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冷冻机的制冷效率与运行电费
冷冻机的制冷效率与运行电费
来源:中制冷设备网    2009-9-9
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1、 关注冷冻机的运行费用和制冷效率
       在销售和购买冷冻机的过程中,商家和用户十分重视比较冷冻机的价格(初投资),却忽略冷冻机的运行费用巨大这一事实:以冷冻机的平均寿命25年计,在对冷冻机的所有投资中,初投资约占8.3%,运行费用约占91.4%,制冷剂添加费约占0.3%,故我们更应关注冷冻机的运行效率。比如若选用高效的水冷机组,其在25年平均寿命中节省的运行电费(与一般效率同类机组比较)可能接近机组初投资,相当于白送百万元的冷冻机。果真如此吗?

      分析冷冻机的运行费用需了解冷冻机的运行规律和制冷效率。由于以空调系统满负荷为前提来选择冷冻机的容量,而冷冻机绝大部份时间在部分负荷下运行,因此评价冷冻机的制冷效率不能仅参考冷冻机满负荷下的制冷效率,还需要比较冷冻机在部分负荷工况下的制冷效率。目前常用的二个指标有IPLV和NPLV。

2 、IPLV,NPLV的定义及由来
IPLV(ARI标准工况下综合部分负荷效率)与NPLV(非ARI标准工况下综合部分负荷效率)是ARI(美国空调制冷学会)运用概率统计的方法,借助于大型计算机,对全美有代表性的29个城市的气象数据、各类建筑物冷负荷、冷冻机的不同运行时间,进行综合分析和加权平均处理,得出冷冻机的运行时间百分比与冷冻机的负荷之间的关系,共有四种模式(见ARI550/590-98标准,白皮书)。ARI根据此四种模式制定一个针对冷冻机产品单机性能的评价标准,即单机IPLV或NPLV方程(综合模式):

IPLV=1/(0.01/A 0.42/B 0.45/C 0.12/D) 其中:

冷冻机效率

对应负荷
 冷却水进水温度

对应冷冻机负荷
 冷冻机负荷
 运行时间百分比

对应冷冻机负荷
 
A
 85F / 29.4ºC
 100%
 0.01
 
B
 75F / 23.8ºC
 75%
 0.42
 
C
 65F / 18.3ºC
 50%
 0.45
 
D
 65F / 18.3ºC
 25%
 0.12
 


NPLV公式与IPLV公式一样,仅NPLV公式中冷却水最高进水温度为实际应用中任一温度,并且冷冻机100%与50%负荷(对应冷却水65F进水温度)之间, 冷冻机负荷与冷却水进水温度呈线性关系;冷冻机50%与0负荷之间, 冷却水进水温度恒为65F。

上述NPLV、IPLV公式说明:ARI定义当冷却水进水温度低于65F时,冷冻机不开;即通过大量低温室外新风带走空调系统冷负荷,或使用热交换器代替冷冻机。

根据上述介绍,我们看出NPLV、IPLV公式不能直接应用到我国空调系统中评价冷冻机效率。原因如下:

1) 美国气象数据不能代表我国特定工程所在地区的气象

2) 建筑物类型及冷负荷的来源因工程而异

3) 冷冻机的运行时间差异较大

4) 当冷却水进水温度低于65F时,某些工程仍需开冷冻机

5) 实际工程中绝大多数(85%以上)多台机组并联运行,与ARI假设单台机组承担空调系统负荷情况大相径庭。

上述差异均导致NPLV、IPLV公式中与冷冻机负荷相对应的冷冻机行时间百分比不同,尤其是第5条的影响。因此有必要讨论多台机组并联运行规律。

3 多台制冷机组并联运行规律分析
请看不同组合的多台机组运行时,单机负荷与机组负荷(空调系统负荷)的关系。(见表1、图1)

表1 单机负荷与机组负荷对比 总负荷
 1200 ton
 0
 200
 300
 400
 600
 800
 900
 1200
 
方案1
 1200 ton
 0
 200
 300
 400
 600
 800
 900
 1200
 
600 ton
 0
 200
 300
 400
 600
 400
 450
 600
 
方案2
 600 ton
 0
 0
 0
 0
 0
 400
 450
 600
 
400 ton
 0
 200
 300
 400
 0
 0
 300
 400
 
方案3
 800 ton
 0
 0
 0
 0
 600
 800
 600
 800
 
400 ton
 0
 200
 300
 400
 300
 400
 300
 400
 
方案4
 400 ton
 0
 0
 0
 0
 300
 400
 300
 400
 
400 ton
 0
 0
 0
 0
 0
 0
 300
 400
 

1) 采用多台冷冻机的项目,单机在高负荷区( 100%-75%)运行的时间百分比随台数增加而急增,远超过用一台冷冻机提供全额冷负荷的情况。

2) 制冷量均等的单机负荷与机组负荷(空调系统负荷)关系如下:

Y=N/j *X ( j=1,2, ..N) ;( j-1/N< X < j/N )

