大型公共建筑節(jié)能的最主要任務(wù)是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能，冷水機組作為空調(diào)系統(tǒng)的最主要用能部分，對其進行節(jié)能診斷的意義不言而喻。表1給出了筆者實測的幾棟建筑的冷水機組能耗情況。

表1 冷水機組能耗典型數(shù)據(jù)

冷水機組的節(jié)能診斷問題，實際上就是對冷水機組的運行性能進行科學(xué)評價的問題。有了科學(xué)的評價，分析清楚影響冷水機組性能的各種因素，自然就能提出科學(xué)的節(jié)能診斷意見。

對冷水機組的實際性能進行評價的傳統(tǒng)方法（目前普遍采用的方法）是使用COP這個性能指標(biāo)。COP是指冷量與電耗的比值，其值越高說明冷水機組運行的經(jīng)濟性越好（越節(jié)能），反之就越差。顯然，COP很直觀地反映了冷水機組的整體運行性能。但是這種評價方法卻抹殺了不同因素的影響。舉例說：要比較分別位于北京和深圳的兩臺冷水機組的運行性能，它們的負荷率基本相同，經(jīng)測定位于北京的冷水機組COP值要明顯高于位于深圳的冷水機組，但是我們卻不能由此推斷北京的這臺冷水機組比深圳的更節(jié)能，因為我們無法知道北京的這臺冷水機組的COP值高是因為氣候，還是因為冷水機組本身的性能好。如果僅僅是因為北京的室外濕球溫度低于深圳，而使得冷水機組的COP高于深圳，就不能認為北京的這臺冷水機組更節(jié)能。

不僅如此，傳統(tǒng)的COP方法在描述冷水機組性能方面也有其不足。為了進行節(jié)能分析計算，需要對冷水機組的性能進行數(shù)學(xué)描述，目前普遍采用的方法是將COP擬合成負荷率的函數(shù)。這樣實際上是認為冷水機組的COP只與負荷率有關(guān)，而與冷水機組所處的運行條件無關(guān)，比如冷水溫度、冷卻水溫度等。這顯然是不科學(xué)的。我們知道，冷水溫度和冷卻水溫度的高低直接決定了蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的高低，而這兩個溫度的高低又影響著制冷效率，即冷水機組COP。因此，有必要尋求一種更科學(xué)的描述方法，這也是本文的一個重要目的所在。

在引言中筆者指出了COP用于節(jié)能診斷的兩點不足，造成這兩點不足的根本原因是沒有區(qū)別影響冷水機組實際運行性能的各種因素，將它們混淆在一起。因此，要想提出更科學(xué)、合理的方法就應(yīng)首先對各種影響因素進行合理的梳理和分類。

冷水機組的運行性能不但受自身因素的影響，還受其所處的運行條件的影響，因此在對各種影響因素進行分類的時候，可以先分成兩大類，即內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素反映的是冷水機組的型式、制造水平、壓縮機的匹配、制冷劑的種類以及充裝量等；外部因素則是指冷水溫度、冷卻水溫度等影響蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的因素。具體的分類如圖1所示。

圖1 冷水機組運行性能影響因素分類樹

圖1實際上也給出了對冷水機組進行節(jié)能診斷的指標(biāo)體系，即在診斷時不能僅考慮COP，還要結(jié)合內(nèi)部因素和外部因素來分析。同樣在考察外部因素時也要結(jié)合蒸發(fā)溫度和冷凝溫度兩方面來考慮，如此逐層類推。只有這樣，才能對冷水機組的實際運行性能作出客觀評價，才能對圖1分類樹中的各個節(jié)點是否存在問題作出正確判斷，從而指導(dǎo)節(jié)能實踐。

需要指出的是，圖1中沒有將負荷率對冷水機組性能的影響歸入其中，這并不表示負荷率對冷水機組性能沒有影響，而是因為負荷率的影響有其綜合性和復(fù)雜性，一般說來它的影響已經(jīng)反映到其他影響因素中去了。比如內(nèi)部因素的各種影響可以通過負荷率綜合地表示出來，在下文中將作詳細說明。

既然要考慮內(nèi)、外部因素的不同影響，自然想到將COP表示成內(nèi)、外兩個效率的積形式，即：

總體效率(COP)一內(nèi)部效率×外部效率   (1)

對于外部效率，它反映的是外部因素的影響，即蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。由此自然會想到用理想效率來表示：

