空调系统中制冷机的选择与节能

    一、制冷系统的耗能现状
　　随着经济的快速发展与人民生活水平的不断提高，能源的供给必有大幅度增加。但由于我国目前的能源利用率较低，造成能源的极大浪费。我国决心在“十一五”期间使单位国内生产总值能耗降低2O%左右，这相当于共节约2.4亿吨标准煤。据有关方面估算，如果将2O%的节能降耗目标具体分解到每年，“十一五”期间中国的年节能率要达到4.4%.这体现了建设资源节约型社会的要求，是现实和长远利益的需要。
　　空调系统是能耗大户。建筑直接耗能占社会总耗能的15%～2O%，采暖与空调能耗占建筑总能耗的3O%～5O%，如果不采用节能措施，必将给供电系统造成很大的压力，也会对我国经济的发展产生不利的影响。制冷与空调设备的节能，对于我国经济与社会发展具有极其重要的意义。对于空调系统而言，从设计、安装、调试、运行到管理每个环节都对系统的节能性有着重要的影响，其中制冷机的选择对于空调系统的耗能大小起着决定性的影响。
　　二、制冷机选择与节能
　　2.1、常用制冷压缩机种类、特点与应用
　　在工程实际中，常用的制冷压缩机有活塞式、离心式、螺杆式、涡旋式四种类型。在各类制冷压缩机的应用范围和冷量范围。活塞式制冷压缩机是使用历史最长的压缩机，我国的生产、制造的技术很成熟，运行管理经验也很丰富，造价较低廉，应用普遍，突出的缺点是热效率相对较低。其目前用于工程的单机制冷量在5.8～1745KW、之间。
　　螺杆式压缩机与活塞式制冷压缩机相比，具有易损件少、体积小、重量轻、单机压缩比大、对湿行程不敏感、振动小、热效率较高等许多优点，而且制冷量可在1O%～100%的范围内无级调节。较突出的缺点是噪音较大，耗油量大，价格相对较昂贵。其制冷量主要在150～1500KW、范围内。
　　离心式压缩机与活塞式压缩机相比，具有转速高、制冷量大、易损件少、维护简单、连续工作时间长、振动小、对基础要求低、润滑油和制冷剂基本不接触等优点，通常可在3O%～100%范围内无级调节。其主要缺点是单机制冷量不宜太小，一般用于350KW、以上的场合，在1500KW、以上的大冷量场合有着不可比拟的优势。
　　涡旋式压缩机属于新型的压缩机，其结构简单、动力平衡性能好、没有吸气阀片、易损件少、容积效率最高、转速变化范围很大，价格相对较高，目前主要应用在5～70KW、的中等冷量范围内。
　　2.2、制冷机类型的选择与节能
　　选择制冷机时应从温度范围、制冷量、一次性投资、运行管理费用、安全与环保等几个方面进行考虑。
　　不同工况的压缩机，其性能和可靠性有很大的差别。在选择压缩机时要根据工程实际的温度需要选取合适的压缩机。我国新的压缩机名义工况标准（GB10871—89等）中将旧国标中规定的各种形式压缩机的名义工况由原来的标准工况和低温工况两种改为高温工况、中温工况和低温工况三种。例如从表1、表2所示。各生产厂家在标注自己产品时可能会有差别。如果选择的压缩机和工程实际的工况条件不符合，则势必造成制冷系统的使用经济性下降、能耗增加、效率下降，压缩机运转的可靠性降低，甚至发生危险。设计人员在选择压缩机时应严格核对相关参数，严格控制压缩机的使用工况不能超出极限条件。