Y — 单机负荷;X— 机组负荷;N— 单机数量

3) 单机制冷量以1,2,4 .., 2N 倍分配而产生的组合,其单机在高负荷区间运行的时间百分比最大

4) 在实际运行中,冷冻机单机制冷量差别小于3倍且多台单机制冷量相同。因为考虑到冷冻机单机制冷量范围的限制和冷冻机互换、备用,不同制冷量冷冻机的成本、占地面积。

5) ARI推出的适用于单一机组制冷的NPLV、IPLV公式推广到多台机组制冷时,式中A、B、C、D的权重(运行时间百分比)将向高负荷区偏移,偏移程度与冷冻机台数、单机制冷量分配有关。(见图2)


上海某项目使用三台冷冻机(一台300 ton,二台600ton),单机累计运行16734小时,其中在50%负荷以上区间运行的时间为15395小时,时间百分比为92%

上述对多台机组运行规律的分析表明:只需要比较各品牌冷冻机在50%负荷以上时的效率,就能评估冷冻机在不同空调系统中的节能效果。


4 制冷机组部分负荷下运行效率的分析比较
比较冷冻机在部分负荷下运行效率时,有下列有趣现象:

1) 冷却水进水温度不变时,负荷越高,冷冻机运行效率越高,在100%附近时冷冻机运行效率最高)。

这就是用多台机组代替单一机组运行时可节能的原因:因为在同一时刻,冷却水进水温度对于任一台机组相同,多台机组中的单机负荷大于单一机组运行负荷,故单机的运行效率高,节能。

2)冷却水进水温度与空调系统负荷同步变化时(受太阳得热影响),冷冻机运行效率在65%-75%区间内效率最高。

这是因为在冷冻水温度不变情况下,冷却水进水温度降低后,减小了冷凝器与蒸发器中制冷剂的压差,冷冻机运行效率提高,相当于增加了散热面积。

3) 与多台机组代替单一机组运行的节能措施相比,冷却水进水温度降低对冷冻机运行效率提高影响较大。在实际工程中,冷却水进水温度与空调系统负荷变化趋势相同。

4) 空调系统负荷变化大时,通过加减冷冻机来节能。客观上冷却水进水温度降低对冷冻机运行效率提高有利,主观上提高冷冻水出水温度,也可提高冷冻机运行效率(空调系统负荷减小,允许提高冷冻水出水温度)。但是物极必反,冷却水进水温度与冷冻水出水温度温差减小过度,对离心机而言会发生喘振。

5 冷冻机寿命周期内的运行费用分析比较
了解了冷冻机组(含多台)的运行规律和部分负荷下运行效率,我们可以抓住本质,比较不同品牌冷冻机在正常寿命中的运行费用。

虽然特定工程所处的地理环境不同、建筑物类型不同、冷负荷来源不同、冷冻机的台数和运行时间不同,[
但是我们可以通过类比方法,比较典型工况下不同品牌冷冻机的运行效率,结合全年冷冻机运行时间表,以冷冻机运行效率的综合指标,综合考虑不同品牌冷冻机的运行效率差异的最大值和最小值,就可以比较不同品牌冷冻机全年的运行费用,并推算出冷冻机在正常寿命中的运行费用差异,以协助我们合理选择冷冻机。

以四台650冷吨的冷冻机为例,评价四台冷冻机运行效率的综合指标PLV4应介于单机满负荷效率FLV与NPLV之间,因为四台冷冻机在一年四季中既不是全部满负荷运行,也与一台冷冻机承担空调系统负荷的情况区别较大。用公式表示:PLV4=A*FLV (1-A)*NPLV,取A=0.5, 权系数A范围(0<A<1)

比较两种效率的制冷机组(根据样本)的性能参数如下:

二种效率的冷冻机
 满负荷效率FLV
 单机NPLV效率
 综合指标PLV4效率

(A=0.5)
 
650冷吨(TON)
 KW/TON
 KW/TON
 KW/TON
 
高效机组
 0.604
 0.517
 0.5605
 
普通机组
 0.657
 0.592
 0.6245
 
冷冻机性能差别
 0.053
 0.075
 0.0640
 


根据上表计算冷冻机在正常寿命中的运行电费及其差异如下:

1) 机组使用寿命中的运行电费=机组寿命×电费×全年机组能耗

2) 全年机组能耗=全年机组运行时间×机组总冷吨×综合指标PLV4

二种效率冷冻机

寿命中运行电费

(四台650冷吨)
 机组电费(元)

PLV4适中

(A=0.5)
 机组电费(元)

PLV4=FLV

(A=1)
 机组电费(元)

PLV4=NPLV

(A=0)
 
高效机组
 51,151,230
 55,121,040
 47,181,420
 
普通机组
 56,991,870
 59,957,820
 54,025,920
 
制冷机组运行电费差别
 5,840,640
 4,836,780
 6,844,500
 


全年机组运行时间=6个月×30天/月×12小时/天=2160 小时

机组总冷吨=4台×650TON/台=2600 TON

全年机组能耗=2160小时×2600 TON×PLV4(KW/TON)

机组寿命=25年;电费=0.65元/度;

四台650冷吨冷冻机的进口设备价约为54万美元,与约5100-5700万元(人民币)冷冻机寿命周期运行电费相比,占冷冻机全部投资费用的9%。而二种效率冷冻机的电费差价约为584万元(人民币),介于483-684万元(人民币)之间。故采用高效制冷机组,在运行寿命周期内可节省约500多万元电费,可以回收54万美元的冷冻机采购费。相当于白送百万元的冷冻机,这正是冷冻机高效率的体现。
 

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