式中ICOP為冷水機組運行外部效率，即理想COP；T_ev為蒸發(fā)溫度，K；T_cd為冷凝溫度，K。

對于內(nèi)部效率DCOP，由式(1)自然想到用實際效率(COP)對理想效率(ICOP)的偏差來表示

DCOP反映的是冷水機組的內(nèi)部特性，與上文提到的冷水機組自身的一些因素有關(guān)，這些因素一般不易用明確的物理量來描述，工程通常的做法是將其表示成負荷率(PLR)的函數(shù)。但是，傳統(tǒng)的方法只是將COP表示成PLR的函數(shù)，這種表示方法并不合適，更為恰當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菍COP表示成PLR的函數(shù)形式：

函數(shù)f的形式一般為多項式，根據(jù)冷水機組型式不同，可取不同的次數(shù)，對離心式冷水機組一般取2次，對于螺桿式冷水機組則可簡單地取為1次（線性函數(shù)）。

下面以表1中的D建筑為例，說明如何應(yīng)用上面的方法進行冷水機組節(jié)能診斷。該建筑冷水機組的裝機情況如表2所示，為簡便起見，在此僅討論其中的5臺大型離心式冷水機組。

表2 建筑D的冷水機組裝機情況

第一步：冷水機組總體效率(COP)診斷

經(jīng)測定，該建筑全年(2006年)的冷水機組電耗約為989萬kWh(此電量僅為大冷水機組電耗，且不計變壓損失)，全年的耗冷量約為4 097萬kWh，全年的綜合COP約為4.34(4 097/989)。

瞬時COP與PLR的散點關(guān)系如圖2所示，數(shù)據(jù)采樣時間為2006年上半年，以1h為步長（下同）。

圖2 COP-PLR散點關(guān)系圖

本工程采用的是水冷式大型高壓離心式冷水機組，COP值一般較高。但從全年綜合COP(4.34)以及全年的瞬時COP分布來看，冷水機組總體效率明顯偏低，故認為有進一步進行診斷的必要。

第二步：內(nèi)部效率(DCOP)診斷

根據(jù)式(2)，(3)很容易求出瞬時DCOP，圖3給出了其與PLR的散點關(guān)系圖。

圖3 DCOP-PLR散點關(guān)系圖

比較圖3與圖2，可以看出兩圖的最大不同之處是散點圖形狀，圖3呈現(xiàn)出的DCOP-PLR關(guān)系是一條單調(diào)升的曲線，而圖2呈現(xiàn)出的COP-PLR關(guān)系是一條凸曲線，在部分負荷下COP值最大。

我們知道，冷水機組群控策略往往是根據(jù)COP-PLR關(guān)系制定，對于本例來說，這樣制定出來的策略必然是想讓冷水機組盡量處于某個部分負荷率下工作。但是圖3的DCOP-PLR關(guān)系告訴我們，冷水機組滿負荷率下的內(nèi)部效率最高，冷水機組的群控策略應(yīng)該是盡量讓冷水機組處于滿負荷率下運行。更進一步地說，圖2揭示的只是一種假象，某個部分負荷下的冷水機組效率最高不是因為冷水機組自身的特性決定的，而是因為在這個部分負荷下冷水機組所處的運行條件好（室外濕球溫度低）。

冷水機組群控策略的目的是盡量讓冷水機組處于最高的效率下運行，但是外部條件（外部效率）往往不是人為可以控制的，更不是群控策略可以做好的，所以冷水機組群控策略的依據(jù)不應(yīng)該是COP，而應(yīng)該是根據(jù)冷水機組自身的特性制定，即根據(jù)本文所提出的DCOP來制定。圖4給出了該工程現(xiàn)有策略下的多臺冷水機組作為整體的COP-PLR散點圖，雖然從該圖中可以看出當(dāng)0. 55<PLR<O. 75時，似乎運行2臺冷水機組與運行3臺的效率一樣，即此時無所謂運行2臺或3臺，但是從圖5所示的DCOP-PLR關(guān)系散點圖中可以看出，在此負荷率區(qū)間內(nèi)，3臺冷水機組的內(nèi)部效率明顯低于2臺，即此時應(yīng)該運行2臺冷水機組，而不是運行3臺。同樣當(dāng)0. 25<PLR<O. 35時，也應(yīng)該優(yōu)先運行1臺冷水機組，而不是運行2臺。經(jīng)測算，若按此方法調(diào)整冷水機組群控策略，全年約可節(jié)省電量31萬kWh。