　　由于各种类型压缩机性能特点的差异，制冷机在实际的应用中有着不同的应用范围。有关文献介绍：当冷量大于580KW、时，选择离心式制冷机比选择其它制冷机具有相对较低的成本费用和更高的可靠性；而当冷量在350KW~1500KW、时，螺杆式压缩机比离心式压缩机具有更好的部分负荷调节性能，部分符合时其效率比离心式压缩机高8%～1O%；冷量小于750KW、时，螺杆式压缩机比往复式压缩机具有更高的可靠性和效率、易于维护保养。从节能角度出发，设计人员在选择制冷机时应根据各种类型压缩机的性能特点和应用范围、工程实际的冷量负荷、工程实际对部分符合调节的要求等选择合适的制冷机。
　　选择制冷机时应该注意，在冷量相同情况下，机种不同其一次性投资会有很大差别，运行管理费用也不同。在介绍了空调用制冷机不同选型时的相对价格和运行管理费用的对比值，如表3.在2002年对空调用不同类型制冷机运行费用进行详细比较，如表4.制冷机的运行时间越长，各种类型制冷机运行管理费用的差别越大，运行管理费用在设计选型中的地位越重要。如螺杆式制冷机安全可靠、维修周期长，在运行时不需要运行管理人员长时间的操作管理，其相对增加的一次性投资完全可以从运行管理费用等方面得到补偿。根据制冷设计规范“当有压力不低于30kPa（0.3kgf/c㎡）的蒸汽或温度不低于8O℃的热水等适宜的热源可资利用，且制冷量大于或等于350KW（30×104kcal/h），所需冷水温度不低于5℃时，就采用溴化锂吸收式制冷。”溴化锂吸收式冷水机组设置在没有低品位蒸汽或热水的环境即没有低品位热源可以利用时，其性能系数一般为1.5～1.7，而螺杆式制冷机组性能系数达4.5～5.0，离心式制冷冷机组性能系数达到5.0以上，活塞式制冷机组达4.0.目前工业电价0.95元/（KW、·h），燃料价格呈上涨趋势，轻柴油平均4元/kg.按当前电价和燃料价格计算，溴化锂吸收式冷水机组运行费用比活塞式、离心式、螺杆式冷水机组都高。选型时应综合考虑一次性投资和运行管理费用，同时应注意当地电价、燃料价格和其他因素。
　　制冷机选型时还应注意振动、噪声、安全与环保等问题。现在国家政策对于环保的问题越来越重视，制冷机运行时的噪声等环保项目不应超过相应规定，否则会受到相关的经济制裁。
　　2.3、制冷压缩机台数、容量的选择与节能
　　制冷压缩机台数和容量的选择，关系到制冷系统的运行管理费用的大小，这主要体现在部分负荷能量调节时的费用和制冷压缩机的损耗上。制冷压缩机的台数和容量应尽量少，以简化系统和便于管理操作；应便于能量调节、单机负载率尽量高以利节能；应根据工程实际确定是否设置备用压缩机。
　　压缩机的输气量调节中，气体的压缩功随着输气量的减小而减少，螺杆式压缩机几乎是成正比例减少，但压缩机的机械损耗维持不变。因此，同样容量的系统，采用多机并联代替单台压缩机在部分负荷时可节省功率，特别是冷量较大的系统。对同一系统中采用单机和四机并联的耗能进行了比较。四机并联系统在部分负荷75%、5O%、25%时分别停开l、2、3台压缩机，其余压缩全负荷工作。从比较数据看，负荷越小，系统的节能率越高；当部分负荷为25%时，四机并联系统比单机系统节能42%.从表5中数据看出，在部分负荷时，四机并联系统节能是相当可观的。
　　离心式压缩机由于具有“喘振”和“堵塞”工况点，其高效工作范围在4O%～100%之间，在选择确定压缩机容量和台数时应尽可能选用单机制冷量大的制冷机组，减少所用的台数。
　　多机并联系统的另一种压缩机选择方式是将大冷量的压缩机和相对小冷量压缩机并联。全负荷时，大冷量和小冷量压缩机全部投入工作；部分负荷时，可停一台或数台大冷量压缩机，使各运行压缩机满负荷工作，同时让运行压缩机冷量总和与部分负荷相适应。
