺杆式属于中等冷量制冷机组，按其转子数量的 不同，有单螺杆和双螺杆机组之分。近年来随着螺杆 新齿形的开发、加工精度的提高、高精度滚动轴承的 应用、合成冷冻油的使用、经济器系统和内容积比自 动调节技术的应用，都使得螺杆制冷机组在能耗持续 下降的同时;运行效率大大提高，机组的COP值已经 接近离心式制冷机组的水平。再加上其原有的结构 简单、零部件少、抗液击能力强、运行平、能量可以无 级调节、部分负荷时的能量损失比离心式少等优势， 使得螺杆机组的应用范围逐渐扩大，现在正以中等冷 量为基础，向大、小冷量两个方向同时延伸，并大有取 代活塞式制冷机组的趋势。目前螺杆式制冷机组一 般在单机容量为150kW 1400kW的场合中使用。图2是螺杆式压缩机容积（即排气量）与负荷的关系图。可以看到，当调节压缩机制冷量的滑阀刚刚 从全负荷开始调节时，由于旁通口的阻力，实际容积 (虚线）不会像理论容积（实线）那样从100%突然到 80%，而是连续变化的。而在滑阀滑动到负荷率接近 %的极限位置时,排气腔就会与工作容积连通，会造 成排气腔内的高压气体倒流入工作容积内，所以为防 止这种情况的发生，一般只允许滑阀移动到负荷 10%的位置。因此，螺杆式压缩机通常就在10% 100%之间进行冷量无级调节。但是，在冷量调节的 同时，功耗并不与负荷变化成正比，图3是螺杆式压 缩机功耗与负荷的变化关系图，可以看到，两者随着 蒸发温度的不同有着不同的关系曲线（图中的点划 红是理想的正比线）。蒸发温度越低、压缩比越高， 则功耗与负荷越不成正比；只有在蒸发温度较高、压 缩比较低时，两者才接近于正比关系。并且，在负荷 率为50%的时候，各个蒸发温度的功耗-负荷变化 曲线都已经偏离理想正比线较多，因此，若从运行的 经济性考虑，一般让螺杆式制冷机组在50%负荷以 上运行为宜，在50%以下的低负荷运行是很不经济 的。另外，螺杆式制冷压缩机在运行中会因为内外压 比不等产生欠压缩和过压缩的情况，两种情况都会产 生额外功耗。针对这种情况，目前开发出了内容积比 可调机构，使得内外压比能够趋于一致，减小了功耗， 提高了螺杆机运行的经济性，并在一定程度上满足了 用户对变工况的要求。3. 离心式制冷机组离心式属于中大冷量制冷机组，它制冷量大、机 械磨损小、易损件少、运行平稳、容易实现多级压缩和 多种蒸发温度、制冷量可以进行无级调节，特别是在 变频技术发展遍来后，再结合进口导叶调节等手段， 可以使机组的调节范围变宽，并在部分负荷运行时仍 可保持高效率。离心式机组的主要缺点就是工况不 能有大的变化，且适应范围狭小;在低负荷率时容易 发生喘振，因此离心式机组一般只在30% 100%负 荷之间进行无级调节（严格地说负荷下限的确定与 电机转数有关）。目前离心式制冷机组压缩比在2 30之间，主要用在单机容量超过350kW的场合。由于最常用的是固定转速的电动机，因此离心式 制冷压缩机在部分负荷时大多采用进口导叶调节、进 气调节、旁通调节等手段。其中进气调节和旁通调节 的经济性较差，前者常用在冷量变化不大的场合，而 后者作为工作点进入喘振区后的调节手段往往和其 它调节方法配合使用。进口导叶调节方法结构简单， 经济性相对前两者较好，因而在固定转速的空调离心 机中采用最多。当导叶全部打开时为满负荷;而在 导叶全部关闭时，负荷约为满负荷的10%。图4是 进口导叶变化时压缩机的性能曲线图。从图中可以 清晰地看出，当机组运行在喘振包络线右侧的正常工 作区时，随着系统性能曲线的变化（BCDE)， 压缩机可以通过进口导叶来随时调节适应，但显然这 是以牺牲一些运行效率为代价的。而当机组性能曲 线进人喘振区后（EFG)，单靠调节进口导叶已 经无能为力，这时就需要用旁通调节的方法来适应工 况了。但是，进口导叶调节效率不很高，调节范围也有 限，难以得到较好的部分负荷性能，因此现在已有离 心式机组采用变频驱动装置（VSD)，可以使电机实现 无级变速，从而改变压缩机的转速来适应负荷变化， 大大降低了输人功率，提高了离心压缩机的效率，因 而采用变频装置的离心式机组特别适用于长期处于 低负荷运行或负荷变化剧烈的场合。离心式制冷机组采用变频调节与进口导叶调节 相结合的方式能够实现良好的部分负荷特性。如在 图4的压缩机上添加变频装置，则可以得到同点压缩 机的变频性能曲线图，如图5所示。可以看到，在部 分负荷时，压缩机通过变频实现电机转速的无级调节 (图中用马赫数Ma表示），使得喘振包络线右边的各 个工作点都能保持很高的运行效率，特别地如果压力 变化配合转速的话，从30%负荷到满负荷几乎都能 实现最高运行效率。而当系统性能曲线出了喘振包 络线后（DEFG)，就必须结合进口导叶调节才 能扩大机组稳定运行的范围，提高运行效率，并同时 避免喘振的发生。