圖4 不同臺數(shù)冷水機組的COP-PLR散點關(guān)系圖

圖5 不同臺數(shù)冷水機組的DCOP-PLR散點關(guān)系圖

作為示例，筆者僅給出了應(yīng)用DCOP進行節(jié)能診斷的一個實例，需要指出的是，DCOP的應(yīng)用絕不僅于此，隨著工程實際經(jīng)驗的積累，會逐漸認識出DCOP的合理性，從而也就能由此判斷冷水機組的一些自身特性是否存在問題，比如冷水機組制造水平如何、壓縮機與實際運行工況是否匹配、制冷劑充裝量是否合適、是否存在內(nèi)部故障等。實際上本工程的最大問題就是壓縮機選型與實際運行工況不匹配，但此問題不具有典型性，限于篇幅，在此不作討論。

第三步：外部效率(ICOP)診斷

外部效率反映的是冷水機組的運行條件，其值越高說明冷水機組所處的運行條件越好。圖6給出了本工程的ICOP-PLR散點關(guān)系圖，圖中散點分布呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢，這實際上反映了氣溫對負荷率的影響。因負荷率隨著室外氣溫的升高而單調(diào)升高，圖中的曲線正好呈單調(diào)形狀，由此可以推測在本工程中影響冷水機組外部效率的主要因素是冷凝溫度，而不是蒸發(fā)溫度。事實上由于本工程的冷水溫度常年設(shè)定為7℃，蒸發(fā)溫度波動小，故冷水機組外部效率的變化主要就是由于冷凝溫度引起。

圖6 ICOP-PLR散點關(guān)系圖

圖7 冷水機組冷卻側(cè)傳熱溫差示意圖

冷凝溫度由冷水機組冷卻側(cè)的換熱過程決定，如圖7所示。熱量從冷水機組到室外依次經(jīng)歷3個過程：冷凝器中制冷劑將冷凝熱傳給冷卻水、冷卻水將熱量從冷水機組搬運至冷卻塔、冷卻塔中冷卻水與室外空氣換熱。相應(yīng)地存在3個換熱溫差：冷凝器換熱溫差(△T₁)、冷卻水供回水溫差(△T₂)、冷卻塔換熱溫差(△T₃)。換熱的極限是室外濕球溫度(T_s)，這樣冷凝溫度就是由室外濕球溫度和以上的3個溫差決定的，即：

    T_cd=T^s+△T₁+△T₂+△T₃   (4)

除非冷卻塔所處的微氣候條件太差，室外濕球溫度只由氣象決定，我們一般無所作為。從節(jié)約冷水機組電耗的角度考慮，節(jié)能診斷的主要目標(biāo)還是要盡量降低△T₁+△T₂+△T₃，下面針對本工程實例分別討論△T₁，△T₂，△T₃。

1)冷凝器換熱溫差(△T₁)

從圖6中可以看出，雖然本工程的這幾臺型號相同的冷水機組所處的運行環(huán)境相同(T_s，△T₂，△T₃，以及蒸發(fā)溫度基本相同)，但是各臺冷水機組的外部效率并不相同，由此只能認定各臺冷水機組的冷凝器換熱溫差(△T₁)不同。為此我們不妨作出各臺冷水機組的冷凝器換熱溫差分布圖，如圖8所示。

圖8 各臺冷水機組冷凝器換熱溫差

從圖8可以清楚地看到，各臺冷水機組的冷凝器換熱溫差存在較大差異，CH2的冷凝器換熱溫差最小，CH3的則最大，這正說明了為什么CH2的外部效率最高而CH3的則最低，如圖6所示。

另外，還有一種更簡便的方法來說明這個問題。實測數(shù)據(jù)表明，冷凝溫度( T_cd)-般與冷卻水出冷水機組的溫度( T₂)呈線性關(guān)系，如圖9所示。從圖中可以看到CH2的冷凝溫度最低，而CH3的冷凝溫度最高，這與圖6和圖8得出的結(jié)論是一致的。

圖9 Tcd-T2散點關(guān)系圖

造成同型號且工作環(huán)境相同的冷水機組冷凝器換熱性能不一樣的原因有先天性的，也有后天性的。如果是后天性的因素，比如冷凝器結(jié)垢、臟堵等，則應(yīng)立即采取措施改進之。就本例工程來說，初步認定為先天性因素，在這種情況下，應(yīng)優(yōu)先運行換熱性能好的冷水機組。經(jīng)測算，如此調(diào)整運行策略，可節(jié)省冷水機組電耗約30萬kWh/a。

