作者：贾晶 杨涌泉 李元旦
简介： 本文提出在冷冻机平均使用寿命中运行电费远大于冷冻机初投资的观点，讨论冷冻机的制冷效率对年运行费用的影响，在简介和初评IPLV、NPLV，分析多台机组并联运行规律和冷冻机部分负荷下运行效率基础上, 提出一种评估冷冻机组常年运行电费的方法，并举例说明高效率的冷冻机节能效果显著。因此在选择冷冻机时，不仅比较冷冻机售价，更应比较冷冻机的制冷效率和运行电费。
关键字：冷冻机 制冷效率 运行电费 部分负荷
关键字：冷冻机 制冷效率 运行电费 部分负荷
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：
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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
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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 | |
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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 |
图1单机负荷与机组负荷对比
上述图表表明：
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）
图2 单机负荷与机组负荷的差异
上述对比图表明：采用2-3台冷冻机的常规项目中，单机在50%负荷以上区间运行的时间百分比超过87.2%
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（见图3）。
图3 冷冻机运行效率比较（冷却水进水温度不变）
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（见图4）。
图4冷冻机运行效率比较（冷却水进水温度变化）
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。
6 结论：
1) 在冷冻机的选择中，应兼顾冷冻机的初投资和运行效率。因为在对冷冻机的所有投资中，初投资仅占8.3%，运行电费占91.4%。高效率的冷冻机在平均寿命25年中节省的电费可能与冷冻机的初投资相当。
2) 评估冷冻机组的运行电费，不能仅用冷冻机单机的满负荷效率FLV和NPLV二个指标，应根据机组台数、空调系统负荷一年四季变化情况，掌握冷冻机组及单机的运行规律，力求评估结果与实际情况相符。
参考文献:
1.William Landman, Brenda Bradley Trane Engineers Newsletter 1996,Vol. 25 No5,
2.ARI STANDARD 550/590-1998
作者简介：
贾晶,男,1966年12月生,高工,地址:上海市西藏中路268号来福士广场10楼,邮编:200001, 电话(021)5359 9566,传真: (021)6352 9909, E-mail:jjjia@trane.com