_丨一 mmw Wa相量a量(H)图5变频压缩机性能图图6所示的就是它们两者结合的控制运行方式 图：当机组检测到其运行工况在区域1时，就自动全 部打开进口导叶，只依靠到运行在区域2时，就自动 将电动机转速调至最低，只依靠进口导叶调节来满足 需要；当检测到运行在区域3时，则会同时调节电动 机转速与进口导叶开度，以达到最佳运行效率。这 样，通过上述三个区域不同的组合调节方法，既增大 了机组的正常运行范围，减小了喘振区，又提高了机 组在各个工况点的运行效率，节省了大量的运行费用 (一般可节省30%左右）。离心式变频机组经过三代 的发展，机组本身与变频装置的价格比由最初的1: 1,到1 :_ 5，再到现在的0_ 2 0_ 25;体积比由最初的 1:1到现在变频装置可作为一只小箱子放在机组上, 技术越来越成熟，性价比也越来越高，可以预计变频 式离心机组会为越来越多的用户所采用。不过变频 技术也存在缺陷，就是变频过程中会对外产生幅射, 从而可能会对处于附近的的人体产生不良影响，西方 发达国家已经开展了研究工作,对此我国也应加以必 要的关注和研究。二、空调制冷机组选配原则和方法在了解全年负荷变化规律和常用制冷机组的特 性后，就可以进行机组选型了。选型一般包括制冷机 组总容量的确定，机组类型的确定，机组性能与品牌 比较，台数及单台容量的确定等步骤。其中的每个步 骤，又都综合考虑了初投资、运行维护、可靠安全等方 面的因素。1. 机组总容量的确定空调制冷机组的总容量应满足空调系统的空调 设计负荷要求。在确定总容量时需考虑机组的实际 运行工况偏离设计运行工况时可能产生的冷量不足， 因此在一般情况下，对机组要求的制冷量应增加5 10%的安全余量。当然，这都是建立在负荷计算基本 正确的基础上。2. 机组类型的确定使用什么类型的制冷机组应由用户和设计者根 据用户的实际情况共同确定，其基本原则是：(1) 在供电可以保证的地区，要优先选用电力直 接驱动的制冷机组，如离心式、螺杆式等（活塞式一 般只在小冷量时才考虑）。因为从经济技术分析来 看，以电力驱动的制冷机组性能要优于以热力驱动的 制冷机组。(2) 如果有条件供给蒸气或热水，则可考虑釆用 蒸气型或热水型溴化锂制冷机组;而如果可以使用诸 如天然气等能源，则直燃型溴化锂制冷机组也是一个 可行的选择。(3) 对于需要同时提供冷、热负荷，或者夏冬季 冷、热负荷相差不是太大的地区，推荐使用热泵性机 组。这样可以省去锅炉设备，节省了初投资和运行费用。(4) 在能解决设备排放和噪声污染问题的前提 下，对于中小型冷量（单机容量1400kW以下），推荐 选用风冷型制冷机组。3. 机组性能的确定与品牌比较在一年绝大部分运行时间里，机组都工作在部 分负荷状态下，因此确定机组部分负荷运行性能是非 常重要的工作，而这实际上是一个综合考虑的过程。 比如对于螺杆机来说，是选择普通的单机头滑阀调 节，还是选择部分负荷效率出色但满负荷效率较低的 多机头柱塞调节，还是选择工况适应力强的内容积比 调节，这就得将机组运行工况、负荷特点、资金实力、 技术可靠度等方面综合起来进行判断，否则容易发生 机组性能同负荷需求差别过大的情况。再如离心机 的变频装置采用与否，也应如此进行考虑。机组所要求的基本性能确定后，就可以考虑其它 的因素了，比如价格、C0P值、IPLV值、运行的安全可 靠程度、使用寿命、易操作性、噪音等方面。而这些因 素其实都是与品牌联系在一起的，同样是用滑阀调节 的螺杆机，不同的品牌之间在一些方面（例如价格、 噪音等）肯定会有差别，这就需要仔细地进行品德比 较，选择最能满足自身要求的品牌机组。4. 台数和单台容量的确定在上述工作基本完成之后，就可以确定机组台数 及单台容量了。关于台数的确定，可参照设计手册的 建议(招标要求除外）：一般不单独设置一台机组，中 小型规模宜选用2台，较大型可选用3台，特大型可 选用4台。民用舒适空调用制冷机组不必另设备用 机组，但机组之间要考虑互为备用和轮换使用的可能 性。同一站房内可采用不同类型、不同容量的机组搭 配的组合式方案，以节约能耗。但以上这些指导原则都必须要结合全年负荷变 化图，因为确定究竟选用几台机组，不光与负荷总量 有关，还与负荷变化规律有关。比如对于图1的负荷 变化图，若采用2台50% +50%机组，则当总负荷在 25%以内时，只能开一台负荷率还不到50%的机组， 而从图上可以看到这段时间恰恰占全年运行时间的 比例又很大，因此无论离心式还是螺杆式机组在如此 低的负荷率下长时间运行都是很不经济的，况且如采 用离心机的话还容易发生喘振。但如果采用的是3 台 20% +45% +45% (离心机组）或 30% +40% + 40% (螺杆机组）组合的机组，则情况要好得多。可 以让那台小容量的机组工作在25%总负荷以内，从 而大大提高了运行效率。之所以有两套方案是考虑 到离心机的喘振点一般在负荷率20% 30%左右， 而螺杆机的负荷率下限一般为10%，因此机组容量 分别选择为总负荷的20%和30%，使它们在处于最 低负荷率的