需要指出的是，同型號的冷水機組在實際運行中會表現(xiàn)出不同的性能，這是工程實際中容易被忽視的一個普遍現(xiàn)象，在對冷水機組進行節(jié)能診斷時應(yīng)引起注意。

2)冷卻水供回水溫差(△T₂)

冷卻水供回水溫差是影響冷凝溫度的又一重要因素，溫差越小，冷凝溫度就越低，但與此同時，水系統(tǒng)的投資以及冷卻水泵電耗就會增加，因此，冷卻水溫差必須適度，工程設(shè)計中一般取5℃。但是通過圖10可以看到，本工程冷卻水溫差在絕大部分時間里均大于5℃，這說明本工程的冷卻水量相對不足，為降低冷凝溫度應(yīng)適當(dāng)增加冷卻水量。對此，筆者在現(xiàn)場做過實驗，若增開1臺冷卻水泵，則整個制冷站試驗日即可節(jié)能電量約2 800 kWh。經(jīng)測算，全年可節(jié)省電量約14萬kWh。

圖10 各臺冷水機組冷卻水溫差

3)冷卻塔換熱溫差(△T₃)

冷卻塔換熱溫差反映的是冷卻塔的換熱性能，換熱性能越好則冷凝溫度就越低。圖11說明本工程的冷卻塔換熱效果尚可，特別是在夏季處于較好的水平，但是在冬季冷卻塔換熱溫差相對較大，存在一定的節(jié)能潛力。

 
圖11 冷卻塔換熱溫差分布圖

第四步：節(jié)能潛力模擬計算

在前面的分析中多次提到了某項節(jié)能措施的節(jié)能量，那么這些節(jié)能量都是怎么得到的呢？這是節(jié)能診斷很重要的一步，是加深對具體問題認識的必由之路，也是節(jié)能決策的重要依據(jù)。

節(jié)能潛力（量）計算的最主要依據(jù)是工程實測或?qū)嶒灁?shù)據(jù)，但是實際工程的運行條件無法重現(xiàn)，即無法進行“改造”與“不改造”的對比實驗，故無法從實驗數(shù)據(jù)直接得到節(jié)能潛力，只能借助一定的模擬計算。為了保證可靠性，這種模擬計算的依據(jù)只能是實測數(shù)據(jù)。

篇幅所限，此處不作展開論述，僅總結(jié)一下本工程模擬計算中的主要公式，并作簡要說明。

1)冷水機組內(nèi)部效率擬合公式

說明：由圖3數(shù)據(jù)擬合得到，認為各臺冷水機組的DCOP一樣。此處的滿負荷率PLR指的是單臺冷水機組的額定制冷量。

2)不同臺數(shù)冷水機組內(nèi)部效率擬合公式

1臺：

2臺：

3臺：

說明：由圖5數(shù)據(jù)擬合得到。此處的滿負荷率PLR指的是3臺冷水機組額定制冷量的和。

3)冷水機組冷凝溫度擬合公式

說明：由圖9數(shù)據(jù)擬合得到。

對冷水機組的節(jié)能診斷不能只看COP一個指標(biāo)，而是應(yīng)該綜合考慮內(nèi)部效率(DCOP)和外部效率(ICOP)，以及蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、冷凝器換熱溫差、冷卻水溫差、冷卻塔換熱溫差、室外濕球溫度等多個指標(biāo)（如圖1所示）。

決定冷水機組內(nèi)部特性的指標(biāo)是內(nèi)部效率(DCOP)，而不是COP。將COP擬合成負荷率(PLR)的函數(shù)去分析問題的做法并不合適，正確的做法是將DCOP擬合成PLR的函數(shù)。

總結(jié)了常見冷水機組能耗問題如下（前4個在本文實例中均有分析，后3個是根據(jù)圖1指標(biāo)體系補充的）：

1)冷水機組群控策略不合理。一個很重要的原因就是對冷水機組的內(nèi)部特性認識不足。

2)冷凝器換熱溫差大。同型號冷水機組處于相同的工作環(huán)境中，其性能也可能會相差較大。

3)冷卻水量不足。這在中國內(nèi)地并不常見，但在境外可能性顯著增大。

4)冷卻塔換熱性能差。

5)壓縮機選型與實際運行工況不匹配，反映出的結(jié)果是內(nèi)部效率差。

6)蒸發(fā)溫度設(shè)定太低，蒸發(fā)溫度在全制冷季可適當(dāng)調(diào)節(jié)，以節(jié)省冷水機組能耗。

7)蒸發(fā)器換熱性能差，結(jié)果是外部效率差。