　　多机并联系统有着很大的节能潜力，但是多机并联系统也有不利的方面。多机并联系统采用多台压缩机，则系统一次性投资将增大；压缩机的容量减少，其效率通常会有所降低，系统对每台压缩机的质量要求也提高了；多台压缩机占用的空间也增大。所以，在工程实际中选择压缩机台数和容量时应根据用户实际情况进行具体分析后决定。
　　2.4、压缩机能量调节方式的选择与节能
　　压缩机能量调节的最终目的是使压缩机的产冷量与外界热负荷相平衡，能量调节方式的选择决定了压缩机部分负荷时能量调节的经济性。
　　不同的压缩机有不同的能量调节方式。
　　工程实际中活塞式压缩机常用的能量调节方式有：顶开吸气阀片调节、旁通调节、多机并联调节、间隙运行调节等几种方式。活塞式压缩机的能量调节方式多为有级调节，如8缸压缩机可有1/4、1/2、3/4、1四档运行；能量调节时活塞和连杆等零部件仍然在运动，机械摩擦仍存在，压缩机能耗减小不多；间隙运行使压缩机频繁启动，对电网和压缩机都不利。总的来说，活塞式压缩机在部分负荷时能量调节经济性都不高，可根据实际情况选择合适方式。螺杆式压缩机多采用滑阀调节能量、滑阀调节可以在1O%～100%范围内连续无级地进行，在部分负荷为4O以上、内容积比较小时，功率和制冷量的几乎是成正比的，在部分负荷4O%以下、内容积比较大时，效率降低较多。国内一些厂家研发的内容积比调节机构可以在2.6～5范围内连续地进行调节，能够很好地配合滑阀进行能量调节。螺杆式压缩机优良的能量调节性能使得它能在较恶劣的，冷量变化较大的中、大冷量场合使用。
　　离心式压缩机常用的能量调节方法有：变转速调节、进口节流调节、进口导叶调节、旁通调节、冷凝器冷却水量调节等。变转速调节、进口导叶调节这两种方式经济性较好，在设计中应优先考虑使用。例如有关文献提到：“美国YORK、Codeoak系列离心式冷水机组，采用‘Turbo变速调节器’变频调速调节，比定转速的冷水机组每年节电3O%.”而其他调节方式适合用于短时间运行调节用。刮片式和涡旋式压缩机作为中等冷量场合使用的压缩机，其能量调节方式主要有间隙运行、多机并联、旁通调节、变频调节等方式。随着变频技术和压缩机相关技术难题的攻破，变频调节方式应用越来越广泛。文献[1]的分析表明，刮片式和涡旋式压缩机属于旋转式压缩机，适合采用变频调节方式调节能量；而在100Hz内，无论从容积效率、等熵效率还是振动和噪声进行比较，涡旋式压缩机的变频调节性能比刮片式、活塞式压缩机优越；其中等熵效率比刮片式、活塞式高出8个百分点以上。在资金和技术条件允许的条件下，应尽量采用变频调节的方式，可以使压缩机的部分负荷仍具有较高的容积效率，使制冷系统具有较高的经济性。
　　2.5、尽量选择制冷机组
　　确定了压缩机的种类、容量和台数后，应尽量选用制冷机组，如压缩冷凝机组、冷水机组、盐水机组、单机双级机组、氨泵机组等。制冷机组是经过厂商全面论证和试验的，匹配合理、能效比高、耗电量少；如螺杆式、离心式冷水机组能效比一般都在4.5～5.8之间。选用机组可减少了设计和安装环节，工程的质量得到较好的保证。
　　三、结束语
　　在空调系统的运行节能中，制冷机的选择是决定性因素。在选择制冷机组时，应在熟悉各种类型压缩机运行和调节特性的基础上，根据工程实际工况、资金、技术条件和安全环保等实际情况确定选择方案，进行经济性分析，然后确定合适的制冷压缩机或制冷机组。经过论证比较后，设计的空调系统才能达到节能的目的。